【论文精选】小型LNG气化站预冷方法对比分析

作者：赖家俊，马志先

第一作者单位：中海石油气电集团

摘自《煤气与热力》2021年7月刊

参考文献示例

赖家俊，马志先.  小型LNG气化站预冷方法对比分析［J］.  煤气与热力，2021，41（7）：B12-B15.

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1 概述 

预冷是LNG气化站^［1-2］投产前的重要步骤。LNG接收站及城市LNG储配站由于储罐容积较大、现场工艺管道较长、项目施工期长，传统上采用氮气干燥、低温氮气预冷、液氮预冷的分阶段预冷方式（以下称氮气、液氮分阶段预冷方式）。氮气、液氮分阶段预冷方式对人员设备的协作要求较高、耗时较长，应用于小型LNG气化站时操作频繁且预冷效果不理想。 

小型LNG气化站设备小型化、橇装化、集成化，并配套远程数据采集系统，实现了远程气源调度，部分已实现远程控制、无人值守^［2-3］，预冷方法仍沿用常规气化站的氮气、液氮分阶段预冷方式。由于小型化橇装设备已在厂家完成压力试验，现场施工期短，施工阶段残留杂质水分少，本文针对小型LNG气化站的特点，在实践基础上探讨更适合小型LNG气化站的预冷方式^［4-5］。 

2 小型LNG气化站的特点 

2.1 小型LNG气化站

 小型LNG气化站是在燃气管道未覆盖区域，满足用户终端天然气用气需求的主要方式，提高终端用气应急保障能力，也是近几年LNG销量增加的主要渠道。小型LNG气化站工艺流程简单，设备橇装化、集成化、智能化，建设期短，站内管道短，由于储罐较小，其温差引起的伸缩形变量较小。 

2.2 小型LNG气化站预冷的目的

 预冷是在系统压力试验合格后，为防止LNG装卸过程中管道、储罐急剧降温引起收缩，从而造成管道设备损坏，测试管道设备在低温工况下的性能。预冷的目的包括：检验低温材料质量是否合格；检验焊接焊缝在低温工况下运行情况；检验管道冷缩量和管托支撑变化；检验低温阀门、设备的密封性；在低温工况下检验法兰连接、螺纹连接的密封状况；使储罐达到工作状态，测试储罐真空隔热性能。 

3 小型LNG气化站预冷方法

3.1 氮气、液氮分阶段预冷方式

 ①操作流程

 常规LNG气化站由于罐容积比较大（100 m³、150 m³或更大），为了将预冷过程中的罐体温差、形变、应力控制在许可范围内，通常采取氮气、液氮分阶段预冷方法。首先利用储罐出厂时的余压反向吹扫干燥工艺管道（储罐出厂时有氮气保持罐内正压），清除施工过程中管道内残留的水分杂质；然后开始低温氮气冷却流程，向储罐充入低温氮气至预定压力（储罐工作压力），静置冷却10～30 min后从顶部气相管排放，检查气相管温度，反复充入低温氮气和静置、排放，直至气相管表面结霜（或温度低于-50 ℃）时，进入液氮预冷流程；缓慢从储罐顶部充入液氮，并开启气相管道连续排放氮气，液氮在储罐内气化，当气化量超过排放量时储罐升压，升压至0.5 MPa时，关闭进液阀停充液氮，通过连续排放静置降压，如此循环操作；直到随着储罐温度的降低，充入液氮维持储罐0.2 MPa时，逐渐打开进液阀门，充装液氮达到储罐容积的5％时静置保冷，完成预冷。

 ②应用效果分析   

氮气、液氮分阶段预冷应用于小型LNG气化站存在如下问题： 

a. 实际操作过程中，小型储罐低温氮气预冷效果不理想，难以降到预定温度。由于卸车橇连接软管、槽车管道阀门以及橇装设备连接法兰等位置没有保冷层，低温氮气途经时被加热升温，小型储罐每次充气量较少，低温氮气经进气管道加热后，实际携带冷量减少，导致低温氮气预冷效果不理想。大型储罐进低温氮气时，进气量较大，连续时间较长，少量未做保冷的管段表面结霜形成隔热层。

 b. 小型储罐罐体较小，因此，静置过程换热的时间相对短，进而导致充气、放气操作频繁。 

c. 进入液相预冷阶段，小型储罐升压较快，因此需要多次停充、降压与继续进液的反复切换操作。 

d. 此预冷方法应用于小型LNG储罐预冷，操作繁琐，易导致现场操作人员忽略一些操作程序，存在一些隐患。 

3.2 液氮顶部进液预冷方式

 ①预冷前准备工作 

a.检查站内工艺管道的所有阀门，确认所有阀门处于关闭状态，放散管路盲板拆除。 

b.检查确认储罐余压与进场时的压力一致，储罐无泄漏。 

c.打开所有安全阀的根部阀，打开调节阀的前后阀，打开储罐气相根部阀。 

d.自动保护系统测试完好，全部投用。气动阀用的常温氮气系统投用，紧急切断阀全部打开。 

e.压力表根部阀全部打开，储罐液位计根部阀、气液平衡阀打开。

 ②预冷主要步骤 

a.吹扫降压过程：检查卸车管道，先用储罐余压吹扫进液管道，之后打开放散管路将储罐压力放散至微正压。 

b.液氮槽车升压进液：连接卸车软管，液氮槽车自带系统将液氮槽车压力升高至0.3 MPa。储罐气相阀门开启连续放散；缓慢打开储罐顶部进液阀，缓慢打开液氮槽车液相阀至较小开度；由于管道系统处于常温状态，先预冷管道设备，使液氮从储罐顶部缓慢进液。 

c.冷却过程：进液过程中，储罐内部液氮迅速气化，压力波动较大，当储罐压力升至0.3 MPa时，关闭进液阀门，通过气相连续放散降压，降低至0.1 MPa再开启进液，如此反复，直至储罐气相出口开始结霜时，关闭储罐液位计气液平衡阀，使储罐液位计投入使用。当储罐内液氮达到预定量（储罐容积的5％）时进液结束，静置储罐。 

d.收尾记录：进液结束后，关闭液氮槽车液相阀门、进液阀门、放散阀，利用储罐内的液氮对增压器、主气化器及储罐出液管道进行预冷及测试。进液结束初期，罐内因温度不均匀升压，需要密切观察记录储罐压力，达到0.5 MPa时，手动放散至0.2 MPa继续观察。 

③应用效果分析 

顶部进液有一定喷淋效果，液氮顶部进液与罐内常温气体换热迅速气化，罐内压力波动比较大，需要停止进液、降压切换操作。特点是置换需求液氮量比底部进液多，需要停止进液、排气切换操作，预冷过程中储罐压力波动较大，由于液氮与罐内气体进行热交换，储罐温度下降比较平稳。 

3.3 液氮底部进液预冷方式

 ①预冷前准备工作 

与液氮顶部进液预冷方式相比，除预冷操作中打开阀门次序和操作步骤不同，其他预冷前准备工作相同。

 ②预冷主要步骤 

a.吹扫降压过程：检查卸车管道，先用储罐余压吹扫进液管道，之后打开放散管路将储罐压力放散至微正压。 

b.液氮槽车升压进液：连接卸车软管，液氮槽车自带系统将液氮槽车压力升高至0.3 MPa。储罐气相阀门开启连续放散；缓慢打开储罐底部进液阀，缓慢打开液氮槽车液相阀至较小开度。由于管道系统处于常温状态，先预冷管道设备，前5 min进液阀门间歇性开启，使预冷前期液氮在管道内气化成低温氮气，随后液氮从储罐底部缓慢进液。 

c.冷却过程：底部进液冷却过程罐内气体没有强烈对流，底部氮气逐步置换上层常温氮气，常温氮气从顶部气相管放散，储罐压力较为平稳。当储罐气相出口开始结霜时，关闭储罐液位计气液平衡阀，使储罐液位计投入使用。当储罐内液氮达到预定量（储罐容积的5％）时进液结束，静置储罐。 

d.收尾记录：进液结束后，关闭液氮槽车液相阀门、进液阀门、放散阀，利用储罐内的液氮对增压器、主气化器及储罐出液管道进行预冷及测试。进液结束初期，罐内因温度不均匀升压，需要密切观察记录储罐压力，达到0.5 MPa时，手动放散至0.2 MPa继续观察。 

③应用效果分析 

液氮底部进液预冷过程中，低温氮气在罐内与常温氮气分层，上层常温氮气通过顶部气相管道进入放散塔排空。特点是置换需要液氮量最少，没有反复切换操作，流程简单，预冷过程中储罐压力波动较小，由于液氮直接进入储罐，储罐进液口附近温度降低快。 

在实际操作过程中，由于进液管道设备是常温的，通过前期降低液氮槽车压力，减小进液阀门开度（或间歇性开启），使得液氮在管道内流速放缓，在预冷管道中气化成低温氮气，预冷进程是先低温氮气、后液氮。在某网球厂LNG站30 m³储罐预冷中采用此流程操作，运行平稳。 

3.4 氮气、液化天然气分段预冷 

①预冷前准备工作 

a.检查站内工艺管道的所有阀门，确认所有阀门处于关闭状态，放散管路盲板拆除。 

b.检查确认储罐余压与进场时的压力一致，储罐无泄漏。 

c.检测LNG储罐内氧气体积分数是否小于1％，如大于等于1％，须改用液氮预冷。 

d.打开所有安全阀根部阀，打开调节阀的前后阀，打开储罐气相根部阀。 

e.自动保护系统测试完好，全部投用。气动阀用的常温氮气系统投用，紧急切断阀全部打开。 

f.压力表根部阀全部打开。储罐液位计根部阀、气液平衡阀打开。 

g.小型LNG气化站投产前的手续已经办理完毕。 

②预冷主要步骤 

a.置换降压过程：检查卸车管道完好清洁，先用储罐余压吹扫进液管道，检测罐内气体含氧量；用储罐内氮气置换增压器、主气化器等站内管道设备，之后打开放散管路将储罐压力放散至微正压。 

b.LNG槽车升压进液：连接卸车软管，将槽车压力升高至0.3 MPa。储罐气相阀门开启连续放散；缓慢打开储罐底部进液阀，缓慢打开LNG槽车液相阀至较小开度；由于管道系统处于常温状态，先预冷管道设备，前5 min进液阀门间歇性开启，使预冷前期LNG在管道内气化成低温气体，然后LNG从储罐底部缓慢进液。 

c.冷却过程：底部进液冷却过程中罐内气体没有强烈对流，底部LNG逐步置换上层常温氮气，常温氮气从顶部气相管放散，储罐压力较为平稳；当储罐气相出口开始结霜时，关闭储罐液位计气液平衡阀，使储罐液位计投入使用。 

d.LNG进液：从底部进液，同时对照LNG槽车液位下降和储罐的液位上升情况，当LNG进液量达到储罐容积40％左右时，进液结束，静置储罐。 

e.收尾记录：进液结束后，关闭LNG槽车液相阀门、储罐底部进液阀门、放散阀；开启顶部进液阀门，避免管道憋压；进液结束初期，罐内因温度不均匀升压，需要密切观察记录储罐压力，避免储罐压力超过最高工作压力，超压前手动放散。

 ③应用效果分析 

氮气、液化天然气分段预冷过程中，低温天然气置换上层常温氮气，上层常温氮气通过顶部气相管道，进入放散塔排空。特点与液氮底部进液预冷基本一致，预冷前期通过降低LNG槽车压力，控制进液阀门开度，使得LNG在进液管道中气化，实现先气相预冷后液相预冷的效果。 

氮气、液化天然气分段预冷在某酒厂LNG站30 m³储罐中进行应用，运行平稳，与液氮底部进液预冷效果一致。在实际操作过程中，氮气、液化天然气分段预冷与LNG首次进液连续进行，预冷后小型LNG气化站达到投产状态。 

4 预冷方法对比分析 

4种预冷方法下罐内平均温度变化曲线见图1。氮气、液氮分阶段预冷的储罐罐容为100 m³，其他3种预冷方式的储罐罐容为30 m³。 

图1   4种预冷方法下罐内平均温度变化曲线

 ①氮气、液氮分阶段预冷方法： 适用于较大LNG储罐（100 m³以上）预冷，或站内工艺管道设备比较复杂的应用场合，预冷前段低温气相冷却过程平稳，罐内温度梯度较小，降温过程中站内设备、接口出现漏气或者异常情况时，易于中断维修。操作流程较为复杂，分工协作要求较高，液氮消耗量大，且预冷过程耗时（300 min）长达其他3种方法的两倍以上。采用液氮预冷后，氮气体积分数大于99％，氧气体积分数小于1％，罐内温度降至93 K，低于LNG储罐正常工作温度。 

②液氮顶部进液预冷方法： 适用于100 m³以下小型LNG储罐，且气化、调压设备橇装化程度较高的应用场合。液氮顶部进液与罐内常温气体换热后迅速气化，预冷前段降温迅速且罐内压力波动比较大，储罐温度梯度较小，液氮消耗量低于氮气、液氮分阶段预冷方式，耗时为氮气、液氮分阶段预冷的50%。采用液氮预冷后，氮气体积分数大于99％，氧气体积分数小于1％，罐内温度降至93 K，低于LNG储罐正常工作温度。 

③液氮底部进液预冷方法： 适用于30 m³以下小型LNG储罐，气化、调压设备橇装化程度高，且现场组装的工艺管道设备少的应用场合。液氮底部进液预冷过程中，低温氮气在罐内与常温气体分层，上层常温氮气通过顶部气相管道进入放散塔排空。置换需求液氮量最少，流程简单，预冷过程中储罐压力波动较小，LNG储罐内温度梯度较大且降温速率明显高于其他3种方法， 耗时为120 min。采用液氮预冷后，氮气体积分数大于99％，氧气体积分数小于1％，罐内温度降至93 K，低于LNG储罐正常工作温度。 

④氮气、液化天然气预冷方法： 适用于出厂时罐内留有氮气保压的小型LNG储罐，气化、调压设备橇装化程度高，且现场组装的工艺管道设备少的应用场合，适用条件较高。氮气、液化天然气预冷过程中，低温天然气置换上层常温氮气，上层常温氮气通过顶部气相管道，进入放散塔排空。特点与液氮底部进液预冷基本一致，但无需消耗液氮，且预冷过程中储罐压力波动较小。氮气、液化天然气预冷与LNG首次进液连续进行，预冷后小型LNG气化站达到投产状态。采用氮气、液化天然气预冷后，天然气积分数大于99％，氧气体积分数为0，罐内温度降至126 K，接近LNG储罐正常工作温度。耗时为120 min。

参考文献：

［1］李持佳，王庆余，杜可心，等. 撬装LNG气化站在新农村的应用研究［J］. 城市燃气，2017（7）：6-11.
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