液化天然气储运中的翻滚现象及预防措施

液化天然气储运中的翻滚现象及预防措施伍颖浏武涨晓琳;骆辉;吴杰【摘要】介绍了液化天然气储运中的翻滚(涡旋)现象及预防措施，着重分析了液化天然气在储运中的翻滚机理，提出了相应的预防措施，以减少和消除翻滚现象，提高液化天然气在储运中的安全性.【期刊名称】《管道技术与设备》【年(卷)，期】2008(000)006【总页数】4页(P9-12)【关键词】液化天然气;翻滚现象;储运;预防措施【作者】伍颖浏武涨晓琳;骆辉;吴杰【作者单位】西南石油大学石油工程学院，四川成都,610500;西南石油大学石油工程学院，四川成都,610500;西南石油大学石油工程学院，四川成都,610500;川庆钻探公司科宏设计院，四川成都,610000;西南油气田川中气矿，四川遂宁,629000【正文语种】中文【中图分类】TE82液化天然气(LNG)在储运过程中，会发生一种被称为“涡旋”(rollover)的非稳性现象，涡旋即翻滚现象。涡旋是由于向已装有LNG的低温储槽中充注新的LNG液体，或由于LNG中的氮优先蒸发而使储槽内的液体发生分层(stratification).分层后的各层液体在储槽周壁漏热的加热下，形成独立的自然对流循环。该循环使各层液体的密度不断发生变化，当相邻两层液体的密度近似相等时，两个液层就会发生强烈的混合，瞬间产生大量的汽化气。由于大量液体在短时间内汽化，储罐内压力急剧增大，使压力安全阀频繁开闭，并且在周围的空间形成可爆炸性混合云团，或引发沸腾液蒸汽膨胀爆炸(BLEVE)。如果不及时通过安全释放阀排放，就有可能造成贮槽的机械损伤和一些设备损坏，同时排放大量的蒸发气。这不仅对LNG的储运安全构成重大威胁，还会造成经济上的损失和环境污染。1971年和1993年，意大利和英国先后出现两次因LNG翻滚导致的大事故［1-3］。为此，LNG储运的安全性受到高度重视，对LNG翻滚现象展开了积极的研究。20世纪70年代中期，Ghatterjee和Germeles先后提出分层界面静止不动的翻滚模型，但这些模型预测翻滚出现的时间比实际时间更长，偏差较大［2-3］。1983年，Heestand等人精练了Ghatterjee和Germeles模型，将LNG看作甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮5种组分的混合液，并编制了ROLLO计算程序。给定初始温度和组成，ROLLO程序可用数值方法计算出LNG分层的演化过程，但该模型同样保留着静止界面假设带来的不足［4］。Muro等人对LNG在真空绝热不锈钢槽中进行了试验，并根据试验数据整理出LNG蒸发率与过热度的关系［5］。20世纪80年代中后期，Kamiya等通过实验揭示出在翻滚发生前的阶段里，分界面的移动占主导地位［6］。Morrison使用液化石油气试验证实了Kamiya等的实验结果［7］；法国煤气公司进行的试验也复现了这个结果，并且显示了分界面从固定到开始移动的过程［8］。1997年，英国燃气公司(BritishGas)的Bates和Morrison提出了三阶段的Bates-Morrison模型［9］。该模型比较简单，准确合理，但也有一些缺陷。因此，上海交通大学顾安忠课题组对Bates-Morrison模型作了改进，将其发展为一个四阶段模型，更加符合实际情况［1］。2.1翻滚现象的分类液化天然气贮罐在长期贮存中，因其较轻的组分(主要是氮气和甲烷)优先蒸发，而自发形成的翻滚现象。液化天然气贮罐原来留有液化天然气，在充装密度不同、温度不同的新LNG一段时间(几小时甚至几十天)后，突然产生翻滚的现象。2.2分层现象产生的原因储罐内液化天然气由于各组分密度不同，导致密度大的组分在下，密度小的组分在上，形成分层。分析表明，很小的密度差就可导致分层的发生。液化天然气进储罐温度的细微变化会引起液体密度的细微变化。温度高的液体的密度较小，温度低的液体的密度较大，因此，密度小的液体上浮，密度大的液体下沉，产生分层现象。由于不同阶段添加的液化天然气的组分不同，导致新旧液化天然气两层液体的密度不同，因此罐内液体就会存在密度差，产生分层现象。2.3翻滚现象产生的原因槽内液化天然气在分层的情况下，由于储槽周壁及下部受热较多，导致靠近周壁及下部的液体受热向上运动，在两层内均产生对流状态(见图1)。当对流进行至一定时期，由于液化天然气中的氮气首先容易汽化，将促使下层LNG冲破层面，而与迅速上层LNG混合，产生大量的汽化气(见图2)。从图1所示分层分析可知，顶层的液体从周壁和底层液体吸收的热量一部分通过气液界面的蒸发作用散发到货舱上部的气态空间，另一部分则被该层液体吸收，使该层液体的温度升高；而底层液体从周壁和底壁吸收的热量则只能通过与顶层之间的液液界面传给顶层液体。当两个液层之间的温度差异较小时，通过界面传递的热量就小于液体从周壁和底壁吸收的热量，底层液体被加热，其温度升高；反之，当两层液体温度差异较大时，通过界面传递的热量大于液体从周壁和底壁吸收的热量，底层液体被冷却，其温度降低。图3、图4分别显示了两种情况下液层的温度、密度随时间的变化。在上述两种情况下，顶层液体的温度都随时间而升高，由于轻质组分的逐步蒸发，其密度增大。但底层液体的变化则有所不同：在第一种情况下，底层液体的温度升高得较快，其密度减小，当上下两层的液体密度近似相等时，分层消失，液体便发生强烈混和，产生翻滚现象；在第二种情况下，底层液体的温度降低，其密度增大，发生液体强烈混合产生翻滚现象的时间则要推迟到顶层液体的密度也增加到与底层液体密度近似相等时。2.4翻滚现象发生的可能范围液化天然气贮槽可分为3种基本类型：基本负荷型出口暂存贮槽、高峰负荷型贮槽及终端装置，这3种贮槽都可能发生分层而引起涡旋，但各有特点。基本负荷型出口暂存贮槽，用于液体设备靠近天然气源。其特点为：液体在贮槽中贮存时间较短，LNG组分相对稳定，液化后至贮槽的充注速度较快，LNG氮含量较低。高峰负荷型贮槽，用于调节高峰负荷以及为冬季供应燃料。其特点为：液体在贮槽中停留的时间较长，LNG组分相对较稳定，液化后至贮槽的充注速度较慢，LNG氮含量高低不等。终端装置一般用于接受槽船等运输的LNG，亦可用于调峰目的。其特点为：液体在贮槽中停留的时间长短不一，LNG组分变化范围较大，充注速度或高或低，LNG中氮含量高低不等。液化天然气翻滚是由分层引起的，因此防止分层即可预防翻滚。3.1防止分层的方法不同产地、不同气源的液化天然气分开储存，可避免因密度差而引起的分层。根据需储存的液化天然气与储槽内原有的液化天然气密度的差异，选择正确的充注方法，可有效防止分层。充注方法的选择一般应遵循以下的原则：密度相近时一般底部充注；将轻质LNG充注到重质LNG储槽中时，宜底部充注；将重质LNG充注到轻质LNG储槽中时，宜顶部充注。当充注量少于1.5x104m3或贮槽中原有LNG少于104m3时，可采取底部充注(经验表明：在这两种情况下均不会形成稳定的分层)。⑶使用混合喷嘴和多孔管充注，可使充注的新LNG和原有的LNG充分混合，从而避免分层。充分搅拌所有灌入储罐的LNG，消除密度差，防止LNG的分层。一般采用循环泵进行循环(即用LNG泵由储罐下部到上部打回流)的方法来使储罐中的组分充分混合。控制灌入储罐LNG组分的密度变化范围，尽可能减小组分的密度差。对于大型液化天然气储罐，充分搅和比较困难。一旦发生LNG翻滚，汽化后的大量天然气难以及时通过安全释放阀排放。为了防止发生事故，设置安全释放阀、放散火炬、回收压缩系统等，防止LNG蒸发、翻滚造成储罐超压。一般同时采用上述两个措施，并且尽量使一个储罐仅用来储存同一产地的LNG，控制其组分的变化范围，从而防止LNG的翻滚现象。一般灌入储罐的LNG的密度差尽量控制在15kg/m3以内。根据经验，为了避免分层现象，在液化过程中应注意分析进料天然气组分，不要有较大的密度差。否则采取LNG直接进入汽化器，汽化后再输到外界管网进行循环的方式。进液过程中，选择将温度较低的LNG从罐顶部灌入，将温度较高的LNG从罐底部灌入，使充液过程也成为不同密度的LNG混合的过程，从而防止LNG分层，避免翻滚现象的产生。3.2分层的检测与消除3.2.1分层的检测(1)可以通过测量LNG储槽内垂直方向上的温度和密度来确定是否存在分层。一般情况下，当分层液体之间的温差大于0.2K，密度差大于0.5kg/m3时，即认为发生了分层。(2)监测LNG的蒸发速度。LNG分层会抑制LNG的蒸发速度，使得翻滚前的蒸发速度比通常情况下低。采用压力表监测罐内压力时，大气压的变化会影响对LNG蒸发速度的监测，可以采用绝对压力监测或记录大气压的变化。为了探测分层，还研制了用于LNG贮槽的分层探测器，如美国科学仪器公司研制的Madel6280LTD-MP型，可测量液面高度、温度、密度等，测量由微机控制，并能进行指定的数据处理，微机通过步进电机控制测量高度，并分别测量该处的温度和密度，进行数据处理后可判断是否存在分层。3.2.2分层的消除探测到确已形成分层以后，可采用内部搅拌或输出部分液体的方法来消除分层。内部搅拌会引起蒸发量增加，而快速输出部分液体是一种较好消除分层的方法。一旦储罐内发生翻滚现象，汽化后的大量天然气将难以及时通过泄放装置排放。为防止发生事故，需设置安全排放口、排放火炬、回收压缩系统等。储罐内的LNG蒸汽产生后，通过蒸发气总管排出，可以返回船上(卸船时)，也可以进BOG压缩机升压，准备冷凝或作为燃料气使用；如果有大量蒸发气产生，压缩机不能处理时，在蒸发气总管上设置压力调节装置，在LNG储罐上的安全阀起跳前，蒸发气将直接排放到火炬总管；事故状态下，罐内超压，安全阀就会起跳，蒸发气直接排放到火炬总管燃烧。此外，提高设计压力与贮槽运行压力之比值也可以预防，但这只适用于初建贮槽。【相关文献】顾安忠，鲁雪生，汪荣顺，等.液化天然气技术.北京：机械工业出版社，2004.CHATTERJEEN,GEISTJM.Theeffectofstratificationonboil-offrateinLNGtanks.PipelineGasJournal,1972,199(11):40-45.GERMELESAE.AmodelforLNGtankrollover.AdvancesinCryogenicEngineering,1975,(21):326-336.HEESTANDJ,SHIPMANCW,MEADERJW.ApredictivemodelforrolloverinstratifiedLNG.A.I.Ch.E.Journal,1983,29(2):199-207.MUROM,YOSHIWAM,YASUDAY,etal.ExperimentalandAnalyticalStudyoftheRolloverPhenomenonUsingLNG.ProceedingsofIECE-11Conference,Berlin,1986.KAMIYAA,TAHSITAM,SUGARAY.AnExperimentalStudyofLNGRolloverPhenomenon.AuthorityofMtg,AmericanSocietyofMechanicalEngineers,NewYork,U.S.A.,1985.MORRISONDS,RICHARSONA.AnExperimentalStudyontheStabilityofStratifiedLayersandRolloverinLNGStorageTanks.ProceedingsoftheLowTemperatureEngineeringandCryogenicsConference,Southampton,U.K.,1990.MARCELO.MeasurementoftheVelocityofNaturalConvect