大型LNG低温储罐的干燥与置换_安全运行

摘要

摘要：LNG低温储罐干燥与置换的目的是降低储罐的露点和氧气含量，防止LNG首次进入储罐时与空气混合引起爆炸。结合工程实例，探讨了LNG低温储罐空气干燥和氮气置换的方法，对干

摘要：LNG低温储罐干燥与置换的目的是降低储罐的露点和氧气含量，防止LNG首次进入储罐时与空气混合引起爆炸。结合工程实例，探讨了LNG低温储罐空气干燥和氮气置换的方法，对干燥和置换结果进行分析，提出了建议，认为可以对罐底保冷空间不做干燥和置换要求。

关键词：低温储罐；LNG储罐；干燥；置换；露点；氧气含量

Abstract：The purpose of drying and conversion of LNG cryogenic tank is reduce the dew point and oxygen content in the tank to prevent the explosion caused by mixture of incoming LNG and air．The methods of air drying and nitrogen conversion in LNG cryogenic tank are discussed with an engineering example，and the result of drying and conversion is analyzed．It is suggested that the cold insulation

space at the tank bottom does not need the drying and conversion．

Key words： cryogenic tank；LNG tank；dryin9； conversion；dew point； oxygen content

在储罐首次储存LNG之前，应对其进行干燥和置换阻^[1-3]，以降低储罐内的露点和氧气含量，防止LNG进入储罐时与空气混合引起爆炸。本文对国内某LNG接收站中1座储气容积为l6×10⁴m³的储罐的干燥和置换方法及其结果进行分析，提出一些建议。

1干燥与置换

对储罐的置换方式有4种：大气压力稀释置换法、压力(循环)置换法、抽真空法以及燃气直接置换法^[4-7]。由于LNG储罐为常压大型储罐，且结构与普通钢制容器不同，因此采用大气压力稀释置换法进行氮气置换。即氮气从一端进人储罐，罐内空气或其他气体被置换排放到另一端的大气中，系统在大气压力下进行置换。

①干燥和置换空问

干燥和置换空间分为主密闭、次密闭空间(见图1)。底部保冷空间为次密闭空间，主要由玻璃砖等保冷材料构成；次密闭空间以外的储罐空问为主密闭空间，主要为盛装LNG的内罐空间、容纳BOG的拱顶气相空间及充装膨胀珍珠岩的环形空间。

②空气干燥

为降低储罐空间的露点，节省氮气用量，先采用干燥热空气进行除湿，初步降低各个区域的露点。干燥前，在拱顶人孔和所有管嘴处安装顶盖，以防止湿气进入储罐。安装干燥热空气和氮气的临时供给管路，启动空气供给设备，监测放空区域的露点。当所有区域的露点均降低到一定值后，用氮气进行置换(氮气置换的同时对储罐进一步进行干燥)。

图1 干燥和置换空间

③氮气置换

氮气置换需先置换内罐后置换环形空间，以避免置换过程中对内罐壁板产生额外的压力。置换管路见图2。置换方法为：首先打开A阀和8阀，氮气从A阀进入，进行内罐和拱顶的置换；然后关闭B阀，打开c阀进行环形空间的置换；接着关闭c阀，打开D阀进行内罐罐底干砂层的置换；最后关闭D阀，打开E阀和F阀进行底部保冷空间的置换^[8]。

图2置换管路

根据充氮速度，每隔一段时间观察并记录压力表读数以及采样口的氧气含量和露点，当氧气含量和露点达到要求时，置换工作结束。此时，需要用氮气使储罐维持一定的压力，以防湿空气再次进入。

2结果分析

BS ENl4620：2006((现场组装存储 – 165-0℃冷冻液体的立式圆筒平底钢质储罐的设计与建造标准》规定，储罐内部应干燥至最高露点为一20℃，环形空间在填满珍珠岩的情况下最高露点应干燥至一8℃，而对底部保冷空间的露点不做要求；对储罐进行置换后，应使储罐内氧气的体积分数小于等于9％，对底部保冷空间的氧气含量也不做要求。该储罐的干燥和置换结果见表1。

氮气在内罐和拱顶气相空间流通时沿途的阻力很小，所以该区域干燥和置换效果很好，氧气含量和露点实测值均小于目标值。拱顶气相空间的置换贯穿整个置换过程，大部分死角空隙在足够长的时间内会被氮气渗透，从而使该区域的氧气含量和露点实测值达到目标值。环形空间自上而下进行置换，充实的珍珠岩之间的空隙远远小于内罐和拱顶，气流沿途阻力较大，但前期珍珠岩膨胀填充整个空间，几乎没有水汽进入，其初始露点比较低，因此置换效果也较理想。然而底部保冷空间以及内罐罐底干砂层的置换结果未能达到目标值，其主要影响因素为：

①液珠

底部保冷层和罐底部干砂层的施工期较长，特别是边缘位置的保冷层在混凝土外墙浇筑阶段就已经开始施工(有些项目边缘位置保冷层在拱顶气升之后进行)。该区域长期暴露在潮湿的海洋性大气中，且在拱顶预制时可能存在雨水渗漏，因此湿度较大，甚至在某些局部区域会形成小液珠。由于保冷层的保冷和致密性，液珠不易被周围环境汽化，而是大量附着在保冷材料上。底部边缘位置保冷层(玻璃砖)见图3。

图3底部边缘位置保冷层(玻璃砖)

从干燥和置换结果可知，如果该区域的水以水蒸气形式存在，则露点也应该与氧含量一样达到目标值。既然氧含量达标而露点不达标，说明该区域的水部分以液珠形式存在。采用大气压力稀释置换法要求氮气供给速度不能过快，以使氮气和空气问存在一个稳定的界面，避免氮气与空气大量混合，影响置换效率。然而，想要汽化附着在保冷材料上的液珠，要么提高氮气的供气速度，要么延长置换时间，而这些都与氮气置换要求和经济成本相矛盾。

②温度和流动阻力

保冷层传热系数小，环境温度变化对底部保冷层的影响很小。因此置换前，通过直接输入大量的干燥热空气，使大部分液珠汽化并随空气流而被置换出保冷层。然而在保冷层和罐底部干砂层中，玻璃砖、毛毡以及干砂之问的问隙很小，氮气沿途所受阻力较大，置换压力偏小，造成置换困难。因此对于底部保冷层和罐底部干砂层，如果置换时间不足，尽管当时的实测值合格，经过一段时间后仍会出现反弹，甚至实测值久久不能达标。

③通孔

如果保冷层存在连续的过大间隙或通孔(特别是在氮气置换管路进出口之问形成通孔)，则氮气会优先在这些通孑L流通，而不会选择间隙较小、阻力较大的区域进行流通，导致短路，出现很多死角^[9]。如果置换时间不足，氮气很难渗透整个保冷层，同样出现反弹现象。

④时间

实测结果能否真实地反映实际情况主要取决于置换时间。只要置换时问足够长，氮气就能渗透到任何位置，使空气与氮气充分混合而被置换。露点与置换时间的关系曲线见图4。然而对于一个工程来说，置换时间与成本紧密相关，不能无限地追求质量而忽略成本。

3安全事项

采用干燥热空气和氮气进行干燥和置换，容易产生窒息和噪声危害。大量呼吸氮气会使人失去意识甚至死亡。因此氮气置换过程中，对所有的氮气进出口及阀门等位置进行隔离，在氮气放空I5安装至少3 m高的烟囱，工作人员需佩戴专用呼吸器进行现场作业。此外，置换过程中大量的高速气流通过相对狭小的放空口时产生很大的噪声，其危害性较大，需要佩戴耳塞等防护用品。

4结论与建议

在以上分析的基础上，后期储罐边缘位置保冷层的实际检查结果也证实，造成保冷位置干燥效果不佳的首要原因是保冷材料附着液珠。大气压力稀释置换法对于内罐、拱顶、LNG泵池以及环形空间的氮气置换效果很好，能够满足设计要求，而对于底部保冷层和干砂层则效果不佳。考虑实际过程中各种因素的影响，针对底部保冷层和干砂层置换效果不佳的情况，提出以下几点建议：

①在氮气置换前，水压试验后且未排水的时候(水的自重可以压住底板，避免底板受压鼓起)，重点对底部保冷层输入大量压力略高的干燥热空气并维持一段时间，从而大幅度降低保冷层露点。

②将底部干砂层更改为混凝土结构，不仅方便内罐底板施工，提高底板施工的平整度，而且省去了该区域的干燥和置换。

③严格进行施工过程控制，错开玻璃砖以及毛毡之间的相邻间隙，控制间隙大小，避免出现过大的通孔。

④考虑到底部保冷空问为密闭空间，即使存在少量氧气和水蒸气，对储罐的保冷效果和安全性没有多大影响，且BS ENl4620：2006标准也对此部分不做干燥和置换要求。此外，从LNG储罐的实际运行情况看，并没有产生明显的不良影响。因此，在对底部保冷空间特别是边缘位置采取防护措施，做到无雨水渗漏和无大量湿气渗入的前提下，建议对底部保冷空间不做干燥和置换要求。

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作者简介：吴旭维(1982 —— )，男，江苏大丰人，工程师，硕士，从事海洋石油平台容器橇装没备的设计与建造工作。

本文作者：吴旭维¹，吴志星¹，胡云峰²，王东锋²，白如霜¹，成鹏涛¹