大型LNG全容儲罐干燥置換氮氣用量計算方法

張寶和，張元杰，卞 琦，孫 波，李作偉

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

近年來，國內液化天然氣產業迅猛發展，大型LNG全容儲罐（以下簡稱“LNG儲罐”）業務量暴增。在LNG儲罐及管道安裝施工完成后，需要進行一系列測試工作，會造成其內部存在大量游離水和水蒸氣，為避免事故的發生，必須對LNG儲罐進行干燥置換。如果吹掃干燥不徹底，在低溫LNG進入儲罐后，有水的部分將瞬時結成冰，底板鋼板將向上頂起，環隙空間的珍珠巖將會結塊，影響其隔熱效果；投產時LNG同樣會使設備、管道、閥門里的水結成冰，降低輸送效率，損壞設備，閥門無法正常啟閉或造成更大的事故。因此，掌握LNG儲罐及其配套管道吹掃、干燥、置換技術，有助于提高干燥惰化質量，提高試車安全，降低未知風險，提升行業核心競爭力[1-3]。

1 LNG儲罐干燥置換

以福建某液化天然氣項目LNG儲罐氮氣置換工程為例，單罐有效工作容積為160 000 m3；設計壓力為-1.0 kPa/29 kPa，設計溫度為-165℃/+50℃，外罐為預應力混凝土，罐頂為加強混凝土；罐底、內外罐之間的環形空間及內罐吊頂均采用絕熱材料（泡沫玻璃磚、膨脹珍珠巖、玻璃棉和彈性氈）進行保冷。

該液化天然氣項目干燥置換工程的施工對象為2 臺全容低溫罐，儲罐內徑82 m、外徑84 m。LNG儲罐分區示意見圖1。

圖1 LNG儲罐分區示意

通過對國內LNG 項目全容儲罐干燥置換相關技術資料的調研和收集，對方案進行分析與比選，編制福建某LNG 項目全容儲罐及其配套管道干燥置換方案。

目前的氮氣置換方案主要有兩種：一是用液氮槽車將液氮運輸至項目現場，通過氣化器將液氮逐步氣化為低溫氮氣，再通過電加熱器/水浴將低溫氮氣加熱至常溫后再引入全容儲罐進行置換；二是利用制氮機將空氣中的氧氣濾出得到純度較高的氮氣，再通過干燥機干燥后得到純度和露點滿足要求的氮氣，最后引入儲罐進行氮氣置換[4-6]。

2 氮氣置換用氮量計算方法

2.1 持續吹掃式干燥置換

LNG 儲罐干燥置換首先從圖1中A 區開始進行置換作業，由于B、C、D 三區空間較小，儲罐運行后空間內存在蒸發滲透的BOG 氣體，因此干燥置換工作應先針對要求更高的A 區進行，達標后再對B、C、D 三區進行干燥置換。

由N32口引入氮氣，進氮流量0～24 h為200 m3/h，24～36 h為750 m3/h，36 h后逐漸提升至2 000 m3/h，關閉其他出口并對儲罐升壓。當壓力提高至10 kPa時，打開N36口放空閥門，調節氮氣流量和N36口閥門的開度，維持壓力在10 kPa，此時進行A 區的干燥置換。采用持續吹掃方式干燥置換A 區，將A區的露點降到-20 ℃，且控制注入氮氣的溫度比罐內空氣溫度低10 ℃左右，以利于氣體分層，增強活塞置換效應。在干燥置換A 區的同時打開B 區放空口N31A/B，對B區進行干燥置換到露點為-10 ℃以下。當A 區和B 區露點達到要求后，打開C 區和D區的放空口，對C區和D區進行置換[7-9]。

當干燥置換基本合格時，采用持續吹掃干燥方式維持露點在-20 ℃以下，罐壓仍然保持在10 kPa左右，最后A、B、C、D 區均達到干燥置換要求后，將儲罐壓力升高至12 kPa 左右，直至試運行。當儲罐持續吹掃干燥置換的施工方式效果不理想時，則選擇對儲罐充壓至10 kPa 左右后將儲罐壓力泄放至1 kPa 左右微正壓，通過反復操作充壓放壓的方式提高干燥置換效率。

為了確保持續吹掃干燥方式的應用效果，避免露點出現反復，應反復進行充壓、放壓工作。設第一次儲罐內壓力升至10 kPa 過程所需時間為t1，升壓速度為V1，第一次儲罐內壓力卸壓至1 kPa過程所需時間為t'1，卸壓速度為V'1，經過多次露點監測，最終第n次達到放空口檢測露點低于-20 ℃且氧含量低于4%的要求，充壓、放壓所需時間分別為tn、t'n，升壓、卸壓速度分別為Vn、V'n，qBCD為吹掃LNG 儲罐B、C、D 區氮氣注入的流量，該數值可根據實際情況進行調整。由此可得持續吹掃干燥方式所需時間t總（h） 和置換總用氮量q總（m3），見式（1）、式（2）。

2.2 壓漲式干燥置換

LNG 儲罐內氮氣置換過程是否完成有兩個指標參數：露點和氧含量（體積分數）。對于壓漲式干燥置換，可以從露點和氧含量兩個角度進行氮氣用量計算。

2.2.1 按露點要求計算氮氣用量

當N9 出口氣體露點低于-10 ℃時，應關閉儲罐所有放空口，悶罐2 h 后打開A 區放空口對儲罐進行卸壓，控制卸壓速度不超過0.8 kPa/h，當罐內壓力降至1 kPa 時停止卸壓。再由儲罐的N10 口引入氮氣，對儲罐進行升壓，控制升壓速度不超過1 kPa/h，當儲罐壓力升高至10 kPa 時，關閉儲罐所有放空口，儲罐悶罐2 h。此工作循環進行多次直至放空口處氧含量小于4%且露點小于-10 ℃，即A區干燥置換完成[10-12]。

LNG儲罐按露點要求置換時間計算公式如下：

式中：tc為儲罐內部水蒸氣質量濃度由ρ1到ρ2所需時間，s；V為儲罐體積，m3；q為氮氣輸入量，m3/s；ρ0為氮氣中水蒸氣質量濃度，g/m3；ρ1為罐內初始水蒸氣質量濃度，g/m3；ρ2為置換后罐內水蒸氣質量濃度，g/m3。

令Q1=qtc，式（3）推導如下：

式中：V水為氮氣中水蒸氣的總容積，m3；V前為罐內初始水蒸氣的容積，m3；V后為置換后罐內水蒸氣的容積，m3；m為水蒸氣的質量，設氮氣置換過程中水蒸氣質量為定值，kg。

在氮氣置換過程中儲罐體積變化忽略不計，罐內水蒸氣的容積與水蒸氣體積分數成正比，即有：

式中：φ0為氮氣中水蒸氣體積分數，φ1為初始水蒸氣體積分數，φ2為氮氣置換后水蒸氣體積分數。

全容罐內氣相空間內水蒸氣的露點計算公式可以用Antoine方程，計算公式如下：

式中：θ為露點，℃；P0為儲罐的絕對壓力，Pa；φH2O為水蒸氣體積分數。

根據項目實際，分別取值θ1=-40 ℃，θ2=-10 ℃，得到最終得到該項目氮氣用量計算公式為：

A 區干燥置換工作完成后，對B 區進行干燥置換時應嚴格控制氮氣流量，以防止珍珠巖從管口被吹出，氮氣流量根據罐頂露點變化情況可在80～150 m3/h 范圍內進行調整。對C 區和D 區干燥置換時，為了防止內罐底部變形，氮氣流量應控制在小于100 m3/h。特別地，在干燥C 區過程中需注意其與A、D區的壓差，以免罐底損壞，同時需要保證D區壓力不超出A、B、C 區壓力0.4 kPa，A、B 區壓力不超過15 kPa。干燥置換過程中要時刻觀察儲罐壓力，通過控制氮氣流量以及相關閥門開度，使儲罐壓力控制在10 kPa 左右。當儲罐A、B、C、D 四區均達到作業要求后，將儲罐壓力升至12 kPa，直到試車階段[13-15]。

2.2.2 按氧含量要求計算氮氣用量

LNG 儲罐干燥置換除控制露點外，為防止氣體混合產生危險，同時須控制氧含量。根據等壓置換過程中儲罐內氣體濃度的數學表達式，可以計算得到儲罐置換所需用氮量和干燥置換時間。在任一時間t，氮氣充入的同時將儲罐內的混合氣體排出，儲罐內基本維持等壓狀態，排出混合氣體的氧含量CO2計算公式如下：

式中：Φ0為置換開始前儲罐內氧含量（體積分數），取21%；CO2為儲罐排出混合氣體的氧含量（體積分數）；t為干燥置換時間，h；v1為氮氣充入流量，m3/h。

令v1/V=α，即充氮流量與儲罐置換容積之比，對上式積分得：

當邊界條件t=0時，CO2=0.21，由于置換容積較大，1/V可忽略不計，可得罐內氧含量隨置換時間的函數關系式：

置換時間：

對應氮氣用量為：

3 氮氣置換用氮量計算

3.1 軟件簡介

根據公式調研分析結果及氮氣吹掃干燥置換技術研究，綜合工程項目經驗，編制了儲罐吹掃干燥置換用氮量計算軟件，該軟件能夠實現不同儲罐容積、不同初始條件、不同施工參數的計算，適用性廣泛，其界面分為兩個板塊（持續吹掃式干燥置換、壓漲式干燥置換），實現了LNG 儲罐干燥置換時間及用氮量的快速計算，該軟件計算流程見圖2。

圖2 軟件計算流程

LNG 儲罐干燥置換的前提是將露點及氧含量吹掃至目標值以下，圖2所示軟件計算流程中選擇計算數值較大的方法即可保證干燥置換的兩個前提條件同時滿足。

3.2 軟件計算結果

輸入該項目1#LNG儲罐的相關參數后，得到計算結果并與工程項目實際數據進行對比擬合，見圖3。

圖3 軟件計算結果與實際數據擬合曲線

圖3 表明軟件計算結果與項目現場實際數據擬合度較高。利用干燥置換用氮量計算軟件能夠實現LNG 儲罐干燥置換時間及用氮量的快速估算，在一定程度上可以縮短作業工期，減少氮氣消耗量，節約項目成本。

4 結論

本文推導了大型LNG全容儲罐干燥置換技術用氮量計算方法，并且基于兩種干燥置換模型編制了用氮量計算軟件，與項目現場實際數據擬合度較高，該軟件可以做到快速計算氮氣用量及作業工期，是更為高效、高質量的干燥置換作業方案，可為儲罐干燥置換理論計算及施工作業提供參考。