目前，全球LNG发展迅速，LNG在天然气中的贸易量不断增长，LNG工厂、接收站和运输船数量不断增多。LNG储罐是LNG工业中十分重要的设施^[1]，在LNG工厂和接收站建设中占较高的投资比重。随着储存容量的增加，为减少设备投资，LNG大型常压储罐得到大量应用。其中，圆柱形常压LNG储罐应用最为广泛。根据结构的不同，圆柱形LNG储罐可分为单容储罐^[2]、双容储罐、全容储罐。国内LNG接收站多采用16×10⁴ m³的全容储罐，LNG工厂多采用(0.5~8)×10⁴ m³的单容储罐。

任何一种形式的LNG储罐，在建成正常投运前，均需进行预冷并达到合格标准，并且，不同结构LNG储罐的预冷要求无明显差异。LNG储罐的预冷不仅仅指储罐本体的预冷，还包括储罐附属管道等的预冷。预冷过程的关键是确保温度从室温下降至低温过程中，储罐均匀变形，避免过高的温度应力导致储罐损坏。根据EN 14620的规定^[3]，通过罐内任何热电偶的测量，内罐的冷却速度应控制在3 ℃/h，不能超过5 ℃/h；相邻热电偶之间最大的温差不能超过20 ℃；任意两个热电偶之间的温差最大不能超过50 ℃；储罐压力应控制为操作压力。

常规的LNG储罐预冷均采用LNG作为介质，预冷后的天然气放空。这样不仅造成了天然气资源的浪费，而且，将不可避免地发生法兰等联接部位的LNG泄漏，增加了预冷过程中燃烧爆炸的风险。另外一种方法采用液氮作为预冷介质。液氮的沸点为-196 ℃，远低于LNG的沸点(-162 ℃)。一般来说，LNG储罐设计温度为-163~-180 ℃。因此，采用液氮预冷易造成预冷后储罐温度过低的问题。为避免储罐温度过低造成的过大温度应力，采用该方法预冷时，需要特别注意储罐温度，保证预冷后的储罐温度在最低设计温度允许范围内。

在此基础上，提出了液氮+LNG预冷的工艺技术，先采用液氮预冷到一定温度后，再用LNG将储罐预冷到工作温度。这样，既减小了传统LNG预冷带来的泄漏风险，又避免了液氮预冷导致的温度过低问题。目前，该技术已成功运用于2×10⁴ m³和3×10⁴ m³的常压LNG储罐预冷，达到了安全、经济的效果。

2 液氮+LNG储罐预冷技术

2.1 冷却介质的消耗量及经济性

LNG和液氮冷却的潜热和显热不同，在预冷过程中，既要利用冷却介质的潜热，也要利用部分显热^[4]。按平均可利用到-60 ℃冷却介质的冷量计算，在HYSYS中用P-R方程可以得出，1 t LNG相当于约2.12 t LN₂的冷量，见表 1。

表 1

表 1    LNG和液氮的冷量对比 Table 1    Cold quantity comparison of LNG and LN2 冷却介质 压力/kPa 对应压力下的沸点/℃ 可利用冷量最高温度/ ℃ 汽化潜热/(kJ·t-1) 显热/(kJ·t-1) 可利用的总冷量/(kJ·t-1) LNG 300 -146.4 -60 482 400 188 800 671 200 LN2 300 -185.2 -60 184 200 132 200 316 400 注：1 t LNG的冷量≈2.12 t LN2的冷量。

表 1    LNG和液氮的冷量对比 Table 1    Cold quantity comparison of LNG and LN2

按照液氮的价格1 500元/t、LNG的价格4 000元/t计算，用液氮可节约直接材料费用：(4 000-2.12×1 500)/4 000=20.5%。

2.2 温度场的数值模拟

利用流体力学软件 Fluent 6.3.26对储罐预冷过程中的温度场变化进行了模拟，得到储罐内温度分布云图如图 1所示(时间分别为1 min、5 min、10 min、20 min)。需要说明的是，由于模拟边界条件的限制以及现场预冷过程的复杂性，数值计算结构与实际预冷过程存在一定的差异。因此，该云图只是定性表示储罐内部温度变化规律，不能定量地用图表颜色变化说明温度变化的具体数值。由图 1可以看出，LNG刚进入储罐时，入口附近温度较低，远离入口管线的其他位置温度较高，储罐内温度分布不均匀。随着时间的增加，储罐内的温度分布逐渐趋于均匀，但在入口附近的温度仍然略低。

图 1

图 1     LNG储罐不同时刻温度分布云图 Figure 1     Temperature distribution of LNG storage tank at different times

进一步做出LNG储罐内部流线图如图 2所示。由图 2可以看出，由于来流的高速冲击和储罐底部的阻挡，内部流动有明显漩涡，扰动的加剧有利于温度场的快速均匀。但同时，由于进料管分布的不对称性，进料管侧的流动扰动较大，远离进料管的储罐其他位置，达到温度的均匀分布需要时间较长。从模拟结果来看，流体扰动和管线的布置方位对于储罐内温度分布的影响明显。

图 2

图 2     LNG储罐内部流体迹线图 Figure 2     Path lines of LNG storage tank

2.3 现场应用情况

该技术成功应用于广安液化天然气装置一座2×10⁴ m³ LNG储罐和黄冈液化天然气装置两座3×10⁴ m³ LNG储罐的预冷，广安LNG储罐由Technodyne International Ltd.公司设计。设计压力20 kPa，设计温度-163 ℃，外罐直径40 m，外罐高24.7 m，建造质量1 992 t(含绝热材料)。储罐设计预冷介质为LNG，预冷速率2.5 ℃/h。黄冈LNG储罐由CPESW公司设计，设计压力20 kPa，设计温度-168 ℃，外罐直径43.5 m，外罐高28.1 m，建造质量2 150 t(含绝热材料)。

采用液氮预冷到一定温度后，再用LNG预冷到预定温度。通过相平衡计算，找到了液氮+LNG预冷的温度转换点，有效地避免预冷中温度过低的问题。另外，预冷后在储罐底部充装高度约300 mm的LNG液体，使储罐的温度均匀稳定。

针对LNG储罐预冷过程中低温两相流(间歇喷射泉)现象，找到了相关的解决问题的方法，预冷过程的工艺流程示意图如图 3所示。

图 3

图 3     LN2+LNG储罐预冷方案示意图 Figure 3     Schematic diagram of LN2+LNG pre-cooling technology

通过监测，得到预冷过程中LNG储罐内部温度变化曲线如图 4所示。由图 4可以看出，曲线下降平稳。由此说明，该方案工艺过程控制良好，储罐内部平稳达到预冷温度，且各处温差小，避免了温度应力对储罐的冲击，保证了预冷过程的安全性。

图 4

图 4     LNG储罐预冷温度曲线 Figure 4     Curves of pre-cooling temperature for LNG storage tank

整个预冷过程需要4~6天的时间(包括管道的预冷吹扫时间)，预冷后的温度最低为-162 ℃，与计算预测值-163 ℃相比，误差在允许的范围内。同时，在天然气预冷阶段，绝大多数汽化后的天然气通过现场的BOG压缩机压缩回管网^[5]，减少了对天然气资源的浪费。

3 结论

(1) 液氮+LNG预冷是一种安全可靠的LNG储罐预冷技术，能够满足储罐对预冷温度和预冷速率的要求。

(2) 与常规LNG预冷方法相比，液氮+LNG预冷技术可有效减少预冷过程中管道法兰泄漏带来的危害，且具有良好的经济效益。

(3) 对LNG储罐预冷进行模拟预测，并与常规相平衡、冷量平衡计算相结合，能够合理确定过程工艺参数，对生产实践具有指导意义。

参考文献

[1]	张艳春, 于国杰, 杜国强, 等. LNG大型储罐加强圈设计[J]. 石油与天然气化工, 2011, 40(5): 433-436.
[2]	袁清, 姜伟强. 中型单容LNG储罐在珠海天然气液化装置的应用[J]. 石油与天然气化工, 2014, 43(5): 501-504.
[3]	EN 14620 Design and manufacture of site built, vertical, cylindrical, flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated, liquefied gases with operating temperatures between 0 ℃ and -165 ℃[S]. British Standards, 2006.
[4]	TANK TK-601: Design Calculation for Tank Cooldown [Z]. Technodyne International LTD., Aug. 26th, 2010.
[5]	陈帅, 田士章, 胡文江, 等. LNG储罐冷却过程中BOG回收量探讨[J]. 石油与天然气化工, 2013, 42(4): 373-377.