LNG储罐预冷是LNG接收站调试投产过程中最关键和最危险的环节。本文结合接收站在不同建设阶段的调试方案，详细介绍了新建LNG接收站项目和扩建项目的储罐预冷工艺及存在的问题。对于如何高效回收预冷过程中产生的蒸发气，提出了用LNG储罐常温天然气置换氮气的方案。针对扩建LNG储罐项目中，新建卸料管道在预冷时可能存在的因法兰泄漏而导致储罐预冷中断的风险，提出了采用小口径管道进行储罐预冷的方案。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接收站项目的正式投产，拉开了国内LNG接收站大规模引进的序幕，特别是2018年4月，国家发改委和国家能源局联合发布了《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接收站的建设进入了高峰期。目前国内已投产的LNG接收站有22座，已投用的16万m?及以上容积的LNG储罐约有70座。
大型全包容的LNG储罐是LNG接收站中非常重要的单元设备，占有较高的投资比例，其正式投用前的调试工作对技术要求较高。LNG储罐的调试工作中最关键和最危险的环节是预冷，如果冷却过程控制不好,极有可能会破坏LNG储罐，造成巨大的经济损失。另一方面，1个16万m?储罐完成冷却，消耗的LNG约2500m?。冷却过程中产生的蒸发气会与氮气混合，由于混合气的热值较低，达不到进入天然气外输管道的要求，混合气基本全部通过火炬排放，造成了大量浪费。因此，如何确保LNG储罐预冷过程的安全稳定，同时高效回收预冷过程中产生的蒸发气，是LNG储罐预冷工艺优化的方向。
1 LNG接收站储罐的预冷工艺
按照接收站的建设阶段不同，LNG接收站储罐使用的预冷工艺分为新建接收站储罐预冷工艺与扩建接收站储罐预冷工艺，主要的不同点为预冷储罐的LNG 来源不同。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 新建接收站的储罐预冷工艺
新建的LNG接收站项目在首船接卸时，通常采用LNG直接喷淋预冷工艺对储罐进行预冷。如图1所示，预冷前，LNG储罐的内罐、穹顶和环形空间已经过干燥及氮气置换合格。在LNG船靠泊前，对接收站的卸料总管进行低温氮气预冷，预冷完成后，卸料管道末端的温度大约在-120℃左右，然后利用LNG船上的喷淋泵对卸料管道进行深度冷却并填充LNG，同时打开LNG储罐罐顶的喷淋预冷阀门，按3~5℃/h的降温速率，对储罐内壁及罐底进行冷却，喷淋的LNG量控制在30~70m?/h。冷却时要求LNG储罐底部或罐壁的任意2个相邻检测点的温度差不得超过30℃，不相邻的检测点的温度差不得超过50℃。LNG储罐底部的所有温度检测点的温度均降至-150℃时，LNG储罐的预冷完成，可以通过卸料进液管道进行小流量缓慢进液，并建立一定的液位。由于首船的接卸过程中，接收站的BOG压缩机、再冷凝器及LNG气化外输系统还未进行调试，LNG储罐预冷过程中产生的BOG和氮气的混合气，只能通过火炬燃烧排放，无法进行回收。
当新建的LNG接收站采用LNG船上的蒸发器产生的BOG对卸料管道进行预冷时，LNG储罐的预冷方案为低温BOG置换氮气+LNG喷淋预冷工艺。与LNG直接喷淋预冷工艺相比，该工艺的主要特点是在LNG储罐预冷前，采用低温 BOG对储罐内的氮气进行置换。国内新建LNG接收站的首船接卸使用的低温BOG置换氮气+LNG喷淋预冷工艺如图2所示。LNG船靠泊后，利用LNG船上蒸发器产生的BOG对卸料管道进行预冷，预冷过程中的BOG直接通过储罐上的进液管道进入内罐空间。由于BOG的密度比氮气小，因此可利用活塞效应，将储罐内的氮气从罐底的氮气吹扫管线置换排出。置换过程中要密切监测罐顶氮气排放口的甲烷浓度，检测到甲烷含量为5%时即停止氮气管道的排气，并将储罐排气切换到BOG总管，通过BOG总管排放到火炬。当卸料管道靠近LNG储罐末端的温度达到-120℃时，用LNG船上的喷淋泵对卸料总管进行填液，当LNG储罐的卸料竖管末端温度达到-150℃，即认为卸料总管填液完成，关闭储罐进液阀并打开罐顶喷淋管道上的阀门，对LNG储罐进行喷淋预冷。
新建LNG接收站在进行首船接卸时，LNG直接喷淋预冷工艺与低温BOG置换氮气+LNG喷淋预冷工艺的不同点，是储罐预冷之前卸料管道的冷却方式不同。前者在LNG船靠泊之前，提前将卸料管道用低温氮气完成预冷，可以缩短LNG船的靠泊天数。后者利用LNG船上蒸发器产生的BOG对卸料管道进行预冷，预冷时间较长，会增加LNG船的靠泊天数。如果首船接卸过程中遇到台风等不可预见的极端气候，LNG船需提前离泊时，会中断LNG储罐的预冷工作，对储罐造成的质量影响是不可逆的。其次，在首船接卸过程中,接收站的气化外输工艺系统还未进行调试，储罐预冷产生的BOG也不太可能回收进入天然气外输管道，只能通过火炬燃烧排放。第三，低温的BOG不经过喷淋系统直接进入储罐，BOG在储罐内的分布不均匀，会导致 LNG储罐内的温度分布不均，情况严重时，可能会使罐内的9%Ni钢板受力不均匀，破坏储罐结构。
1.2 接收站扩建的储罐预冷工艺
LNG接收站扩建储罐项目采用LNG直接喷淋预冷工艺时（图3），首先需要完成扩建部分的卸料管道的预冷和LNG填充。LNG经卸料管道进到罐顶预冷喷淋系统，对储罐进行预冷，冷却过程中产生的蒸发气会与氮气混合。由于混合气中的氮气含量较高，无法进入接收站的BOG再冷凝处理系统，混合气在排放火炬的过程中会占用BOG总管，需要停止接收站BOG再冷凝处理系统的运行，因此会对接收站的正常运行造成影响。另外，预冷1个16万m?储罐需消耗LNG约2500m?，储罐冷却过程中的混合气由于组分和热值不满足要求，也不能通过接收站BOG高压压缩机输送到天然气外输管道，只能通过火炬排放,造成大量天然气损失。
LNG接收站的扩建储罐项目采用低温BOG置换氮气+LNG喷淋预冷工艺时，能够回收储罐预冷过程中产生的BOG（图4）。储罐预冷前，可利用
已投产的卸料总管中的LNG，经临时气化器后生成低温BOG对新建的卸料管道进行预冷。卸料管道预冷过程中的BOG可直接通过储罐的上进液管道进入内罐空间，利用活塞效应，对储罐内的氮气进行置换。扩建项目的储罐在进行BOG置换氮气时，接收站已具备回收BOG的能力，当检测到氮气管道的排气中甲烷含量为5%时，即可将罐顶排气切换到BOG总管，LNG储罐预冷过程中产生的BOG可通过再冷凝系统或者BOG高压压缩机回收后，进入天然气外输管道。虽然低温BOG置换氮气+LNG喷淋预冷工艺虽然能够解决储罐预冷过程中BOG的回收问题，但低温BOG不经喷淋系统直接进入储罐，仍然存在罐内温度分布不均、破坏储罐结构的风险。
2 LNG接收站储罐预冷工艺的优化
2.1 用LNG储罐的常温天然气置换氮气
接收站的扩建储罐项目采用常温天然气置换氮气方案，能够解决低温BOG置换氮气+LNG喷淋预冷工艺存在的问题。常温天然气可以是BOG压缩机出口的天然气、LNG储罐低压补气用的天然气或来自接收站燃料气系统的天然气。舟山LNG接收站二期项目在储罐预冷前，采用燃料气对储罐中的氮气进行置换（图5），用临时管道将接收站DN80的燃料气管道接入DN1050卸料管道的预留接口。通过LNG储罐顶部的上进液管道将燃料气注入LNG储罐，利用活塞效应，将储罐内的氮气从罐底的氮气置换管线排出。考虑到置换过程中排放的气体为天然气和氮气的混合气，在罐顶排放时存在可燃气体扩散的风险，因此用临时短管连接罐顶的氮气排放管道与低压排放管道，再在罐底低压排放管道的预留接口上铺设1根DN150的混合气临时排放管道至火炬，将LNG储罐置换排出的混合气通过火炬进行安全排放。
在天然气置换氮气的过程中，要控制LNG储罐处于稳压状态，罐压宜控制在5kPa左右，燃料气流量控制在3000Nm?·h左右。同时，要在混合气的排放管道上监测混合气中的甲烷浓度，当甲烷含量达到 90%，即视为LNG储罐置换合格。在置换过程中，1个16万m?LNG储罐的混合气中，甲烷含量的变化如图6所示。LNG储罐内的甲烷含量置换到90%所需的时间约为140h，即5~6d。置换结果表明，上述工艺系统和操作参数能够稳定地完成LNG储罐天然气置换氮气的操作。
LNG储罐内天然气的含量达到90%后，储罐喷淋预冷过程中产生的BOG可以直接并入接收站的BOG总管，进入接收站的BOG处理工艺系统中，进行BOG的回收。预冷过程中，根据接收站BOG处理工艺系统的能力来控制预冷速度，就能完全回收LNG储罐预冷过程中消耗的LNG实现LNG储罐预冷过程中的BOG零火炬排放。
2.2 LNG储罐预冷LNG供应方案的优化
在完成LNG接收站的扩建储罐天然气置换氮气的工作，进行扩建卸料管道的预冷和填充LNG时，新旧卸料管道会用阀门隔离并使用法兰连接（图5）。在填充LNG的过程中，新旧管道的法兰连接处极易出现泄漏。在实际操作中遇到法兰泄漏时，首先要对法兰进行紧固。若螺栓的紧固力矩大于设计值，会造成垫片的密封面破坏，紧固螺栓已无法解决法兰的泄漏问题，只能更换法兰连接处的垫片，这会导致LNG储罐的预冷工作被迫中断。更换垫片前，要将已填充LNG的卸料管道吹扫干净，而新建的储罐没有完成预冷，扩建卸料管道中的LNG不能吹扫到新建储罐中，若卸料管道进行加压时，吹扫到已投用的LNG储罐，会加快法兰点的泄漏，造成更大的可燃气体扩散风险。在实际操作时，可利用临时气化器，将扩建卸料管道中的LNG气化后输送到BOG总管，由接收站的BOG处理系统进行回收，待扩建卸料管道吹扫置换干净后，再进行泄漏法兰垫片的更换工作。
针对上述问题，本文提出了扩建LNG储罐项目采用小口径管道进行储罐预冷的优化方案。小口径管道可以是低压外输管道或低压排尽管道。舟山LNG接收站二期项目中，用低压排尽管道供应LNG，对储罐进行预冷。接收站的低压排尽总管的管径为DN250，用LNG+气化器的方式对低压排尽总管进行预冷时，预冷产生的BOG直接通过LNG的喷淋管道进入LNG储罐。当低压排尽管道的预冷及LNG的填充完成之后，可以直接进行LNG储罐的预冷，不用切换工艺流程直至LNG储罐预冷完成。采用小口径管道进行储罐的预冷，能够提供更稳定的LNG供应，确保LNG储罐的预冷工作安全稳定完成。储罐预冷完成后，用LNG+气化器的方式对扩建部分的卸料管道进行预冷。由于LNG储罐的预冷已经完成，卸料管道的预冷和填液过程中产生的BOG可以直接通过罐顶的进液阀进到罐内。若在卸料管道的LNG填充过程中出现了新旧管道连接处的法兰泄漏需更换垫片的情况，也可以直接将管道内的LNG吹到储罐内，以便进行后续的泄漏处理工作。
3 结论
根据接收站的建设阶段不同，LNG接收站储罐的预冷工艺分为新建接收站的储罐预冷工艺和扩建储罐的预冷工艺。本文在总结目前LNG接收站常用的储罐预冷工艺的基础上，针对LNG储罐预冷过程的安全稳定并高效回收预冷过程中产生的蒸发气的要求，提出了LNG储罐用常温天然气置换氮气的方案以及采用小口径管道进行储罐预冷的方案。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，从实践上验证了优化方案的可靠性，可为同类LNG接收站储罐预冷工艺的设计和配置提供一定的借鉴。
