基于靜電防護的LNG加注躉船管道條件限定分析

2014-06-27 06:40:44

船海工程 2014年6期

(中國船級社武漢規范研究所，武漢 430022)

我國已有多艘船舶已經或正在進行LNG作為動力燃料的改建，LNG在船上的廣泛使用，促進了LNG加注站點的部署，LNG加注站的部署需要結合加注效率考慮。以長江上500 m3的加注躉船為例，如果為20 m3的燃料罐加氣，假設加注時間為1 h，1 d只能加10～15艘船。如每艘船滿功率運行6 d，1座加注站可以供應的船舶為60～90艘。如若長江水系船舶總數的10%完成改造(1.3萬條)，則需要建立約140座500 m3規模的加注躉船。可見，加注時間的長短影響著水上LNG應用的供求關系。在管道內徑一定的情況下，提高加注效率就必須從管道流速入手。但是，諸如靜電和壓力等多種因素決定了管道流速不可能無限制提高，特別是靜電的影響尤為關鍵。因此，研究在預防靜電危害發生的前提下確定安全的流速上限，不僅是提高加注效率的有效途徑，而且反過來又影響著管道內徑大小的設計。為此，從靜電防護的角度出發，分析輸送管道的內徑、長度和管內流速在LNG加注過程中對靜電生成的影響，得出管道內徑和流速的限制條件。通過對國內外關于燃油類產品安全流速的有關規定進行研究分析，提出適合LNG加注需求的輸送管道內徑和流速的約束條件。

1 LNG輸送管道內靜電的形成

影響靜電產生的因素有很多，如物體周圍的溫度和濕度、摩擦力大小、物體的電阻率等。LNG富含甲烷(CH4)，屬于烴類液體，影響其帶電量的因素如下[1]。

1)流速。管道內靜電量與流速的1.75次方成正比。

2)管道內徑和長度。管道內靜電量與管道內徑的0.75次方成正比，且隨著管道長度增加而增加。

3)電導率。實驗證明，電導率在100 pS/m左右的液體，液體最易產生并積累靜電，而LNG的電導率在1～100 pS/m[2]。

4)雜質。實驗證明，少量雜質的存在會顯著增加靜電量，但是過多雜質會不利于電荷的積累。

5)管道工藝。絕緣材料的管道，顯然容易聚積靜電，即使接地也無明顯效果；粗糙的管道內壁，使LNG與管道的接觸面積增大，也易于聚積靜電。

2 基于靜電防護的LNG管道條件限定

導致靜電危險的3個基本進程有①電荷分離；②電荷儲集；③靜電放電。液體流過管道、油類裝入油艙的初始擾動等都會產生液體電荷分離過程；液體電導率低于50 pS/m時被認為是靜電儲集體，實際上，只要電導率足夠低，就會有電荷儲集；過強的靜電場在其周圍電阻突降時，儲集的電荷突發重組，就會產生“電暈”“刷形放電”和“火花”等靜電放電現象。

LNG流通管道就會產生電荷分離，其電導率在1～100 pS/m之間，足夠儲集可能引起靜電危害的電荷，若儲集了足夠的電荷，靜電放電現象又無法絕對避免。考慮LNG液化過程中雜質分離較好，而管道材料和內壁平滑度等工藝也是固定的，因此，可以控制的預防靜電危害的因素只有管道長度、LNG流速以及管道內徑。

2.1 靜電對管道長度的限制

管道長度對靜電的影響，根據文獻[3]中觀點，完全不帶電的液體在管道中流通時，起電和泄放電是同時存在的，初始時由于電荷少，起電快，泄放電慢，隨著管路電荷的增加，起電量和泄放電量趨于平衡，管路中形成穩定的沖擊電流。

該沖擊電流I與管道長度L的近似數學關系滿足

(1)

式中：Js——起電電流密度，在平均流速及一定條件下為常量;

D——管道內徑;

τ——液體的時間常數;

v——液體平均流速。

不同τv下的沖擊電流I與管道長度L的近似關系曲線，見圖1。圖中各量只表示數值關系，不代表實際物理意義。

圖1 不同τv對應的沖擊電流I與管道長度L的近似關系曲線

由沖擊電流I與管長L的數學關系來看，在起電過程中，沖擊電流隨著管道長度以指數形式增加，趨于飽和，且飽和值與管長無關。當L=3τv時，電流可達飽和值的95%，此時的L稱為飽和距離。因此，實際中的管道長度，限于實際距離等條件不可能無限短，當其接近或者超過飽和距離后，沖擊電流趨近飽和，調節靜電量的能力非常有限。

2.2 靜電對管道流速的限制

參照表1、表2目前國際、國內對于各種油類防靜電的標準，LNG的管道流速應該至少應符合以下限制。

表1 國內有關標準關于燃油類產品安全流速的有關規定

表2 國外有關標準關于燃油類產品安全流速的有關規定

1)初始流速低于1 m/s。這主要從以下三方面考慮①液艙開始裝載時，水與油類的混合存在最大的可能性，油水混合物構成最大的潛在靜電來源；②初始的進油口低油速可以將油類進入液艙造成的攪動和激濺降到最低，有助于減少靜電荷的產生；③初始的進油口低油速可以使油霧的形成降到最低，油霧極易儲集電荷，導致可燃性大氣。

2)管徑條件允許時，最大流速低于7 m/s。油船靜電防范的既往操作和經驗表明，只要流速低于7 m/s，潛在的危險發生可能性就極小。雖然也有相當數量的行業文件認為7 m/s的速度只是預防性的限制值，但是實際各種因素復雜，無法精確得到安全的更高流速，因此，出于LNG燃料的安全考慮，在管徑允許的條件下，最大流速不得超過7 m/s的安全經驗流速。

根據以上分析，可以確定LNG加注過程的安全流速控制方案，見圖2。

圖2 LNG加注過程的安全流速控制方案

2.3 靜電對管道內徑設計的影響

設計管道內徑，必須綜合考慮流速和加注LNG的容積速率。容積速率就是單位時間內加注的LNG液體體積。

根據表2中《API2003—1991防止靜電、閃電和雜散電流引燃的措施》《GB12158—1990防止靜電事故通用導則》和《SH/T3108—2000煉油廠全廠性工藝及熱力管道設計規范》規定的流速限制。

鐵路槽車為

v≤0.8/D

(2)

式中：v——流速，m/s；

D——管徑(直徑)，m。

汽車罐車為

v≤0.5/D

(3)

根據表2中《AS1020—1970南澳大利亞靜電規范》對于非導電烴的帶電安全水平的流速限制：

v2≤0.64/D

(4)

LNG液體的容積速率為

V=0.25πD2v

(5)

表3～表5為按式(1)～(4)的約束條件計算200 mm以內的常用管徑在允許最大流速下對應的容積速率。內河船以鄂州的3 100 t散貨船為例，LNG儲罐容器是15 m3，目前國內潛液泵排量最大為20 m3/h，根據表中數據，此3種限制條件下的加注均可以在30 min內完成。

表3 v≤0.8/D時管道流速和容積速率

表4 v≤0.5/D時管道流速和容積速率

表5 v2≤0.64/ D時管道流速和容積速率

為更精確分析3個約束條件對管徑的影響，以D=100 mm，LNG加注容積速率v=100 m3/h為例，此時所需的最小流速vmin=3.54 m/s。定義約束條件下的速度裕量vP=vmax-vmin。vmax為約束條件下的最大速度。速度裕量可以轉化為更高的加注效率或相應的管徑設計范圍。

1)根據式(2)的限制條件v≤0.8/D=8 m/s，取上限v≤7 m/s，速度裕量vP=3.46 m/s。

2)根據式(3)限制條件v≤0.5/D=5 m/s,速度裕量為vP=1.46 m/s。

3)根據式(4)限制條件,v2≤0.64/D=2.53 m/s，速度裕量為vP=1.01 m/s。

因此，在保證安全的前提下，約束條件式(2)可以提供最大的速度裕量，式(3)可以提供較好的速度裕量，式(4)所能提供的速度裕量最少。

根據以上分析，在保證LNG加注容積速率的前提下，對于管徑的設計，必要時可以以犧牲速度裕量來換取更寬廣的設計范圍。在實際設計中，考慮加注躉船LNG儲罐較大，儲罐的形狀和尺寸減弱了靜電場，躉船接受槽車充裝LNG管道的管徑范圍可依據式(2)來設計;而躉船的加注LNG管道的管徑范圍可依據式(3)來設計;在更為嚴格的靜電條件下，可參考式(4)來設計。

至此，對于確定的LNG加注量Vo，則對LNG燃料動力船的加注過程的總時間T可以大致由下式確定。

0.25πD2·v1·t1+

0.25πD2·vmax·(T-t1)=Vo

(4)

式中:t1——1 m/s流速對應的時間;

vmax——最大流速,v1=1 m/s;

D——管徑。