LNG儲(chǔ)罐中液化氣翻滾原因及預(yù)防

張成偉，呂國(guó)鋒，莊 芳

（中石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇南通 226400）

LNG儲(chǔ)罐中液化氣翻滾原因及預(yù)防

張成偉，呂國(guó)鋒，莊 芳

（中石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇南通 226400）

LNG儲(chǔ)罐中液化氣翻滾會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐損壞和發(fā)生液化氣泄漏事故。文章介紹了LNG儲(chǔ)罐中液化氣翻滾產(chǎn)生的原因、危害及其影響因素，提出了儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的LNG分層的處理方案，實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)生分層時(shí)應(yīng)采取的措施等。

LNG儲(chǔ)罐；LNG翻滾；原因；預(yù)防措施

0 引言

近幾年來(lái)，隨著我國(guó)天然氣需求量的不斷增加，液化天然氣 （Liquefied Natural Gas，以下簡(jiǎn)稱LNG）產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)近幾年已建、在建和規(guī)劃建設(shè)中的LNG接收站約20座。

LNG儲(chǔ)罐是LNG接收站中的重要設(shè)備之一，用于儲(chǔ)存LNG，具有體積大、建造周期長(zhǎng)、造價(jià)高等特點(diǎn)。在LNG儲(chǔ)罐運(yùn)行操作過(guò)程中，須監(jiān)控LNG儲(chǔ)罐內(nèi)LNG溫度、密度分布，及時(shí)發(fā)現(xiàn)LNG分層，避免產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象，防止造成LNG儲(chǔ)罐損壞。從20世紀(jì)70年代LNG行業(yè)興起至今，發(fā)生過(guò)多起LNG儲(chǔ)罐中液化氣翻滾的事故，影響最為嚴(yán)重的有兩起，一起是1971年意大利La Spezia的SNAM LNG儲(chǔ)配站由于進(jìn)料方式錯(cuò)誤引起儲(chǔ)罐中LNG發(fā)生翻滾，1.25 h內(nèi)有136.3 t的LNG氣化后泄放到大氣中；另一起是1993年英國(guó)燃?xì)夤荆˙ritish Gas）LNG儲(chǔ)配站發(fā)生液化氣翻滾，2 h有150 t的LNG氣化后泄放到大氣中[1-2]。這兩次事故引起了世界LNG產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注，從而積極開(kāi)展了LNG儲(chǔ)罐中液化氣翻滾的理論研究。

1 LNG翻滾現(xiàn)象

LNG是一種以甲烷為主要成分的低溫多組分混合物，其組分有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮?dú)獾取５湫蚅NG的物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 典型LNG物理性質(zhì)

LNG儲(chǔ)罐按結(jié)構(gòu)一般可分為單容罐、雙容罐和全容罐等幾種形式，當(dāng)前國(guó)內(nèi)建造的LNG儲(chǔ)罐大部分是全容罐，其結(jié)構(gòu)是外罐為混凝土，內(nèi)罐是9%Ni鋼，中間填充珍珠巖等保冷材料。目前LNG接收站儲(chǔ)罐一般設(shè)計(jì)容積為10萬(wàn)～20萬(wàn)m3，最高操作壓力一般為25 kPa左右，日蒸發(fā)量小于0.05% （體積）。

LNG在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，在一定壓力和溫度下，能在沸點(diǎn)附近與其蒸發(fā)氣保持平衡。LNG的翻滾實(shí)際上是一種劇烈蒸發(fā)的過(guò)程。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象時(shí)，由于上層LNG靜壓的抑制作用，使得外界傳入的熱量無(wú)法使下層的LNG及時(shí)蒸發(fā)，造成下層LNG處于過(guò)飽和狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)上層的LNG密度大于下層時(shí)，下層LNG突然上升，導(dǎo)致迅速蒸發(fā)[3]。

2 LNG翻滾原因分析

2.1 LNG分層原因

2.1.1 長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存

LNG是以-162℃左右的低溫、液態(tài)形式儲(chǔ)存在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的。LNG是以甲烷為主的混合物，在儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存過(guò)程中，重組分下降，輕組分上升，導(dǎo)致上部密度小、下部密度大，造成LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)分層。尤其是不同產(chǎn)地密度差異較大的LNG混合儲(chǔ)存在同一儲(chǔ)罐內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存后，這種分層的趨勢(shì)更加明顯。

2.1.2 LNG含氮

在LNG的主要成分中，氮組分沸點(diǎn)最低，分子量又大于LNG主要組分甲烷 （見(jiàn)表1）。在LNG儲(chǔ)存過(guò)程中，LNG內(nèi)氮組分先于其他組分蒸發(fā)。儲(chǔ)罐下部由于儲(chǔ)罐外壁和罐底吸熱，使下部的氮?dú)鈿饣怯捎谏喜縇NG的靜壓作用，氮?dú)鉄o(wú)法釋放出去，在下部氣化的氮?dú)饧铀倭讼虏縇NG密度減小的速度，所以LNG中含氮有可能促使LNG發(fā)生翻滾。

2.1.3 LNG儲(chǔ)罐進(jìn)料方式不正確

LNG卸入儲(chǔ)罐有頂部進(jìn)料和底部進(jìn)料兩種方式。當(dāng)進(jìn)料LNG密度大于儲(chǔ)罐內(nèi)原有LNG密度，而采用底部進(jìn)料，或者當(dāng)進(jìn)料LNG密度小于儲(chǔ)罐內(nèi)原有LNG密度，而采用頂部進(jìn)料，都會(huì)使LNG無(wú)法充分混合，造成分層。

2.2 LNG翻滾形成過(guò)程分析

液化天然氣的分層和翻滾現(xiàn)象的理論研究已經(jīng)取得了很多成果，如J.Q.Shi的分層演化模型、Bate-Morrison的翻滾預(yù)測(cè)模型等[4]。

根據(jù)Bate-Morrison模型，LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)由正常的儲(chǔ)存狀態(tài)轉(zhuǎn)變到翻滾狀態(tài)可分成以下幾個(gè)步驟：

（1）儲(chǔ)罐內(nèi)LNG正常未發(fā)生分層，儲(chǔ)罐從罐底、罐壁吸熱， LNG氣化成蒸發(fā)氣 （Boil-off Gas，以下簡(jiǎn)稱BOG），見(jiàn)圖1。

（2）由于某種原因，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG發(fā)生分層，形成上部密度小、下部密度大的兩層結(jié)構(gòu)，上下兩層LNG各自自然對(duì)流，在分界面處，因上下兩層間穿透對(duì)流和卷流導(dǎo)致界面向上或向下遷移，見(jiàn)圖2。

（3）密度趨同。上層密度輕的LNG由于輕組分的正常蒸發(fā)使密度不斷增大，下層密度大的LNG由于氣化的BOG在靜壓頭的作用下無(wú)法釋放，密度不斷減小。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，上、下層密度相等，即發(fā)生液化氣翻滾。儲(chǔ)罐LNG上、下層密度演變?nèi)鐖D3所示。

（4）兩層混合，蒸發(fā)驟增。儲(chǔ)罐內(nèi)上、下兩層趨同時(shí)，下層吸熱LNG內(nèi)未蒸發(fā)的LNG快速蒸發(fā)，儲(chǔ)罐內(nèi)部出現(xiàn)急劇的對(duì)流，瞬間產(chǎn)生大量的BOG，形成LNG翻滾現(xiàn)象，如圖4所示。

3 翻滾的影響因素與預(yù)防措施

3.1 翻滾的影響因素

儲(chǔ)罐LNG發(fā)生翻滾現(xiàn)象時(shí)，產(chǎn)生的BOG量瞬間快速增加，最大可達(dá)到正常BOG氣量的100倍，會(huì)造成LNG儲(chǔ)罐損壞，后果非常嚴(yán)重。影響翻滾嚴(yán)重程度的因素有以下幾點(diǎn)：

（1）LNG中含氮量越高，發(fā)生翻滾的趨勢(shì)越強(qiáng)。如果發(fā)生翻滾，含氮量越高，瞬間產(chǎn)生的BOG的量越大，對(duì)儲(chǔ)罐的破壞力越大。

（2）LNG儲(chǔ)罐發(fā)生分層后，上下LNG密度差越大，形成翻滾的時(shí)間越長(zhǎng)，且發(fā)生翻滾時(shí)產(chǎn)生的BOG量越多。

（3）發(fā)生分層的LNG液位越低，翻滾的時(shí)間越短，且發(fā)生翻滾時(shí)產(chǎn)生的BOG量相對(duì)減小。

（4）儲(chǔ)罐LNG發(fā)生分層后，還不斷地從儲(chǔ)罐中抽取BOG，會(huì)促進(jìn)儲(chǔ)罐發(fā)生翻滾，但發(fā)生翻滾時(shí)產(chǎn)生的BOG量相對(duì)要減小。

（5）卸載到儲(chǔ)罐的LNG的溫度越高，形成翻滾的時(shí)間越短。

3.2 預(yù)防措施

（1）在設(shè)計(jì)上，使用混合噴嘴和多孔管注入，使進(jìn)罐的LNG與儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG充分混合，防止分層。

（2）在設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐時(shí)，在儲(chǔ)罐垂直方向上設(shè)計(jì)溫度、密度監(jiān)視儀表，目前一般用LTD（液位、溫度、密度探測(cè)器）監(jiān)視儲(chǔ)罐內(nèi)各層LNG溫度、密度差異，及時(shí)發(fā)現(xiàn)分層現(xiàn)象。

因?yàn)橐夯瘹獍l(fā)生翻滾一般需要很長(zhǎng)的時(shí)間，所以在生產(chǎn)運(yùn)行操作中，正確的操作可以有效地防止分層，從而避免翻滾。具體的措施有以下幾點(diǎn)：

（1）在生產(chǎn)運(yùn)行操作中，可以將不同產(chǎn)地、不同氣源的LNG分開(kāi)儲(chǔ)存，以避免密度差引起LNG分層。這種方法主要適用于儲(chǔ)罐個(gè)數(shù)比較多的儲(chǔ)存型LNG接收站，調(diào)峰型LNG接收站一般儲(chǔ)罐個(gè)數(shù)比較少，無(wú)法實(shí)現(xiàn)LNG分開(kāi)儲(chǔ)存。

（2）采取正確的進(jìn)料方式。如進(jìn)料LNG密度大于儲(chǔ)罐原有LNG的密度，則采用頂部進(jìn)料。反之，當(dāng)進(jìn)料LNG密度小于或與儲(chǔ)罐內(nèi)原有LNG密度接近時(shí)，應(yīng)采用底部進(jìn)料。

（3）一般情況下，當(dāng)LTD系統(tǒng)檢測(cè)到儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的溫差大于0.2℃、密度差大于0.5 kg/m3時(shí)，即可認(rèn)為發(fā)生了分層，可以啟動(dòng)罐底到罐頂?shù)墓迌?nèi)混合流程或強(qiáng)制混合流程，防止翻滾現(xiàn)象發(fā)生，但啟動(dòng)這兩個(gè)流程會(huì)使儲(chǔ)罐內(nèi)BOG的產(chǎn)生量增加。

（4）對(duì)于含氮量較高的LNG，應(yīng)盡量避免在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，盡快外輸。

[1]王良軍，劉揚(yáng).大型儲(chǔ)罐內(nèi)LNG翻滾機(jī)理和預(yù)防措施［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（5）：97-99.

[2]鄒華生，黃春來(lái).液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)中的翻滾現(xiàn)象分析［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn),2006，25（11）：13-15.

[3]周偉國(guó)，阮應(yīng)君，藤汜穎.液化天然氣儲(chǔ)罐中的翻滾現(xiàn)象及預(yù)防措施［J］.煤氣與熱力，2002，22（4）：294-296.

[4]顧安忠.液化天然氣技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Causes and Prevention of Liquefied Natural Gas Rollover in LNG Storage Tank

ZHANG Cheng-wei（PetroChina Jiangsu LNG Co.,Ltd.,Nantong 226400,China）,LU Guo-feng,ZHUANG Fang

Liquefied natural gas rollover in LNG storage tank will lead to tank damage and LNG leakage.The causes,hazard and influence factors of LNG rollover are described in this paper.The treatment approach to stratified LNG in design and the measures taken in practical production are also provided.

LNG storage tank;LNG rollover;cause;preventive measure

TE972.1

B

1001－2206（2011）06－0066－03

張成偉 （1962-），男，四川南部人，高級(jí)工程師，1984年畢業(yè)于重慶大學(xué)，一直從事石油、天然氣工程建設(shè)的管理工作。

2011-06-29