LNG儲罐翻滾機理分析及預防

(東北石油大學石油工程學院 黑龍江 大慶 163000)

LNG儲罐翻滾機理分析及預防

劉洋

(東北石油大學石油工程學院黑龍江大慶163000)

液化天然氣(LNG)儲存運輸過程中常會出現“翻滾“現象，給生產安全帶來重大威脅。因此，眾多學者通過實驗或數值模擬方法深入探究“翻滾“現象背后的深層機理并找出最佳且經濟的防治辦法。而“翻滾“現象發生前，儲罐LNG首先出現“分層”現象。本文探討了LNG儲罐分層與翻滾現象產生的原因及其影響因素，深刻認識儲罐內LNG分層與翻滾的動態過程，為LNG儲罐翻滾的防治提供思路。

液化天然氣(LNG)；翻滾；分層；影響因素

引言

液化天燃氣(Liquefied Natural Gas)是世界重要能源之一，具有熱值高，污染小等特點，廣泛應用于居民燃氣、城市調峰儲備及眾多工業領域，給人類生產生活帶來極大便利。LNG在儲存和運輸過程中主要用到儲罐。LNG儲罐是LNG接收站中的重要設備之一，具有體積大、建造周期長、造價高等特點。在LNG儲罐運行操作過程中，須監控LNG儲罐內LNG溫度、密度分布，及時發現LNG分層，避免產生翻滾現象，防止儲罐損壞。

本文僅探討分析了LNG儲罐中液體發生分層與翻滾的原因、危害及影響因素，對實際生產安全具有重要意義。

一、分層翻滾現象

LNG是一種以甲烷為主要成分的地溫多組分混合物。儲罐內的低溫液體在周圍環境的影響下，壁面受熱并將熱量不斷的傳入內容器中，在受熱情況下，近壁面的液體受熱密度發生變化形成密度差，在浮升力的作用下熱流體向上運動，從而在儲罐中形成對流擾亂儲罐內原有的平衡形成熱分層，翻滾翻身的前提就是分層的存在，所以分層和翻滾對LNG儲存的安全性至關重要。圖1描述了儲罐LNG翻滾時的液體流動及熱量傳遞過程。

圖1 儲罐內LNG分層翻滾示意圖

二、分層翻滾原因分析

(一)分層原因

1.LNG液體充裝引發分層

LNG儲罐的充裝方式有多種，常用的卻只有兩種，即通過罐底或罐頂的充裝方式。在生產中這兩種方式的選擇是根據其他地方運來的LNG液體密度而定，密度較大時，由罐頂充裝，密度較小時，由罐底充裝。充裝后的儲罐由于新老LNG密度差異，以分層形式共存，隨之罐壁漏熱的影響，熱量不斷傳遞，進而發生翻滾現象。因此，實際生產中，根據充裝LNG與罐內液體的密度差，合理選擇充裝方式，嚴格控制液體充裝速度，避免分層現象提早發生。

2.LNG液體氮的含量引發分層

由于N2沸點低，隨著罐壁漏熱的影響，優先于罐內LNG組分蒸發溢出，因此照成罐內LNG液體飽和溫度增大，密度減小。由于不同地區生產的LNG氮氣含量不同，在混裝時，氮氣的蒸發速度不同，引發密度差異，逐漸形成分層現象。

(二)翻滾過程及影響因素

國內外科研人員對LNG儲罐分層翻滾的深層次機理做了大量研究，并取得較多成果，如分層演化模型，翻滾預測模型等。根據翻滾預測模型，LNG儲罐內發生翻滾現象主要分成以下四個步驟：

1.儲罐內液體處于正常狀態，LNG未發生分層，儲罐通過罐底、罐壁從環境中吸收熱量，LNG氣化成蒸發氣；

2.儲罐內LNG發生分層，形成上部密度小、下部密度大的兩層結構，上下兩層 LNG各自自然對流，在分界面處，因上下兩層間穿透對流和卷流導致界面向上或向下遷移；

3.上下層液體密度趨同。上層密度輕的LNG由于輕組分的正常蒸發使密度不斷增大，下層密度大的LNG由于氣化的蒸發氣在靜壓頭的作用下無法釋放，密度不斷減小。經過一段時間，上、下層密度相等，發生液化氣翻滾；

4.上下兩層混合，蒸發突增。儲罐上、下兩層密度趨同時，下層吸熱后而未蒸發的LNG快速蒸發，儲罐內部出現急劇的對流，瞬間產生大量的蒸發氣，形成LNG翻滾現象。如圖1所示。

由上LNG翻滾預測模型的幾個步驟可知，影響翻滾劇烈程度的因素有以下幾點：

1.LNG組分中氮氣含量是影響翻滾劇烈程度的主要組分。含氮量越高，發生翻滾的趨勢越強，瞬間產生的蒸發氣量越大，對儲罐的破壞力也越大；

2.初始密度差越大，翻滾發生的越早，而且翻滾的劇烈程度也越大。根據前人研究成果可知，存在一個臨界密度差且翻滾過程中，不同容積的儲罐密度的變化幅度隨著初始密度差的增大而增大。

三、消除分層及翻滾預防措施

LNG分層是引發翻滾的前提，因此，在實際操作過程中LNG分層的檢測至關重要。實際操作中，主要采用以下幾種方法檢測LNG分層情況：

1.溫度監控，冷卻處理。在儲罐內沿豎向方向每隔1.5m安裝溫度檢測裝置進行溫度監控。一般當溫差高達-14℃左右時，就有可能出現翻滾現象。這時應立即對儲罐進行冷卻處理；

2.密度檢測，循環消除。在儲罐內沿豎向方向每隔1.5m安裝密度檢測裝置進行密度監控。一般密度差達5kg/m3時，就有可能發生翻滾現象。常采用循環的方法來消除密度差。

3.監控蒸發氣蒸發率。分層后蒸發氣的蒸發率將明顯下降，可采用絕對壓力檢測或記錄大氣壓的變化。

一旦發生翻滾，氣化后的大量天然氣難以及時通過安全閥排放。為防止發生事故，增設放散火炬，回收壓縮系統等，防止LNG蒸發、翻滾造成儲罐超壓。

四、結論

通過探討LNG儲罐翻滾現象的深層次原因可知，LNG儲罐翻滾是由于接卸中的LNG密度不同，儲存較長時間后引發分層，隨著熱量的傳遞，產生大量的蒸發氣所致。

通過探討實踐中利用溫度檢測、密度檢測和蒸發氣蒸發率監控等分層消除的措施可知，日產生產中通過消除分層來防止翻滾危害發生最為實際。

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劉洋(1991-)，男，漢族，河南信陽人，在讀研究生，主要從事復雜流體流動數值模擬工作。