淺析LNG儲(chǔ)罐回流管間歇泉現(xiàn)象

許 俊

（合肥燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，安徽 合肥 230075）

淺析LNG儲(chǔ)罐回流管間歇泉現(xiàn)象

許 俊

（合肥燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，安徽 合肥 230075）

通過合肥某燃?xì)夤疽蛔?000m3LNG（液化天然氣）低溫常壓儲(chǔ)罐，在LNG低溫泵預(yù)冷期間回流管和儲(chǔ)罐壓力出現(xiàn)波動(dòng)的間歇泉現(xiàn)象[1]，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和成因分析，并就控制回流管間歇泉噴發(fā)現(xiàn)象的發(fā)生提出控制措施，以供燃?xì)馔袑?duì)照參考。

間歇泉現(xiàn)象；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；成因分析；主要危害；控制措施

1 引言

合肥某燃?xì)夤疽蛔鵏NG儲(chǔ)罐是高19m、水容積為5000m3低溫常壓儲(chǔ)罐，主要由罐體、低溫泵和連接管線等組成。采用的是裸露無保冷的離心式低溫泵，在低溫泵輸送LNG前必須對(duì)泵和回流管線進(jìn)行預(yù)冷至-156℃左右方可啟泵。自投入運(yùn)行以來，發(fā)現(xiàn)每次低溫泵在進(jìn)行低溫預(yù)冷的過程中，會(huì)間歇性地發(fā)生儲(chǔ)罐壓力瞬間上升的現(xiàn)象，據(jù)資料顯示此種現(xiàn)象叫作間歇泉現(xiàn)象。為了進(jìn)一步探究間歇泉成因和規(guī)避其危害，下面將通過一次具體實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證和分析該現(xiàn)象，同時(shí)就控制間歇泉現(xiàn)象的發(fā)生提出一種預(yù)冷工藝改進(jìn)措施。

2 間歇泉現(xiàn)象驗(yàn)證和成因分析

2.1 LNG儲(chǔ)罐系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

為便于敘述，根據(jù)LNG低溫泵預(yù)冷流程，將工藝簡(jiǎn)化成圖1所示，實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)泵后回流管線水平段壓力P1與LNG儲(chǔ)罐壓力P2兩處壓力點(diǎn)，以及泵后預(yù)冷溫度T進(jìn)行在線記錄。

圖1　LNG儲(chǔ)罐簡(jiǎn)化流程圖

2.2 間歇泉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

下面將通過一次具體實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證符合條件的LNG儲(chǔ)罐存在間歇泉現(xiàn)象，具體實(shí)驗(yàn)過程如圖1。第一步：緩慢打開LNG儲(chǔ)罐出液閥，將低溫LNG液體緩慢引入低溫泵，-160℃LNG立即與泵和前后管道進(jìn)行換熱形成BOG氣體，通過回流調(diào)節(jié)閥及時(shí)將BOG排入儲(chǔ)罐中，經(jīng)復(fù)熱器復(fù)熱被壓縮機(jī)增壓輸入城市管網(wǎng)，保持P2穩(wěn)定；第二步：調(diào)大泵后回流閥開度，使儲(chǔ)罐中LNG液體緩慢灌滿低溫泵和管線，T緩慢下降實(shí)現(xiàn)預(yù)冷，直到T降至-156℃左右，此時(shí)P1始終顯示在18kPa左右；第三步：為保持 T在-156℃左右使低溫泵處于低溫待啟動(dòng)狀態(tài)，全開回流閥，使得回流管線豎直段 LNG液面和儲(chǔ)罐中LNG液面齊平。

圖2　間歇泉現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)過程參數(shù)曲線

如圖2所示：前面三步結(jié)束約50分鐘之后，P1開始逐漸上升至35kPa后又迅速降至20kPa左右，此過程P2和T基本不變；隨即P1又開始逐漸上升至120kPa左右陡然降回17kPa，這時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)發(fā)生第一次噴發(fā)閃蒸現(xiàn)象，P2明顯上升約1.5kPa，T在P1噴射前緩慢上升約2℃、噴發(fā)后又快速下降至-156℃，整個(gè)過程周期約11分鐘。之后連續(xù)重復(fù)上述間歇噴發(fā)過程現(xiàn)象，直到LNG低溫泵啟動(dòng)運(yùn)行。由此可驗(yàn)證該LNG儲(chǔ)罐在低溫泵預(yù)冷過程后期的確存在間歇泉噴發(fā)現(xiàn)象。

2.3 間歇泉成因分析

結(jié)合該LNG儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)管道設(shè)計(jì)安裝現(xiàn)狀，以圖1 LNG儲(chǔ)罐簡(jiǎn)化流程進(jìn)行間歇泉噴發(fā)現(xiàn)象的成因分析。由于現(xiàn)場(chǎng)低溫泵回流管線水平段較長，儲(chǔ)罐液位較高，管道保溫不良等因素作用下，在低溫泵預(yù)冷后期，當(dāng)泵后回流管線中充滿較高液位的LNG低溫液體時(shí)，管內(nèi)LNG受熱蒸發(fā)成BOG(蒸發(fā)氣體)無法及時(shí)上升到液面以上，便在回流水平管內(nèi)聚集，推動(dòng)水平管內(nèi)LNG液體液面升高。當(dāng)聚集的BOG氣體不足，無法克服回流豎直管 LNG液柱高度產(chǎn)生的壓力時(shí)，不會(huì)發(fā)生LNG噴發(fā)現(xiàn)象；隨著溫度T不斷升高，BOG氣體聚集增多、密度減小，使得BOG氣體產(chǎn)生的浮力足以克服豎直管內(nèi)LNG液柱高度產(chǎn)生壓力時(shí)[2]，BOG氣體會(huì)上升并和回流管內(nèi)溫度較低的LNG液體大量換熱，同時(shí)將LNG推至儲(chǔ)罐噴發(fā)閃蒸，產(chǎn)生大量氣體，共同造成LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐壓力P2迅速上升，與此同時(shí)P1迅速下降，回流管內(nèi)被儲(chǔ)罐內(nèi)新的LNG液體灌滿，使得T溫度迅速下降。重新進(jìn)入下一次間歇泉的形成、噴發(fā)過程。由此可見，間歇泉的形成主要由以下三個(gè)因素共同作用所致：（1）裸露的低溫泵和保溫不良的回流管道，使得LNG液體受熱蒸發(fā)成BOG氣體；（2）較長的水平回流管線為BOG氣體大量聚集提供空間，水平管線越長噴發(fā)現(xiàn)象越嚴(yán)重；（3）較高的LNG液位產(chǎn)生的液柱壓力使得BOG氣體不能及時(shí)上升到液面以上，被壓縮機(jī)及時(shí)抽走，液位越高噴發(fā)導(dǎo)致的參數(shù)變化幅度越大。

3 間歇泉現(xiàn)象的危害

根據(jù)間歇泉噴發(fā)實(shí)驗(yàn)過程可知，其形成和噴發(fā)是自發(fā)的，完全不受人為控制，其至少造成如下兩方面危害。一是儲(chǔ)罐的壓力驟然上升，引起安全聯(lián)鎖動(dòng)作或安全閥開啟放散，嚴(yán)重的可能造成儲(chǔ)罐內(nèi)罐超壓破裂，產(chǎn)生設(shè)備和人身安全事故；二是儲(chǔ)罐系統(tǒng)被周期性的減壓和增壓，對(duì)低溫管道和閥門將造成周期性疲勞，以致?lián)p壞泄漏，同時(shí)也造成BOG壓縮機(jī)進(jìn)口壓力的波動(dòng)等危害。

4 間歇泉現(xiàn)象控制措施

間歇泉現(xiàn)象存在諸多危害，根據(jù)成因分析，可從兩個(gè)方面進(jìn)行控制。一方面是抑制BOG氣體的產(chǎn)生和聚集，通過強(qiáng)化管道保溫、縮短回流水平管線的長度等措施進(jìn)行控制。另一方面在管道受熱產(chǎn)生BOG氣體后，只要及時(shí)導(dǎo)出管道內(nèi)產(chǎn)生的BOG氣體，就能防止間歇泉的發(fā)生。前者受到設(shè)計(jì)、保溫材料等限制，實(shí)施難度較大；經(jīng)過具體運(yùn)行實(shí)踐，后者通過預(yù)冷工藝的改進(jìn)，可有效控制間歇泉的生成。具體如圖 3所示：

圖3　LNG長距離預(yù)冷工藝流程圖

按照及時(shí)導(dǎo)出BOG氣體的思路，將LNG低溫泵預(yù)冷分為兩個(gè)階段，第一階段是儲(chǔ)罐區(qū)低溫泵和管線的預(yù)冷，直到回流調(diào)節(jié)閥全開，回流管線LNG液面和儲(chǔ)罐液面齊平；第二階段是儲(chǔ)罐區(qū)至裝卸臺(tái)輸液管線的預(yù)冷，如圖3，打開泵后出液閥，利用回流管線內(nèi)液柱壓力，將管內(nèi)低溫LNG液體和部分BOG氣體壓送至輸液管線，通過裝卸臺(tái)氣相壓力調(diào)節(jié)閥控制預(yù)冷速度。低溫泵回流水平管線和輸液管線中預(yù)冷產(chǎn)生的BOG氣體均通過裝卸臺(tái)氣相管線，被BOG壓縮機(jī)加壓回收。值得注意的是預(yù)冷過程中要嚴(yán)格監(jiān)控裝卸臺(tái)溫度，一般保持-120℃左右，過低可能導(dǎo)致LNG液體竄入氣相管線，使得LNG儲(chǔ)罐BOG回收系統(tǒng)阻塞。通過這一控制措施，LNG儲(chǔ)罐間歇泉現(xiàn)象被有效遏制，如圖4所示，對(duì)比圖2，泵后回流管線壓力因BOG氣體很難大量聚集波動(dòng)明顯較弱，泵后溫度波動(dòng)幅度也顯著減弱，最重要的是回流管線不再噴發(fā)，LNG儲(chǔ)罐壓力不再波動(dòng)，大大保證了儲(chǔ)罐的安全。

圖4　預(yù)冷工藝改進(jìn)后的預(yù)冷過程參數(shù)曲線

5 結(jié)語

隨著清潔能源LNG不斷推廣使用，LNG儲(chǔ)罐容量越來越大，LNG的儲(chǔ)運(yùn)安全是一個(gè)不容的問題。本文通過對(duì)間歇泉噴發(fā)現(xiàn)象探究和所采取的控制措施，為在建和新建LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、安裝提供的一定的參考。為現(xiàn)有的同類型LNG儲(chǔ)罐和預(yù)冷工藝，在防止間歇泉現(xiàn)象方面提供了一種有效控制措施，以供借鑒。

[1] 顧安忠,魯雪生,汪榮順,等.液化天然氣技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[2] 孔瓏.工程流體力學(xué)[M].北京:中國電力出版社,2014.

Analysis on the phenomenon of the intermittent spring of the LNG storage tank

By a Gas Co in Hefei, a 5000m3LNG (liquefied natural gas) in low temperature atmospheric storage tank, LNG low temperature precooling pump during reflux pipe and tank pressure fluctuation geysering phenomenon [1], carried out experiments and analysis of causes, and control the reflux tube geyser eruption phenomenon puts forward the control measures to gas for peer reference.

Intermittent spring phenomenon; experimental verification; cause analysis; main harm; control measures

TE626

A

1008-1151(2016)09-0048-02

2016-08-13

許俊（1985－），男，安徽合肥人，合肥燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司助理工程師，從事LNG液化生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)。