大型LNG儲罐高液位運行安全分析與管理研究

(中海石油氣電集團有限責任公司,北京 100028)

1 研究背景

LNG儲罐是LNG接收站內(nèi)投資最大的核心單體設(shè)備，其穩(wěn)定、安全運行是整個接收站正常運行乃至地方能源安全保障的重要前提。然而，某LNG項目儲罐液位高度過去2個月中絕大多數(shù)時間都在30m以上的高液位狀態(tài)下運行(見圖1)，近一個月更是持續(xù)運行在高液位，在9月初更是創(chuàng)造了33.16m的最高液位，距離高液位報警33.85m只有0.69m的高差，距離34.07m的高高液位報警聯(lián)鎖關(guān)斷只有不到1m的高度差。

LNG儲罐液位持續(xù)，長期高液位運行提高了安全隱患發(fā)生風險，例如液位誤報警、儲罐超壓、翻滾事故等[1-4]。本文結(jié)合我國項目實際運營情況對LNG儲罐高液位運行可能存在的安全隱患進行了多方面分析并提出儲罐高液位運行工況的建議。

圖1 某項目LNG儲罐2個月儲罐液位

2 高液位運行安全分析

2.1 高液位運行更容易出現(xiàn)分層引發(fā)翻滾風險

翻滾是液化天然氣生產(chǎn)儲運中出現(xiàn)的一種危害較大的事故，LNG儲罐持續(xù)高液位運行提升了發(fā)生罐內(nèi)液體"翻滾"的后果且增加翻滾發(fā)生的概率。液化天然氣翻滾產(chǎn)生的主要原因是罐內(nèi)液體分層[5-6]。儲罐長期高液位運行，壁面及罐底吸熱量較大，容易造成沿儲罐高度方向密度差，出現(xiàn)分層而導(dǎo)致翻滾；且高液位運行時，儲罐往往要容納兩個甚至多個氣源地的LNG，也容易發(fā)生分層導(dǎo)致翻滾。翻滾一旦發(fā)生，儲罐將在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣(BOG)，其BOG蒸發(fā)量為正常情況下的100多倍[7-11]，可能使儲罐超壓而損壞，而蒸發(fā)量有時罐內(nèi)液量的函數(shù)，將會造成更大的的經(jīng)濟損失。

儲罐液位較高時對翻滾的產(chǎn)生有三方面影響：

(1)高液位運行時，儲罐可能會容納更多的幾種不同組分和密度的LNG，且高液位時罐內(nèi)泵循環(huán)混合LNG的效果有限，造成儲罐內(nèi)LNG分層且上下兩層更易形成獨立的循環(huán)。

(2)液位較高時，上下層中間的分界層向下移動的空間較大，容易形成較大的翻滾事故。

(3)高液位運行，使LNG沿高度方向受熱面積大，造成上層蒸發(fā)更加劇烈，下層熱量積聚更加迅速，加劇了由分層到翻滾的過程；一旦發(fā)生翻滾下層釋放的熱量產(chǎn)生的蒸發(fā)氣量將十分巨大，導(dǎo)致儲罐和接收站產(chǎn)生較大的壓力波動。

國外LNG項目運維歷史中，發(fā)生多起"翻滾"事故案例：1971年意大利Le Spezia，SNAM的LNG終端接收站S-1儲罐內(nèi)裝有有兩種密度的LNG，處于中高液位。在為時1.25h的翻滾中，有136.2噸的LNG氣化后從儲罐中泄放出來，高峰期的蒸發(fā)率是正常時的100多倍，儲罐壓力超過設(shè)計壓力；1993年英國曼徹斯特Partington的LNG調(diào)峰站的儲罐在充裝前存液17266t，已經(jīng)處于中高液位。充裝后68t儲罐發(fā)生翻滾。卸料后初始58t，共有160t的LNG蒸發(fā)，而在兩小時的翻滾中，由于儲罐壓力的快速上升，有150t的LNG被排放到大氣中。

綜合分析這歷史事故，雖然導(dǎo)致翻滾的直接因素是操作不當，使高密度液體位于罐底的分層，但不可忽視的是LNG高液位將會增加翻滾產(chǎn)生BOG的量，且在LNG液位較高的儲罐更容易出現(xiàn)翻滾情況

2.2 接收站氣相系統(tǒng)容易超壓

儲罐高液位運行，造成儲罐氣相空間偏小，整個系統(tǒng)BOG容納能力降低。且高液位運行時產(chǎn)生的蒸發(fā)氣(BOG)量較低液位時大(罐壁漏熱產(chǎn)生的BOG量占整個儲罐吸熱產(chǎn)生BOG量的40%，高液位時儲罐吸熱產(chǎn)生的BOG量比低液位時高約30%～40%)。因此高液位運行下；一方面，BOG產(chǎn)生量因熱輸入的增加而增大；另一方面，儲罐的BOG的氣相空間有限，接收站氣相系統(tǒng)的緩沖能力嚴重不足。

基于HYSYS軟件搭建某接收站4座16萬m3LNG儲罐的動態(tài)仿真模型，模擬13200m3/h卸料速率下依次進行4座儲罐的卸料操作，同時以14.7t/h的BOG系統(tǒng)處理能力處理期間產(chǎn)生的BOG，監(jiān)測期間主要工藝數(shù)據(jù)，例如，4座LNG儲罐壓力、液位高度、BOG壓縮機處理能力等工藝參數(shù)可知。在進行1-3座儲罐卸料操作時，儲罐氣相空間起到很好的緩沖作用，但在第四座儲罐的卸料時，系統(tǒng)的壓力逼近接收站系統(tǒng)的泄放壓力。

圖2 四座罐接替卸料監(jiān)測圖

從圖2中各做儲罐的壓力曲線與各儲罐的液位高度可知，全速卸料期間，整個系統(tǒng)的BOG產(chǎn)生量增加，參與卸料儲罐的壓力明顯高于其他儲罐，尤其是卸料剛開始時，BOG產(chǎn)生量達到峰值。當接收站儲存系統(tǒng)LNG液位低時，對于BOG產(chǎn)生的峰值波動有一定的緩沖能力，也減少了BOG壓縮機的負擔；但當接收站儲存系統(tǒng)LNG液位高時，其氣相空間大大減小，緩沖功能減弱，增加了BOG處理系統(tǒng)的負擔，在卸船等BOG產(chǎn)生量波動較大的工況下，容易發(fā)生超壓事故。

3 高液位運行管理

3.1 密度控制

每座LNG儲罐均設(shè)有LTD連續(xù)監(jiān)測儀表，用于連續(xù)監(jiān)測儀表主要協(xié)助操作人員確定儲罐內(nèi)部的分層情況。以某16萬方LNG儲罐為例，在LTD測量液位范圍中的相鄰測點最大溫差超過0.3℃或最大密度差超過0.8 kg/m3，操作人員應(yīng)當對儲罐中的LNG進行消除分層的操作。

我國部分接收站LNG儲罐LTD檢測系統(tǒng)僅具備檢測數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，缺少分層報警的設(shè)計考慮。此類型的分層檢測系統(tǒng)對LNG接收站工藝操作的"新人"來講尤為重要，現(xiàn)場操作"新人"難以快速采取合適的措施，增加了此風險的后果。增加LNG分層報警，可更好的進行儲罐LNG分層的控制，有利于LNG儲罐尤其是在高液位情況下的風險管理。

3.2 監(jiān)測控制

持續(xù)高液位運行時，儲罐液位容易在數(shù)分鐘之內(nèi)觸發(fā)高報警和高高報警(一般接收站項目液位由高報警至高高報警為5min)。LNG儲罐液位的設(shè)定由低到高共分為六級，其中與高液位有關(guān)的設(shè)定一般有如下三層：

(1)最大操作液位(LAH)的設(shè)定是為在LAL的基礎(chǔ)上考慮儲罐的凈容積進行設(shè)定，滿足儲罐罐容的設(shè)計要求。

(2)進料關(guān)停液位(LAHH)：綜合考慮儲罐罐頂進料閥門關(guān)閉響應(yīng)時間和操作人員響應(yīng)時間，LAHH為在LAH的基礎(chǔ)上考慮進行一定時間(一般項目設(shè)計為5或15min)的最大進料后，儲罐上升的液位。由于儲罐過充會對儲罐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，嚴重還會造成LNG溢出，所以該信號通常接入ESD系統(tǒng)。

(3)最大設(shè)計液位(LAHHH)：綜合考慮儲罐罐頂進料閥門關(guān)閉響應(yīng)時間，LAHHH為在LAHH的基礎(chǔ)上考慮進行一定時間(一般為5或15min)的最大進料后，儲罐上升的液位。

除了以上的液位設(shè)定外，通常在LAHHH之上還應(yīng)保證一定安全高度， EN14620中最小安全超高為300mm[12]。LNG儲罐液位高度報警示意圖見圖3。

圖3 LNG儲罐液位高度報警示意圖

在全速卸料的情況下，16萬m3LNG儲罐的液位每小時升高2m，如卸料期間的液相波動或ESDV閥門關(guān)閉中出現(xiàn)嚴重的卡死問題，則操作人員對液位報警的反應(yīng)時間大大縮短，難以避免儲罐卸料過量的問題。

4 結(jié)論

通過以上分析，儲罐液位操作建議如下：

(1)LNG儲罐應(yīng)盡量避免長期連續(xù)運行在高液位工況，以減少上述提及的安全隱患，保證接收站運行的本質(zhì)安全。

(2)儲罐高液位運行時要通過LTD嚴格監(jiān)控罐內(nèi)密度及溫度查，防范罐內(nèi)液體產(chǎn)生分層，避免罐內(nèi)液體形成翻滾的條件。建議避免將具有顯著密度差異的LNG存放在同一儲罐中儲存；如監(jiān)測到的分層情況，應(yīng)及時采取泵循環(huán)的操作，盡快消除分層現(xiàn)象；如可行，建議增加LNG分層報警。

(3)儲罐高液位運行時，操作人員應(yīng)尤其注意監(jiān)控液位高報警，在信息溝通和人員配置上應(yīng)保持快速響應(yīng)的狀態(tài)，在基于將不同密度LNG分罐儲罐的方案或密度差異允許的情況下，優(yōu)先考慮下進料的操作方案。

(4)當卸船量較大時，要保證儲罐留有合適的氣相空間，建議盡量在卸料前降低接收站氣相系統(tǒng)壓力；卸料期間將LNG平均分配到各個儲罐儲罐中，避免單個儲罐液位過高的情況。