大型LNG儲運(yùn)設(shè)備中翻滾現(xiàn)象的研究與預(yù)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(tài)天然氣（101.325kPa）的1/625。

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及環(huán)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(nèi)應(yīng)用越來越廣。

近年來，國內(nèi)LNG的發(fā)展更是突飛猛進(jìn)，天然氣消費高速增長，而國產(chǎn)氣和管道氣增長受限，亟需提升LNG進(jìn)口規(guī)模；同時，由于近兩年天然氣氣荒，國家有關(guān)部門加快了LNG相關(guān)產(chǎn)業(yè)建設(shè)的審批；此外，油氣改革的深入，也促進(jìn)了LNG產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。投資主體也呈現(xiàn)多樣化，不僅有傳統(tǒng)的三桶油，一些國內(nèi)大型燃?xì)饧瘓F(tuán)甚至一些外資企業(yè)也進(jìn)入了這個新型領(lǐng)域。

截止2019年6月，國內(nèi)已建成投產(chǎn)運(yùn)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(qū)。在全球范圍內(nèi)，共有135座LNG接收站投運(yùn)，擴(kuò)建及建設(shè)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(shè)備技術(shù)以及生產(chǎn)運(yùn)營技術(shù)得以深入研究和發(fā)展。本文對LNG儲運(yùn)設(shè)備在生產(chǎn)運(yùn)營中可能產(chǎn)生的“翻滾”現(xiàn)象做了深入探討研究，分析該現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，可能會造成的損失和危害，從而有的放矢，采取設(shè)計、建造及生產(chǎn)運(yùn)營方式等手段加以預(yù)防，避免該現(xiàn)象的發(fā)生，造成資源的浪費和事故的發(fā)生[1]。

LNG 儲罐是LNG 接收站的核心設(shè)備也是LNG 儲存的主要設(shè)備。LNG 老化以及新舊LNG 混裝會引發(fā)諸多問題，如LNG 儲罐中的蒸發(fā)、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(nèi)LNG的分層規(guī)律研究，找出溫度、密度、進(jìn)料方式以及靜置時長等對分層的影響，從而判斷翻滾發(fā)生的可能性，并對LNG 儲罐的安全存儲及合理接卸提出建設(shè)性建議。

1 大型LNG儲運(yùn)設(shè)備中翻滾現(xiàn)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(chǎn)生分層，導(dǎo)致出現(xiàn)LNG蒸汽快速釋放的現(xiàn)象。翻滾出現(xiàn)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(chǎn)生兩個或多個獨立的LNG分層。

由于LNG的密度、蒸汽壓等參數(shù)與溫度有關(guān)，當(dāng)新注入儲罐LNG的密度與儲罐內(nèi)剩余LNG的密度不同時，就會暫時形成分層現(xiàn)象。由于層與層之間的傳熱和傳質(zhì)、層與層逐漸混合，在這過程中LNG蒸發(fā)速度也在變化。在一些特定條件下，蒸發(fā)速度會劇增，出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象，導(dǎo)致LNG儲罐內(nèi)的壓力急劇增加。

無論儲罐內(nèi)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(huán)。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(bǔ)，完成循環(huán)。

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(dá)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(fā)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(dǎo)入，底部LNG的溫度增加，而密度下降；頂層LNG由于BOG的揮發(fā)而變重。如果兩部分接觸面的密度無法達(dá)到大致相等，那么就會一直保留這種分層的現(xiàn)象，當(dāng)?shù)讓覮NG密度低于上層LNG密度時，底部LNG就會上升，經(jīng)過傳質(zhì)，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(chǎn)生大量的BOG，即產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象[2]。

LNG 的翻滾實際上是一種劇烈蒸發(fā)的過程。當(dāng)儲罐內(nèi)LNG出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)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(fā)，造成下層LNG處于過飽和狀態(tài)。當(dāng)儲罐內(nèi)上層的LNG密度大于下層時，下層LNG突然上升，導(dǎo)致迅速蒸發(fā)。

翻滾從現(xiàn)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(fā)，而自發(fā)形成翻滾現(xiàn)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(chǎn)生翻滾現(xiàn)象。

2 針對翻滾現(xiàn)象的對策與預(yù)防措施

根據(jù)翻滾產(chǎn)生的機(jī)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(jìn)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(yù)防：

2.1 分別存儲

對于不同密度、不同組分和不同溫度狀態(tài)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(diào)整。對于16萬m3及以上罐型，則比較困難。

2.2 分層進(jìn)料

1）底部進(jìn)料

接收的LNG如果比儲罐內(nèi)已有的物料組分要輕，則底部進(jìn)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(jìn)料

如果接受的LNG組分重于儲罐內(nèi)已有物料，則適合采用頂部進(jìn)料方式。相對重的物料下沉，較輕的組分上升，從而破壞罐內(nèi)分層狀態(tài)。但是這種進(jìn)料方式存在一個缺陷，進(jìn)料的過程中會產(chǎn)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(jìn)料速度；二是進(jìn)料時提前降低罐壓[3]。

3）噴嘴和其他混合裝置進(jìn)料

噴嘴裝在儲罐底部的進(jìn)料管線，對預(yù)防分層有顯著效果，但進(jìn)料管線中需設(shè)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(nèi)的LNG相混合。進(jìn)料管線底部設(shè)置擴(kuò)散器也有助于混合，但儲罐的進(jìn)料管線上設(shè)置若干孔洞，在卸料初期進(jìn)料管線位于液面上方時，可能會產(chǎn)生大量閃蒸氣體。

2.3 罐內(nèi)循環(huán)

在判斷出現(xiàn)不穩(wěn)定分層現(xiàn)象時，采用啟動儲罐LNG循環(huán)泵進(jìn)行外力擾動，消除儲罐內(nèi)LNG的密度差，從而破壞LNG分層狀態(tài)，避免翻滾現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.4 采用監(jiān)控軟件

采用先進(jìn)的防翻滾監(jiān)控軟件，對罐內(nèi)的液體的溫度、壓力和密度進(jìn)行適時測量，并通過軟件計算，從而判斷是否產(chǎn)生分層現(xiàn)象。

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

2.5 設(shè)計、建造期加以預(yù)防

選擇先進(jìn)的工藝技術(shù)和LNG儲罐建造技術(shù)，對不同品質(zhì)的LNG進(jìn)行模擬計算，選擇合理的進(jìn)料方式，為適應(yīng)多品種LNG，可設(shè)置多個不同位置的進(jìn)料口，設(shè)計合理的循環(huán)方式，采用先進(jìn)的BOG回收處理系統(tǒng)，設(shè)計有效可靠的BOG應(yīng)急排放系統(tǒng)。在施工建造階段，選擇技術(shù)實力較強(qiáng)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(xiàn)金

3 結(jié)語

翻滾過程是一種層間強(qiáng)烈混合過程，伴隨著翻滾的進(jìn)行，整個儲罐內(nèi)的流場，密度都會發(fā)生相應(yīng)變化。通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：

重力的作用使上重下輕的分層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)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(fā)生翻滾現(xiàn)象，使層間密度趨向一致，結(jié)果表明翻滾后的流體形成上輕下重的穩(wěn)定狀態(tài)；

同等儲罐直徑、同等密度差下，分層越顯著、分層數(shù)越多翻滾現(xiàn)象越快、越劇烈，持續(xù)時間越長；

實際生產(chǎn)運(yùn)營中，應(yīng)合理安排LNG船舶向大型LNG儲罐內(nèi)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(fā)生分層；對于不同密度的LNG需要混裝時，應(yīng)將密度較大的LNG儲存于下方；生產(chǎn)中盡量避免多分層的出現(xiàn)，通過軟件監(jiān)測，隨時掌握罐內(nèi)液面分層狀態(tài)，必要時通過外力驅(qū)動循環(huán)，對分層狀態(tài)加以擾動，從而破壞翻滾發(fā)生的條件[5]。