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【關鍵詞】LNG、液氮、不銹鋼
1概述
隨著LNG(Liquefied Natural Gas 即液化天然氣)的生產裝置商業(yè)化運行,LNG氣化站也得到了快速發(fā)展。以2001年建成投產的山東淄博LNG氣化站為標志,在全國已建成數百座LNG氣化站。
對于一個新建的LNG氣化站,由于LNG的特殊性質(低溫、易燃、易爆),在運行前必須對低溫設備、管道進行預冷置換,以檢測設備的可靠程度,施工安裝的質量,為安全投產做好準備。預冷試驗一般采用液氮作為試驗流體。雖然液氮的溫度比LNG低,但實際上不銹鋼材料在-162℃和-196℃區(qū)間內的特性變化不大,因此可采用液氮作為試驗流體。
2 LNG氣化站低溫設備、管道預冷的意義及目的
LNG低溫儲罐及LNG管道為奧氏體不銹鋼材料(0Gr18Ni9),具有優(yōu)異的低溫性能,但線膨脹系數較大。在LNG溫度條件下(-162℃),不銹鋼收縮率約為千分之三。雖然在設計時考慮了冷收縮的補償,但是在溫度變化速度較大時,還存在變化過快、熱應力過大而使材料或連接部位產生損壞的隱患。這就要求在低溫設備和管道進入低溫液體前,首先進行預冷操作,確保投運安全。
預冷目的主要是為了檢驗和測試低溫設備和管道的低溫性能。對低溫設備、材料如低溫容器、管道、管件、法蘭、閥門、管托和儀表等的產品質量做最后的質量檢驗。在冷態(tài)工況下對焊接的質量、低溫閥門的嚴密性進行檢驗,同時觀察管道冷縮量和管托支撐的變化。模擬場站運行生產的狀態(tài),使儲罐達到工作工況,測試儲罐真空性能,貫通工藝流程,考評設計質量,為LNG進液做準備。
3預冷所需液氮量及預冷時間的理論計算
預冷所需要的低溫介質的數量與材料的質量、比熱容及冷卻速度有關。對于一特定的管道,則主要取決于冷卻速度。
預冷所需要的時間,可以通過熱力分析進行大致的估計。如果把管道作為一個熱力系統(tǒng)來考慮,可對系統(tǒng)進行熱動力學分析。系統(tǒng)在預冷期間,如果忽略內外溫差引起的傳熱,低溫液體介質由液體轉變?yōu)闅怏w并排出管路過程中,所吸收的熱量是來自固體材料,可以通過熱力學系統(tǒng)能量平衡原理,計算出管線冷卻所需的低溫流體需求量,從而可估算出預冷所需要點最小時間。
4預冷流程簡析
由于各地情況不同,LNG氣化站的預冷置換方案也有所不同,但流程基本一致。下面以一基本預冷流程及步驟為例,對預冷工藝流程做簡單介紹分析。
1) 預冷的條件
氣化站現場除保冷工程以外站區(qū)內所有工程必須全部完成,這其中包括土建工程、站區(qū)安裝工程、消防工程、自控系統(tǒng)及配電系統(tǒng)等。同時,整個工藝系統(tǒng)的強度試驗、氣密性試驗和用潔凈無油的壓縮空氣的管道吹掃均須合格,為確保預冷時的安全,儲罐和管道的安全閥、壓力表均應安裝完成,保證安全閥等產品校驗合格且在有效期內。管道支架等管道附屬設施應按設計完成安裝并檢查其可靠穩(wěn)定性。
在完成上述工作后,須對氣化站內所有設備進行單機調試,合格后對站內整個系統(tǒng)進行調試及進行防靜電測試。最后,各低溫設備及站控供應廠家必須到位,對每臺低溫設備進行最后的檢查,如儲罐真空度的檢測。
2) 預冷的準備工作
預冷試驗前,應確認所有閥門處于關閉狀態(tài),確認放空系統(tǒng)的所有盲板拆除,放空系統(tǒng)暢通,同時打開所有安全閥(壓力表)根部閥,打開儲罐氣相放空根部閥,自動保護系統(tǒng)測試完好,全部投用。此時氮氣系統(tǒng)應投入使用,緊急切斷閥、儲罐液位計根部閥、氣液平衡閥全部打開。
現場工作完成后,結合現場實際情況對設計施工圖進行最后一次的嚴格審查,查看是否有設計中的漏項,是否有需要補充的設計,是否有需要改進的設計。無問題后查施工質量,首先要查看工藝管線在施工過程中是否與設計施工圖有出入。然后進行全方位的外觀施工質量的檢查,需要整改的應以書面形式提出并且要求立即整改。對于施工質量的內部檢查,要求查看安裝材料的質量證明書、焊接材料的質量證明書、無損檢測報告、吹掃試壓報告。同時,現場應檢查還有哪些項目屬于計劃完工的而沒有完工,且已影響預冷工作須利進的項目。
3) 預冷的步驟
液氮預冷之前,應用低溫氮氣對低溫貯罐、管線進行吹掃,進一步去除水份并置換空氣,檢驗標準是采用露點儀在排放口及罐體溢流口檢測,置換空氣達到-30~-40℃露點為合格,如果空氣濕度過大應先將槽車出來的低溫氮氣經卸車增壓器加熱后送入管道,以免由于管道內濕度過大出現結冰現象。
管道經氮氣吹掃、干燥后,應用槽車的BOG對LNG管道及儲罐進行初步預冷(即氣相預冷)。如直接應用LNG輸入常溫管道內,管道會迅速地收縮。管路的底部與沸騰的LNG直接接觸,而頂部相對較熱,因此管路頂部溫度相對較高,這種結果便是所謂的香蕉效應。由于收縮不一致,可能引起管路、支撐和膨脹節(jié)的損壞。因此冷卻必須慢慢地進行,首先用冷凍蒸氣在管路中循環(huán),使管路先達到一定溫度,一般是在-95℃至-118℃范圍內方可輸送LNG,此時氣相預冷方可完成。此步驟可通過測量貯罐溢流口處的氣體溫度確定(無法測量溫度時,以閥門管段凝霜為依據)。此過程中儲罐會不斷的排放低溫氣體,可將排放的氣體對EAG和BOG管道進進行初步預冷。
儲罐內溫度在-95℃至-118℃范圍內(或儲罐根部閥出現凝霜現象)時,可開始對儲罐充裝液氮,進行液態(tài)預冷。低溫貯罐預冷的降溫曲線目前尚無依據確定,暫按預冷初期冷卻速度緩慢進行,逐漸降溫,同時觀察各設備及管線技術參數的變化,積累數據,總結完整的預冷降溫進液經驗數據;根據以往經驗,充裝液氮時,管道和設備溫度每降20℃,即需減緩充裝速度,檢查系統(tǒng)嚴密性及管道的位移和設備的變化。初期進液時,進液管道和設備任何一點溫降速度不應超過1℃/min??刂乒芫€及設備的溫降速度可通過槽車充裝閥門的開啟度及開啟速度,并用漏點檢測儀在管線端口或閥門處進行間歇性測定。
充裝液氮開始時,液氮的氣化率很高,產生的氣體使貯罐內壓上升,應密切注意壓力上升速度,控制液氮充裝速度,當壓力上升至0.45MPa時,打開BOG手動閥、BOG自力式降壓閥、手動放散閥或底部出液閥,從而降低貯罐壓力。當貯罐內壓力不再上升或降低時,可下進液,并增大充液速度,也可采用上下同時進液的方式。 預冷過程中和預冷后,必須注意觀察設備材料性能、技術參數的變化,并進行書面記錄。 預冷結束后應由設備制造廠家技術人員和建設單位代表、及施工單位技術人員再次檢測儲罐夾層真空度,并在48小時內密切注意儲罐壓力變化情況,每隔一小時進行一次儲罐壓力和液位紀錄,當儲罐壓力達到或接近0.45MPa時,可手動開啟BOG排放閥進行排放。如果儲罐壓力變化正常且罐內壓力上升速度趨于緩慢或壓力趨于穩(wěn)定,則標志氣化站預冷工作獲得成功。
5結束語
LNG氣化站預冷的目的是為了LNG氣化站運行做準備,預冷整個過程一定要嚴格把關,確保工程最后一道檢驗工序,以保證站點安全運行。
參考文獻:
[1]顧安忠,魯雪生,汪榮順等.液化天然氣技術【M】.北京:機械工業(yè)出版社.2004:275-208