LNG储罐如何预冷？工艺怎么优化才能安全又高效？

LNG储罐预冷 在 LNG接收站 的 调试 及 投产中最 为 关键 ， 同 时 也 最 为 危险。 结合接收站不同 施 工 阶段调试方案， 对 新建LNG接收站 工 程 与 扩建 工 程 储罐预冷工艺 与 问题 进 行 详 细 描 述 。 针 对如何 有 效 地 回收预冷 时 蒸发气 的 问 题 ， 建 议 采 用LNG储罐 内 常温天然气 替 代 氮气。 为 解 决 扩建LNG储罐 工 程 新卸料管道预冷 过 程 中 可能 发 生 法兰泄漏 造 成 储罐预冷断 流 的 危 险 问 题 ，提出 利 用小口径管道 对 储罐 实 施 预冷。 优化方案成功应用于舟山LNG接收站二期的扩建储罐项目中，在实际应用中验证了优化方案的可靠性，对同类LNG项目具有借鉴意义。

2006年 ， 广东深圳大鹏LNG接收站项目正式投产，拉开了国内LNG接收站大规模引进的序幕， 尤 其 是2018年4月，国家发改委 、 国家能源局联合发布《关于加快储气设施建设和完善储气调峰辅助服务市场机制的意见》，中国沿海LNG接收站建设进入高峰期。 目前国内已投产的LNG接收站有22座，已投用的16万m 3 及以上容积的LNG储罐约有70座。

大型全包容LNG储罐 作 为 LNG接收站 内 十 分 重要的单元设备 之 一 ， 所 占投资比 重 大 ， 在 正式投用 之 前 进 行 调试 的 工作 具 有 很 高 的 技术要求。 LNG储罐调试中最 为 关键 也 最 为 危险的 一 个 环节 就 是预冷， 若 冷却过程 没 有 得 到 很 好 地 控制 ， 很 有可能 损 坏LNG储罐 并 造成 重 大经济损失。 另一方面， 一 个16万m 3 储罐冷却 完 毕 后 ， 所 消耗LNG 大 约 为 2500m 3 。 冷却 时 生 成 的蒸发气 将 和 氮气混 在 一 起 ， 因 混合气热值低 而 不 能 满 足 进入天然气外输管道 需 要， 且 混合气基本 上 都 是 经 火炬排 出 ，浪费 严 重 。 所 以 如何 在 保 证 LNG储罐预冷 工 艺 安全 平 稳 运 行 的 前 提 下 对 预冷 工 艺 蒸发气 进 行 有 效 回 收 是LNG储罐预冷优化 工 艺 的 一 个 发 展 方向。

1 LNG接收站储罐预冷工艺

根 据 接收站建设阶段， 采 用 LNG接收站罐 内 预冷工艺 有 新建 和 扩建 两 种 ， 其 主要 区 别 在 于 预冷罐 内 LNG 产 地 不同。 新建的LNG接收站在投产时，需利用LNG船上的LNG预冷储罐，而扩建接收站的储罐预冷，则可以利用接收站已投产的储罐中的LNG。

1.1新接收站储罐预冷 过 程

新建LNG接收站 工 程 首船接卸 过 程 中 ， 储 罐 一 般 采用LNG直接喷淋预冷工艺。 见 图1 , 在 预冷 之 前LNG储罐内罐 ， 穹顶 以 及 环形空间 均 通 过 了 烘 干 和 氮气置换 达 标 。 LNG船 停 靠 之 前，接收站卸料总管 采 用 低温氮气预 降 温 ，预 降 温 结 束 时 卸料管道端 部 温度约 为 -120 ° C ， 再 通 过 LNG船上喷淋泵 将 卸料管道深度 降 温 充 入 LNG , 同时开 启 LNG储罐罐顶喷淋预冷阀门 以 3~5 ° C · h - 1 降温速率对储罐内壁 和 罐底 降 温 ， 且 喷淋LNG量 保 持 在30~70m 3 · h - 1 。 在 降 温 过 程 中 ， 要求LNG储 罐 罐底或罐壁任意 两 个相邻检测点 之 间 温度差 值 不 大 于 30 ° C , 非 相邻检测点温度差 值 不 大 于 50 ° C 。 当 L N G 储 罐 罐底 各 温度检测点温度 下 降 到 -150 ° C 后 , LNG储罐预冷 结 束 ，可 采 用 卸料进液管道小流量慢 速 进液 方 式 ， 设 定 一定液位。 因 首 船 接卸 时 接收站BOG压缩机 ， 再冷凝器 以 及LNG气化外输系统 尚 未调试 完 成 , LNG储罐 在 预冷 时 生 成 BOG 与 氮气混合气只能 经 火炬燃烧 后 排 出 而 不 能 回收。

新LNG接收站 利 用LNG船上蒸发器生 成 BOG 预 冷 卸料管道时， 其 LNG储罐预冷方案 是 低温BOG 替 代 氮气 加 LNG喷淋预冷工艺。 相 对 于 LNG直接喷淋预冷工艺， 其 最 大 特点在 于 LNG储罐预冷前用低温BOG 置 换 罐 中 氮气。 我 国新LNG接收站首船接卸 采 用低温BOG置换氮气 加 LNG喷淋预冷工艺 ， 见 图2。 LNG船 停 靠 时 ， 卸 料 管 道 采 用LNG船上 部 蒸发器生 成 的BOG , 在 预冷 时 BOG 经 储罐上 部 进液管道 直 接 流 入内罐空间。 由于BOG密度 小 于 氮气，可 以 通 过 活塞效应 使 储罐 中 氮气 由 储 罐底 部 氮气吹扫管线 中 置换出 来 。 置换 时 ， 应 严 密监测 储 罐顶 部 氮气排放口甲烷浓度， 当 探 测 出 甲烷含量 达 到 一 定 程 度 时 ， 停止氮气管道排气，储罐排气 转 换 至 BOG总管 经 BOG总管 向 火炬 排 出 。 卸料管道 在 LNG储罐端 部 附 近 温度 为 -120 ° C 时 利 用LNG船上喷淋泵 向 卸料总管 内 填 充 液 体 ； LNG储罐卸料竖管端 部 温度 为 -150 ° C 时 ，即 视 为卸料总管 内 填液 结 束 后 ，关闭储罐进液阀 ， 开 启 罐顶喷淋管道 内 阀门 实 现 LNG储罐喷淋预冷。

新LNG接收站首船接卸过程中LNG直接喷淋预冷工艺和低温BOG替代氮气加LNG喷淋预冷工艺区别在于储罐预冷前卸料管道冷却方式的差异。 前者是LNG船停靠前预先对卸料管道进行低温氮气预冷处理，可减少LNG船停靠日数。 后者是利用LNG船上蒸发器生成的BOG来预冷卸料管道，其预冷持续时间长，将增加LNG船停靠天数。 若首船在接卸期间遭遇台风等难以预料的极端气候，需要LNG船提前离泊，将使LNG储罐预冷工作中断，给储罐带来的品质影响具有不可逆性。 二是首船接卸时接收站气化外输工艺系统尚未调试完成，储罐预冷后生成BOG不大可能被回收至天然气外输管道内，仅能经火炬燃烧后排出。 三是低温BOG没有通过喷淋系统就直接流入储罐中，储罐中BOG并没有均匀分布，这将造成LNG储罐内部温度分布并不均匀，严重时会导致储罐内无Ni钢板出现受力不均而损坏储罐结构。

1.2接收站改扩建储罐预冷过程

LNG接收站扩建储罐工程采用LNG直喷预冷工艺时（图3），首先需要完成扩建段卸料管道的预冷和LNG补料。 LNG通过卸料管道进入罐顶预冷喷淋系统预冷储罐并在降温时将蒸发气和氮气掺混。 因混合气含氮气多，不能进入接收站BOG再冷凝处理系统内，混合气排出火炬时占用BOG总管，接收站BOG再冷凝处理系统需停止工作，从而影响接收站正常工作。 另外，预冷1个16万m3储罐需消耗LNG约2500m3,储罐冷却过程中的混合气由于组分和热值不满足要求，又无法经接收站BOG高压压缩机送至天然气外输管道内，仅能经火炬排出，导致了大量的天然气流失。

LNG接收站扩建工程储罐工程采用低温BOG替代氮气加LNG喷淋预冷工艺后，可将储罐预冷BOG（图4）进行回收利用。 储罐在预冷之前是可以使用的

已经投产卸料总管内LNG通过临时气化器产生低温BOG,为新卸料管道预冷。 卸料管道预冷却时BOG可以从储罐上部进液管道直接流入内罐空间并利用活塞效应实现储罐氮气置换。 扩建工程储罐采用BOG替代氮气后，接收站已有BOG回收能力，发现氮气管道排气甲烷含量偏高，即可以将罐顶排气转换至BOG总管；LNG储罐在预冷时生成的BOG可以经过再冷凝系统或BOG高压压缩机循环至天然气外输管道。 尽管低温BOG替代氮气加LNG喷淋预冷工艺虽能解决储罐预冷时BOG回收难题，但是低温BOG并没有经过喷淋系统就直接流入储罐内，仍有可能出现罐内温度分布不均匀，损坏储罐结构等问题。

2 LNG接收站储罐预冷工艺优化

2.1 利 用LNG储罐常温天然气 进 行 氮气 置 换

接收站扩建储罐 工 程 采用常温天然气换氮方案 可 解决低温BOG换氮 加 LNG喷淋预冷工艺 中 出 现 的 难 题。 常温天然气 既 可 用 于 BOG压缩机 输 出 ， 也 可 用 于 LNG储罐低压补气 ， 还 可 从 接收站燃料气系统 输 出 。 舟山LNG接收站二期 工 程 在储罐预冷前，采用燃料气 置 换 储罐 内 氮气（图5），接收站DN80的燃料气 管 道 通 过 临 时 管道接入DN1050卸料管道预留接口。 燃 料 气 经 LNG储罐 上 部上进液管道 喷 入LNG储罐 中 ， 并 利用活塞效应 使 罐 体 内氮气 由 罐底 部 氮气置换管线 流 出。 鉴 于 置换过程 释 放气体 是 天然气 与 氮气混合 而 成 ，罐顶 释 放时 有 可燃气体 弥 散的 危 险， 故 采 用临时短管 将 罐顶氮气 释 放管道 和 低压 释 放管道 连 通 ， 然 后 在 储 罐底 部 低压排放管道预留 界 面 处 敷 设 一 条 DN150混合气 暂 排管道 到 火炬 处 , LNG储罐 替 换排 放 混合气 经 火炬安全排放。

天然气 替 代 氮气 时 ， 应 控制LNG储罐稳压，罐压 以 5kPa 为 宜 ，燃料气流量 以 3000Nm 3 / h 为 宜 。 同时 应 对 混合气排放管道 内 混合气甲烷浓度 进 行 监 测 ，甲烷含量达90% 时 认 为LNG储罐 更 换合格。 置换 时 ， 一 个16万m 3 LNG储罐混合气 内 甲烷含量变化 见 图6。 LNG储罐甲烷含量 被 置换 至 90%需 要 140h 左 右 ，即5~6d 左 右 。 置换结果表明 ： 以 上工艺系统 及 操作参数 均 能稳定完成LNG储罐天然气 中 氮气 置 换 作 业 。

LNG储罐天然气含量达90% 时 ，储罐喷淋预冷 时 生 成 的BOG可直接 纳 入接收站BOG总管 并 进入接收站BOG处理工艺系统 回 收 BOG。 在 预冷 时 ， 依 据接收站BOG处理工艺系统 容 量 对 预冷速度 进 行 控 制 ， 可 充 分 回收LNG储罐 在 预冷 时 所 耗 用 LNG , 达 到 LNG储罐BOG零火炬排放 目 标 。

优 化 2.2 LNG储罐预冷LNG供应方案

当 LNG接收站扩建储罐天然气 更 换氮气作 业 结 束 、 扩建卸料管道预冷 、 装 填LNG 后 ，新 老 卸料管道 将 通 过 阀门 分 离 ， 采 用法兰 联 接（图5）。 充 装 LNG 时 新 老 管道法兰连接处 很 容 易 发 生 泄漏。 实际 运 行 中遇法兰泄漏， 应 先 拧 紧 法兰。 如 果 螺栓紧固力矩 超 过 设计值 将 使 垫片密封面 损 坏，紧固螺栓已 经 不 能 解决法兰漏 油 问题， 仅 能 对 法兰连接处垫片 进 行 替 换 ， 该 垫 片 使 LNG储罐预冷工作 不 得 不 中断。 更换垫片前 应 吹 除 充 入 LNG的卸料管道，新储罐预冷 工 作 未 完 成 ， 改 扩建卸料管道 内 LNG 无 法 吹 入 新储罐， 如 果 卸料管道加压，吹扫 至 已投LNG储罐 上 ， 将 加 速 法兰点漏 失 ， 导 致 可燃气体 大 范 围 扩散 危 险。 实际 运 行 中 可 以 采 用临时气化器将扩建 工 程 卸料管道 内 LNG气化送 入 BOG总管 并 通 过 接收站BOG处理系统回收， 在 扩建 工 程 卸料管道吹 气 置换 完 成 之 后， 对 泄漏法兰垫片 实 施 了 更换作 业 。

为 解 决 以 上问题，提出 在 扩建LNG储罐 工 程 中 使 用小口径管道预冷 储 罐 的 最 佳 方案。 小口径管道可以是低压外输管道或低压排尽管道。 舟山LNG接收站 2 期 工 程 采 用低压排 虽 然 道 提 供LNG 并 预冷 储 罐 。 接收站低压排尽总管 直 径DN250 , 低 压 排 尽 总 管 采 用LNG 加 气化器预冷 后 预冷生 成 BOG 经 LNG喷淋管道 直 接 送 入LNG储罐。 在 低压排 虽 然 道预冷 和 LNG充 装 结 束 后 , LNG储罐 可 直 接 预冷 而 无 需 切换工艺流程 ， 直 到 LNG储罐完成 预 冷 。 本 实 用 新 型 通 过 小口径管道 对 储罐预冷 可 以 提供更 加 稳定的LNG , 保 证 LNG储罐预冷安全 平 稳 地 完成。 储罐预冷 结 束 后 采 用LNG 加 气化器 预 冷 扩建 段 卸料管道。 因 LNG储罐预冷已 结 束 ，卸料管道预冷 及 填液 时 产生BOG可通过 储 罐顶 部 进液阀 直 接 进 入 储 罐。 如 果 卸料管道LNG充 填 过程中新 老 管道接 口 处法兰 发 生 泄漏需 要 更换垫片 时 ， 还 可直接 向 储 罐 吹 出 管道LNG , 以 开 展 后续泄漏处 置 作 业 。

3 . 结论

按 照 接收站建设阶段， 将 LNG接收站罐 内 预冷工艺 划 分为新接收站预冷工艺 与 扩建预冷工艺。 通 过 对 当 前LNG接收站 普 遍 采 用的储罐预冷工艺 进 行 概 述 ， 提 出 了 LNG储罐预冷 工 艺 安全 平 稳 和 对 预冷 后 蒸发气 高 效 回 收 的 需 求，提出LNG储罐 利 用常温天然气 替 代 氮气方案 和 利 用小口径管道预冷 储 罐 方案。 该 优化方案 已 在 舟山LNG接收站二期扩建储罐 工 程 中 得 到 成 功 运 用 ， 并 在 实践 中 证 明 优化方案可靠，可为同类 型 LNG接收站储罐预冷工艺设计 与 配置提供 部 分 参 考 。