大型LNG儲運設備中翻滾現象的研究與預防措施

牛麗君 宋瑞

1.新奧（舟山）液化天然氣有限公司 浙江舟山 316002 2.天津泰奧石化物流有限公司 天津 300201

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡寫LNG）是天然氣在常壓下-162℃的特殊存在形式，其體積僅為氣態天然氣（101.325kPa）的1/625。

隨著國家能源結構的調整以及環保要求的提高，液化天然氣作為一種無色、無味、無毒、無腐蝕性的新型清潔能源，在我國及世界范圍內應用越來越廣。

近年來，國內LNG的發展更是突飛猛進，天然氣消費高速增長，而國產氣和管道氣增長受限，亟需提升LNG進口規模；同時，由于近兩年天然氣氣荒，國家有關部門加快了LNG相關產業建設的審批；此外，油氣改革的深入，也促進了LNG產業的快速發展。投資主體也呈現多樣化，不僅有傳統的三桶油，一些國內大型燃氣集團甚至一些外資企業也進入了這個新型領域。

截止2019年6月，國內已建成投產運營LNG接收站20座，擬建或在建項目25座，分布在沿海11個省級行政區。在全球范圍內，共有135座LNG接收站投運，擴建及建設中有18座，擬建LNG接收站項目59座。

巨大的市場前景使得LNG工藝設備技術以及生產運營技術得以深入研究和發展。本文對LNG儲運設備在生產運營中可能產生的“翻滾”現象做了深入探討研究，分析該現象的產生機理，可能會造成的損失和危害，從而有的放矢，采取設計、建造及生產運營方式等手段加以預防，避免該現象的發生，造成資源的浪費和事故的發生[1]。

LNG 儲罐是LNG 接收站的核心設備也是LNG 儲存的主要設備。LNG 老化以及新舊LNG 混裝會引發諸多問題，如LNG 儲罐中的蒸發、分層、翻滾問題。本文以大型LNG 儲罐為研究對象，著手于LNG儲罐內LNG的分層規律研究，找出溫度、密度、進料方式以及靜置時長等對分層的影響，從而判斷翻滾發生的可能性，并對LNG 儲罐的安全存儲及合理接卸提出建設性建議。

1 大型LNG儲運設備中翻滾現象的分析

翻滾是指在儲罐或船艙中，不同比重的LNG任意混合產生分層，導致出現LNG蒸汽快速釋放的現象。翻滾出現的一個前提條件是分層，即在儲罐或船艙中，不同密度的LNG產生兩個或多個獨立的LNG分層。

由于LNG的密度、蒸汽壓等參數與溫度有關，當新注入儲罐LNG的密度與儲罐內剩余LNG的密度不同時，就會暫時形成分層現象。由于層與層之間的傳熱和傳質、層與層逐漸混合，在這過程中LNG蒸發速度也在變化。在一些特定條件下，蒸發速度會劇增，出現翻滾現象，導致LNG儲罐內的壓力急劇增加。

無論儲罐內是均勻混合的LNG還是單一來源的LNG都會分層，滲入LNG的熱量推動自然對流，形成自然循環。溫度相對較高的LNG沿著罐壁往上流動，穿過液面，吸收熱量氣化，形成蒸汽；溫度相對較低的LNG向下回補，完成循環。

如果有不同密度的LNG混存，較輕的一層LNG可以正常對流，并通過閃蒸，將熱量釋放到罐的蒸汽空間。但是，如果底部密度較大的一層LNG的對流無法穿過上面一層LNG到達液面，底部的LNG就會形成單獨的對流格局。吸收了罐壁和罐底滲透熱的較重的LNG無法流動到液面通過蒸發釋放熱量，造成底部LNG的熱量儲存和溫度上升。隨著外部熱量的導入，底部LNG的溫度增加，而密度下降；頂層LNG由于BOG的揮發而變重。如果兩部分接觸面的密度無法達到大致相等，那么就會一直保留這種分層的現象，當底層LNG密度低于上層LNG密度時，底部LNG就會上升，經過傳質，下部LNG上升到上部，壓力減小，成為過飽和液體，積蓄的熱量迅速釋放，產生大量的BOG，即產生翻滾現象[2]。

LNG 的翻滾實際上是一種劇烈蒸發的過程。當儲罐內LNG出現明顯分層現象時，由于上層LNG靜壓的抑制作用，使得外界傳入的熱量無法使下層的LNG及時蒸發，造成下層LNG處于過飽和狀態。當儲罐內上層的LNG密度大于下層時，下層LNG突然上升，導致迅速蒸發。

翻滾從現象來看分成兩類：LNG儲罐在長期儲存中，因其中較輕的組分(主要是N2和CH4)首先蒸發，而自發形成翻滾現象；LNG儲罐中原有LNG在充裝密度不同、溫度不同的新LNG在靜置一段時間(幾小時甚至幾十天)后，突然產生翻滾現象。

2 針對翻滾現象的對策與預防措施

根據翻滾產生的機理，通常是將來源不同、密度不同的LNG分別儲存于不同的儲罐中。在同一儲罐中，不同溫度和密度的LNG往往采用不同的進料方式加以混合。一般來說，可以采取以下幾種方式方法來對分層翻滾加以預防：

2.1 分別存儲

對于不同密度、不同組分和不同溫度狀態下的LNG，最簡單的做法就是將其分別存放。但這種方式通常適用于小罐型存儲，存儲的量較小，適用于靈活調整。對于16萬m3及以上罐型，則比較困難。

2.2 分層進料

1）底部進料

接收的LNG如果比儲罐內已有的物料組分要輕，則底部進料可比較理想的對兩種不同組分加以混合。輕組分上升，重組分下降，從而加以混合。

2）頂部進料

如果接受的LNG組分重于儲罐內已有物料，則適合采用頂部進料方式。相對重的物料下沉，較輕的組分上升，從而破壞罐內分層狀態。但是這種進料方式存在一個缺陷，進料的過程中會產生大量的閃蒸氣體，會引起罐壓上升，所以在裝卸過程中，需要對罐壓加以有效控制，并采用其他手段盡可能減少閃蒸，通常的做法一是降低進料速度；二是進料時提前降低罐壓[3]。

3）噴嘴和其他混合裝置進料

噴嘴裝在儲罐底部的進料管線，對預防分層有顯著效果，但進料管線中需設置足夠的噴嘴，并確保噴嘴與液面接觸，有充足的時間使被注入的LNG與罐內的LNG相混合。進料管線底部設置擴散器也有助于混合，但儲罐的進料管線上設置若干孔洞，在卸料初期進料管線位于液面上方時，可能會產生大量閃蒸氣體。

2.3 罐內循環

在判斷出現不穩定分層現象時，采用啟動儲罐LNG循環泵進行外力擾動，消除儲罐內LNG的密度差，從而破壞LNG分層狀態，避免翻滾現象的出現。

2.4 采用監控軟件

采用先進的防翻滾監控軟件，對罐內的液體的溫度、壓力和密度進行適時測量，并通過軟件計算，從而判斷是否產生分層現象。

LNG翻滾預測軟件應與罐內部的溫度和密度測量設備相結合，并實時多點記錄，預測和更新可能出現的分層現象。越來越多的預測模型把儲罐建造數據（包括體積、縱橫比、隔絕效率、填充裝置和蒸發氣處理能力等）考慮進去，通過測量密度和溫度曲線、液位、初始LNG組成、自然蒸發率和外輸占比，可以精確識別分層，預測翻滾時間，評估翻滾影響（包括最大罐壓和氣體產生量等）。一旦監測出分層，可采取必要的手段消除分層，從而預防翻滾的發生[4]。

2.5 設計、建造期加以預防

選擇先進的工藝技術和LNG儲罐建造技術，對不同品質的LNG進行模擬計算，選擇合理的進料方式，為適應多品種LNG，可設置多個不同位置的進料口，設計合理的循環方式，采用先進的BOG回收處理系統，設計有效可靠的BOG應急排放系統。在施工建造階段，選擇技術實力較強的施工隊伍，做好LNG儲罐的焊接和保溫絕熱工程，盡可能的減少LNG與外界的熱傳遞。選擇現金

3 結語

翻滾過程是一種層間強烈混合過程，伴隨著翻滾的進行，整個儲罐內的流場，密度都會發生相應變化。通過以上分析，可以得出以下結論：

重力的作用使上重下輕的分層結構不穩定，隨著相鄰兩層LNG之間的流動與混合造成分層界面的破壞，兩層LNG之間發生翻滾現象，使層間密度趨向一致，結果表明翻滾后的流體形成上輕下重的穩定狀態；

同等儲罐直徑、同等密度差下，分層越顯著、分層數越多翻滾現象越快、越劇烈，持續時間越長；

實際生產運營中，應合理安排LNG船舶向大型LNG儲罐內接卸充裝物料，盡可能避免不同密度的LNG混裝，特別是密度差距較大的LNG混裝；大型LNG儲罐儲存LNG時間不宜過長，以免發生分層；對于不同密度的LNG需要混裝時，應將密度較大的LNG儲存于下方；生產中盡量避免多分層的出現，通過軟件監測，隨時掌握罐內液面分層狀態，必要時通過外力驅動循環，對分層狀態加以擾動，從而破壞翻滾發生的條件[5]。