大型LNG储罐干燥置换的研究与计算

曹学文，彭文山，任大伟，王萍，张楠，徐晓婷，唱永磊

1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛266580

2.中海油研究总院，北京100027

大型LNG储罐干燥置换的研究与计算

曹学文1，彭文山1，任大伟1，王萍1，张楠1，徐晓婷1，唱永磊2

1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛266580

2.中海油研究总院，北京100027

大型LNG储罐的压力测试都采用水压进行，试压结束后必须对储罐进行干燥置换。工程中大多采用氮气持续吹扫进行干燥置换，导致氮气消耗大、工期长、作业成本高，另外干燥置换理论计算方法不完善也给LNG储罐干燥置换介质的计算造成障碍，无法准确预估介质使用量。为节省液氮用量以及准确预估干燥置换氮气使用量，文章采用热干空气吹扫干燥与氮气干燥置换相结合的方法，用压涨式吹扫干燥工艺对储罐实施干燥置换作业，同时根据氧含量及露点要求给出干燥置换介质用量的计算方法，与站场储罐干燥置换施工情况进行对比分析表明：按照露点要求得到的干燥置换计算方法能很好地计算液氮用量及作业工期，可为储罐干燥置换的理论计算及施工作业提供参考。

LNG储罐；干燥置换；计算方法；工艺优化

随着国家能源结构调整以及对环境保护要求的提高，液化天然气（LNG）作为一种无色、无味、无毒、无腐蚀性的清洁能源在国内的应用越来越广泛[1-2]。储罐是LNG接收站的核心设备，也是LNG的主要储存设备[3]。LNG储罐类型众多，从安全性和经济性角度，国内外接收站大多选用全容式LNG储罐[4-5]，我国大型LNG接收站中的LNG储罐均为全容式储罐。

大型LNG储罐在水压试验结束后，内部可能存在大量游离水或水蒸气。低温LNG进入储罐后，有水的部分会瞬间凝结成冰，二次底板将被向上顶起，造成内罐结构受损；另外内外罐之间填充的膨胀珍珠岩也会结块，严重影响储罐保冷效果；储罐附属管道及低压泵也可能结冰，对储罐运行造成影响，因此水压试验后必须进行干燥置换处理才能投产。

本文介绍了压涨式干燥置换的一般步骤及控制要点，提出了干燥置换介质用量及干燥置换时间的计算方法，并与同类工程进行对比验证，可为大型LNG储罐的干燥置换作业及参数计算提供参考。

1 大型L NG储罐结构

1.1 大型LNG储罐组成

大型LNG储罐主要由9%Ni钢内罐、预应力混凝土外罐、外罐内侧底部热角保护系统、储罐保冷层以及工艺管道、仪表等附件组成，如图1所示。

图1 大型LNG储罐结构示意

1.2 罐壁保冷系统

储罐内、外罐壁间环形空间由重量轻、绝热性好的保冷材料——膨胀珍珠岩填充。当温度降低时，储罐会收缩。因此，在内罐壁外侧安装玻璃棉制成的弹性玻璃纤维毡为珍珠岩提供弹性，可以防止或减小珍珠岩的沉降，避免二次填充[6]。

热角保护系统由高度为5 m的9%Ni钢壁板及泡沫玻璃砖保冷层、9%Ni钢二次底板等组成。

2 干燥置换工艺

2.1 干燥置换分区及标准

在大型LNG储罐投用后，储罐内、外罐之间的环形空间将允许填充内罐LNG蒸发的BOG气体，因此在储罐干燥和置换过程中不仅需要对内罐进行干燥和氮气置换，还需要对储罐内、外罐之间的环形空间进行干燥置换。根据储罐不同区域干燥顺序的不同，将储罐干燥和氮气置换分为A、B、C、D四个区域（如图2所示），由于四个区域功能不同，所以干燥置换的要求也有所不同。

图2 储罐干燥置换分区及工艺示意

对于大型LNG储罐，国内尚无明确规定干燥和置换具体要求的相关标准，本文结合欧洲标准EN 14620-5：2006[7]、EN 1473[8]以及国内大型LNG储罐干燥置换现场实践确定大型LNG储罐氮气干燥置换标准（见表1），以保证储罐干燥置换后预冷作业的安全顺利进行。

表1 LNG储罐氮气干燥置换标准

2.2 空气干燥

储罐内部属于密闭空间，若水压试验和干燥置换作业间隔时间较短，其内部可能存在大量的游离水甚至水膜，湿度较大，会增加干燥难度。为降低储罐空间的露点，节省氮气用量，先采用热的干空气进行除湿，当露点达到一定值（10℃）后，改为氮气干燥和置换。此种方式不仅提高了干燥置换的速度，而且减少了氮气的用量，节约了成本。

为了使加热后的干空气露点及温度达到储罐氮气开始吹扫标准，设计了干空气的制备优化流程，见图3。在干空气制备过程中有以下要求。

图3 热压缩干空气制备优化流程示意

（1）干空气温度。施工期间为提高干燥效率，需对干空气进行加热。针对干空气加热过程，进行了优化：利用空压机出口处的高温压缩空气的热量对干燥器出口的压缩干空气进行换热，提高压缩干空气的温度，一定程度上节约了对干空气加热的能量消耗，降低了施工成本。干空气目标露点为-60～-70℃。

（2）干空气的流量。干空气的流量越大，干燥时间越短，一般干空气的流量约5 000 Nm3/h。

（3）干空气除油。为了防止空压机处理后的空气中带油，吹入管道后对管道造成污染，在干空气使用前需进行除油。

2.3 氮气干燥置换

LNG储罐初步干燥的介质为干空气，当储罐露点降低到一定温度时，干燥置换采用的介质为氮气。置换要在高纯氮的条件下执行，且露点≤-60℃。干燥置换过程主要分为储罐升压和A、B、C、D区依次干燥置换，干燥置换过程分为三个阶段。

2.3.1 持续吹扫式干燥置换

干燥置换顺序是由A区至D区。由于B、C、D三个区的空间较小，储罐运行后空间内存在的介质为蒸发渗透的BOG气体，干燥置换的要求低于A区。因此，干燥置换先针对A区进行，达标后再对B、C、D区干燥置换。

由N10口引入氮气，进氮流量必须控制得当，逐步提升至2 000 Nm3/h。其他出口全部关闭，对储罐进行升压作业；当储罐压力升高至10 kPa时，开启N9口阀门进行放空，调节氮气流量和N9口阀门的开度，使压力维持在10 kPa，开始A区的干燥置换。干燥置换初期，持续吹扫干燥方式效果较好，当露点降至-10℃时，持续吹扫干燥方式效果不明显，采用压涨式干燥置换方法对A区进行作业。

2.3.2 压涨式干燥置换

当N9出口排出气体的露点低于-10℃时，关闭储罐所有放空口，储罐开始闷罐，期间随时关注罐内压力变化，2 h后开启A区放空口对储罐进行卸压，控制卸压速度≤0.8 kPa/h，当罐内压力降至1 kPa时停止卸压。再由储罐的N10口引入氮气，对储罐进行升压作业，升压速度≤1 kPa/h，当储罐压力升高至10 kPa时，关闭储罐所有放空口，储罐闷罐2 h，开启A区放空阀门进行卸压，当罐内压力降至1 kPa时停止卸压。

如此反复进行多次，直至放空口处检测的露点低于-20℃且含氧量低于4%，储罐A区干燥置换完成。

2.3.3 持续吹扫干燥维持露点

当A区干燥置换完成后，采用持续吹扫干燥方式对B、C、D区进行干燥置换。对B区进行干燥置换时要严格将氮气流量控制在80～150 Nm3/h，应保证珍珠岩不致由管口吹出，氮气流量可根据罐顶露点变化情况进行适度调整。对C区和D区罐底保冷层进行置换时，氮气流量应控制在小于100 Nm3/h，防止内罐底部出现变形。C区的干燥过程中需要格外注意C区与A、D区的压差，如果C区压力高于A区0.4 kPa，储罐底部可能损坏。另外要确保D区的压力不超出A、B或C区压力0.4 kPa，同时A、B区的压力不得超过15 kPa。

B、C、D区干燥置换具体操作流程参考文献[9-12]，在储罐干燥置换过程中需注意观察储罐的压力，通过控制氮气的流量和排放口阀门的开度，确保储罐压力在10 kPa左右。最后A、B、C、D区均达到干燥置换要求后，将储罐压力升高至12 kPa左右，直至试运行。

3 干燥置换计算

3.1 压涨式吹扫干燥升压计算

在对储罐内罐进行置换时，先通入氮气对储罐升压，当储罐内压力达到10 kPa左右，打开罐顶放空阀。在储罐升压过程中充入的液氮量按照下式计算：

式中P——罐内气体压强/Pa；

V——储罐体积/m3；m——氮气质量/kg；

M——氮气的摩尔质量/（kg/mol）；

T——内罐气体的热力学温度/K；

R——理想气体常数/（Pa·m3/（mol·K））。

3.2 干燥置换用氮量计算方法一

由工业通风中的全面通风原理[13]可得到露点下降到某一温度所需时间，即罐内水蒸气达到某一质量浓度所需要的时间。LNG储罐按露点要求置换时间计算公式如下：

式中tc——储罐内水蒸气的质量浓度由ρ1变化到ρ2所需要的时间/s；

Vt——储罐气体总容积/m3；

q——氮气的输入量/（m3/s）；

ρ0——氮气中水蒸气的质量浓度/（g/m3）；

ρ1——罐内初始水蒸气的质量浓度/（g/m3）；

ρ2——置换后罐内水蒸气的质量浓度/（g/m3）。

3.3 干燥置换用氮量计算方法二

大型LNG储罐干燥置换不仅要控制罐内露点，同时为防止气体混合产生危险，还要控制罐内氧含量，根据等压置换过程中储罐内气体浓度的数学表达式[14]，计算得到储罐置换所需液氮用量和置换时间。

在任一时间t，氮气充入过程中将储罐内的混合气体导出，基本维持储罐内等压状态，储罐内的氧含量CO2的变化具有如下规律:

式中CO2——储罐内的氧含量；

t——时间/h；

V——储罐的容积/m3；

V1——氮气的充装速度/（m3/h）。

α实际上是置换充气速度与储罐容积之比，由式（4）可知，置换所需的时间取决于α的大小。相应的惰性气体耗量为V1t。

4 结果分析

4.1 LNG储罐干空气吹扫干燥

4.1.1 储罐内部无水膜

当储罐水压试验后，储罐内部没有水膜也没有水聚集时，采用图3所示工艺流程制备的干空气对储罐进行吹扫干燥，假定吹扫干燥前储罐内初始露点为30℃，吹扫干燥结束时储罐内露点达到10℃。将LNG储罐相关数据及干空气吹扫干燥相关要求代入式（2）即可求出干空气吹扫干燥需要的吹扫时间，干空气用量可由吹扫时间及干空气流量计算得到。

4.1.2 储罐内部有水膜

当储罐内由于水压试验后仍残留大量游离水，在内罐内表面形成水膜或者在内罐底部聚集局部小范围水时，会消耗较多干空气，此时的干空气干燥是干空气与水膜之间的传质传热过程，属于典型的绝热加湿过程。可以根据文献[9]介绍的干燥计算公式进行计算。

4.2 LNG储罐氮气干燥置换

4.2.1 结果分析

根据方法一将LNG储罐相关参数以及表1相关要求代入式（1）和式（2），计算出罐内露点降至表1规定温度时所需要的时间为tc1。同理，按照方法二，由式（1）和式（4）计算出所需时间为tc2。

以16万m3LNG储罐为例计算可知：tc1=265 h，tc2=153 h，tc1＞tc2，因此，储罐干燥置换时间需要按方法一计算，即按规范要求的露点计算。得到干燥置换时间后，根据流量大小即可计算得到液氮用量。

4.2.2 工程实例验证

本文以山东LNG接收站一台16万m3储罐为例，对干燥置换用氮量进行了计算，计算过程未考虑储罐内部附属管道及低压泵等干燥置换，也未考虑干燥置换作业中氮气泄漏及操作过程中其他氮气损失；另外干燥置换过程中仅考虑一次压涨作用，而实际工程中由于B、C、D区较难干燥置换，很可能需要多次压涨，为保证施工作业顺利安全进行，实际作业需要考虑液氮余量。综合以上各因素，最终液氮用量按照方法一计算结果为814 t，这与山东LNG项目一台储罐干燥置换实际施工所用液氮量（834 t）相差不大，因此，该计算方法可行。

5 方案优化

LNG接收站一般有多台LNG储罐，干燥置换作业往往是几台储罐同时进行，为提高储罐干燥置换效率、节约资源以及最大限度缩短工期，可以采用并联吹扫方式进行储罐的干燥置换，图4以两台储罐为例进行了分析，两台以上储罐并联吹扫方式依次类推。

图4 LNG储罐空气和氮气吹扫干燥流程

干燥流程为：先对1#储罐进行干空气吹扫，当1#储罐露点降到10℃，转为氮气干燥置换作业；同时2#储罐开始干空气吹扫，2#储罐露点降到10℃后，用氮气开始干燥置换作业。并联吹扫可以实现1#、2#储罐氮气吹扫无时间差，既节省了工期又保证了氮气的充分共用，减少了气化器等设备的需求量，节省了设备租赁及现场管理等费用。

6 结论

工程中大型LNG储罐干燥置换大多采用氮气持续吹扫方式，液氮消耗大、工期长、作业成本高，另外干燥置换理论计算方法不完善也给干燥置换介质使用量的计算及工期预估造成障碍，从而不能准确地完成施工准备工作，给储罐干燥置换作业带来不便。鉴于以上原因，通过对干燥置换工艺的优化以及对干燥置换计算公式的研究后得到以下结论：

（1）为了避免由于储罐内部湿度较大造成干燥置换消耗液氮较多情况的出现，首先利用热的干空气进行吹扫干燥，当露点达到一定值（10℃）后，改为氮气干燥和置换，在干燥置换实施过程中采取压涨式干燥置换方法以及并联吹扫方式，不仅使干燥置换的速度提高，而且减少了液氮用量，节约了成本。

（2）通过综合考虑含氧量及露点要求，给出了干燥置换的计算公式，并对不同公式的计算结果进行了对比分析，得知按照露点要求计算大型LNG储罐干燥置换液氮用量更加准确，计算结果与实际工程使用量基本接近，可以作为工程干燥置换计算参考。

[1]钱伯章.当代天然气工业及其发展前景[J].天然气与石油，2002，20（2）：16-20.

[2]袁中立，闫伦江．LNG低温储罐的设计及建造技术[J].石油工程建设，2007，3（5）：19-21.

[3]彭明，丁乙.全容式LNG储罐绝热性能及保冷系统研究[J].天然气工业，2012，32（3）：94-97．

[4]Chen Q S，Wegrzyn J，Prasad V．Analysis of temperature and pressure changes in liquefied natural gas（LNG）cryogenic tanks[J].Cryogenics，2004，44:701-709.

[5]Rama Subba Reddy Gorla.Probabilistic analysis of a liquefied natural gas storage tank[J].Applied Thermal Engineering，2010，30（17/18）：2 763-2 769.

[6]王冰，陈学东，王国平.大型低温LNG储罐设计与建造技术的新进展[J].天然气工业，2010，30（5）：108-112．

[7]EN 14620-5:2006，Design and manufacture of site built，vertical，cylindrical，flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated，liquefied gases with operating temperatures between 0℃and-165℃[S].

[8]EN 1473，Installation and Equipment for Liquefied Natural Gas-Design of Onshore Installations[S].

[9]成永强，崔婧.大型全包容式LNG储罐吹扫干燥技术探讨[C]//第三届中国LNG论坛论文集.广州：中国工程热物理学会，2012：1220203.

[10]吴旭维，吴志星，胡云峰，等.大型LNG低温储罐干燥与置换[J].煤气与热力，2012，32（7）：B04-B07.

[11]霸磊，李庆合，杨金平，等.LNG储罐干燥施工技术及应用［J］.石油天然气学报，2012，34（4）：272-276.

[12]彭超.大型LNG储罐氮气吹扫和干燥方案优化[J].油气储运，2012，31（S）：95-98.

[13]孙一坚，沈恒根.工业通风[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[14]彭世尼，孙知音.燃气储罐置换过程的数学分析［J］．煤气与热力，2000，20（5）：338-340.

Research and Calculation on Drying and Replacement Process of L arge L NGStorage Tank

Cao Xuewen1，Peng Wenshan1，Ren Dawei1，Wang Ping1，Zhang Nan1，Xu Xiaoting1，Chang Yonglei21.College of Pipeline and CivilEngineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China
2.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China

The water pressure test is always taken for the pressure test of large LNG storage tank.The drying and replacement process must be taken after the water pressure test completed.Most tanks are continuously purged with nitrogen，resulting in large consumption of nitrogen，long test duration and high operating costs. Besides，the imperfect theoretical calculation method causes obstacle to the calculation of the drying and replacement medium，and leads to inaccuratelyestimate the amount of medium.In order to save the amount of liquified nitrogen and accurately estimate the replacement volume of nitrogen gas，the hot dry air purge method and the nitrogen purge method are combined and the pressure increasing method is used to perform drying and replacement process for LNG tank.Meanwhile，the calculation method of the amount of replacement medium is given according to the oxygen content and dew point requirements，and the results are compared with the practicalcase in the LNG tank construction site.It is shown that the calculation method based on the dew point requirement proposed in this paper can be used to calculate the amount of liquid nitrogen and the operation time accurately.So，it can be used to provide reference for the tank drying and replacement calculation and construction.

LNG storage tank；drying and replacement；calculation method；process optimization

国家自然科学基金（51274232）和中央高校基本科研业务费专项资金（13CX06074A）资助

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.003

曹学文（1966-），男，山东昌邑人，教授，博士生导师，1986年毕业于华东石油学院，博士，主要从事天然气处理与加工、油气水多相流理论及应用、海底管道完整性管理等方面的研究。

2014-06-04；

2014-08-29