大型LNG儲(chǔ)罐高液位運(yùn)行安全分析與管理研究

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100028)

1 研究背景

LNG儲(chǔ)罐是LNG接收站內(nèi)投資最大的核心單體設(shè)備，其穩(wěn)定、安全運(yùn)行是整個(gè)接收站正常運(yùn)行乃至地方能源安全保障的重要前提。然而，某LNG項(xiàng)目儲(chǔ)罐液位高度過去2個(gè)月中絕大多數(shù)時(shí)間都在30m以上的高液位狀態(tài)下運(yùn)行(見圖1)，近一個(gè)月更是持續(xù)運(yùn)行在高液位，在9月初更是創(chuàng)造了33.16m的最高液位，距離高液位報(bào)警33.85m只有0.69m的高差，距離34.07m的高高液位報(bào)警聯(lián)鎖關(guān)斷只有不到1m的高度差。

LNG儲(chǔ)罐液位持續(xù)，長期高液位運(yùn)行提高了安全隱患發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，例如液位誤報(bào)警、儲(chǔ)罐超壓、翻滾事故等[1-4]。本文結(jié)合我國項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)營情況對(duì)LNG儲(chǔ)罐高液位運(yùn)行可能存在的安全隱患進(jìn)行了多方面分析并提出儲(chǔ)罐高液位運(yùn)行工況的建議。

圖1 某項(xiàng)目LNG儲(chǔ)罐2個(gè)月儲(chǔ)罐液位

2 高液位運(yùn)行安全分析

2.1 高液位運(yùn)行更容易出現(xiàn)分層引發(fā)翻滾風(fēng)險(xiǎn)

翻滾是液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)中出現(xiàn)的一種危害較大的事故，LNG儲(chǔ)罐持續(xù)高液位運(yùn)行提升了發(fā)生罐內(nèi)液體"翻滾"的后果且增加翻滾發(fā)生的概率。液化天然氣翻滾產(chǎn)生的主要原因是罐內(nèi)液體分層[5-6]。儲(chǔ)罐長期高液位運(yùn)行，壁面及罐底吸熱量較大，容易造成沿儲(chǔ)罐高度方向密度差，出現(xiàn)分層而導(dǎo)致翻滾；且高液位運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)罐往往要容納兩個(gè)甚至多個(gè)氣源地的LNG，也容易發(fā)生分層導(dǎo)致翻滾。翻滾一旦發(fā)生，儲(chǔ)罐將在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣(BOG)，其BOG蒸發(fā)量為正常情況下的100多倍[7-11]，可能使儲(chǔ)罐超壓而損壞，而蒸發(fā)量有時(shí)罐內(nèi)液量的函數(shù)，將會(huì)造成更大的的經(jīng)濟(jì)損失。

儲(chǔ)罐液位較高時(shí)對(duì)翻滾的產(chǎn)生有三方面影響：

(1)高液位運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)罐可能會(huì)容納更多的幾種不同組分和密度的LNG，且高液位時(shí)罐內(nèi)泵循環(huán)混合LNG的效果有限，造成儲(chǔ)罐內(nèi)LNG分層且上下兩層更易形成獨(dú)立的循環(huán)。

(2)液位較高時(shí)，上下層中間的分界層向下移動(dòng)的空間較大，容易形成較大的翻滾事故。

(3)高液位運(yùn)行，使LNG沿高度方向受熱面積大，造成上層蒸發(fā)更加劇烈，下層熱量積聚更加迅速，加劇了由分層到翻滾的過程；一旦發(fā)生翻滾下層釋放的熱量產(chǎn)生的蒸發(fā)氣量將十分巨大，導(dǎo)致儲(chǔ)罐和接收站產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)。

國外LNG項(xiàng)目運(yùn)維歷史中，發(fā)生多起"翻滾"事故案例：1971年意大利Le Spezia，SNAM的LNG終端接收站S-1儲(chǔ)罐內(nèi)裝有有兩種密度的LNG，處于中高液位。在為時(shí)1.25h的翻滾中，有136.2噸的LNG氣化后從儲(chǔ)罐中泄放出來，高峰期的蒸發(fā)率是正常時(shí)的100多倍，儲(chǔ)罐壓力超過設(shè)計(jì)壓力；1993年英國曼徹斯特Partington的LNG調(diào)峰站的儲(chǔ)罐在充裝前存液17266t，已經(jīng)處于中高液位。充裝后68t儲(chǔ)罐發(fā)生翻滾。卸料后初始58t，共有160t的LNG蒸發(fā)，而在兩小時(shí)的翻滾中，由于儲(chǔ)罐壓力的快速上升，有150t的LNG被排放到大氣中。

綜合分析這歷史事故，雖然導(dǎo)致翻滾的直接因素是操作不當(dāng)，使高密度液體位于罐底的分層，但不可忽視的是LNG高液位將會(huì)增加翻滾產(chǎn)生BOG的量，且在LNG液位較高的儲(chǔ)罐更容易出現(xiàn)翻滾情況

2.2 接收站氣相系統(tǒng)容易超壓

儲(chǔ)罐高液位運(yùn)行，造成儲(chǔ)罐氣相空間偏小，整個(gè)系統(tǒng)BOG容納能力降低。且高液位運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣(BOG)量較低液位時(shí)大(罐壁漏熱產(chǎn)生的BOG量占整個(gè)儲(chǔ)罐吸熱產(chǎn)生BOG量的40%，高液位時(shí)儲(chǔ)罐吸熱產(chǎn)生的BOG量比低液位時(shí)高約30%～40%)。因此高液位運(yùn)行下；一方面，BOG產(chǎn)生量因熱輸入的增加而增大；另一方面，儲(chǔ)罐的BOG的氣相空間有限，接收站氣相系統(tǒng)的緩沖能力嚴(yán)重不足。

基于HYSYS軟件搭建某接收站4座16萬m3LNG儲(chǔ)罐的動(dòng)態(tài)仿真模型，模擬13200m3/h卸料速率下依次進(jìn)行4座儲(chǔ)罐的卸料操作，同時(shí)以14.7t/h的BOG系統(tǒng)處理能力處理期間產(chǎn)生的BOG，監(jiān)測(cè)期間主要工藝數(shù)據(jù)，例如，4座LNG儲(chǔ)罐壓力、液位高度、BOG壓縮機(jī)處理能力等工藝參數(shù)可知。在進(jìn)行1-3座儲(chǔ)罐卸料操作時(shí)，儲(chǔ)罐氣相空間起到很好的緩沖作用，但在第四座儲(chǔ)罐的卸料時(shí)，系統(tǒng)的壓力逼近接收站系統(tǒng)的泄放壓力。

圖2 四座罐接替卸料監(jiān)測(cè)圖

從圖2中各做儲(chǔ)罐的壓力曲線與各儲(chǔ)罐的液位高度可知，全速卸料期間，整個(gè)系統(tǒng)的BOG產(chǎn)生量增加，參與卸料儲(chǔ)罐的壓力明顯高于其他儲(chǔ)罐，尤其是卸料剛開始時(shí)，BOG產(chǎn)生量達(dá)到峰值。當(dāng)接收站儲(chǔ)存系統(tǒng)LNG液位低時(shí)，對(duì)于BOG產(chǎn)生的峰值波動(dòng)有一定的緩沖能力，也減少了BOG壓縮機(jī)的負(fù)擔(dān)；但當(dāng)接收站儲(chǔ)存系統(tǒng)LNG液位高時(shí)，其氣相空間大大減小，緩沖功能減弱，增加了BOG處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，在卸船等BOG產(chǎn)生量波動(dòng)較大的工況下，容易發(fā)生超壓事故。

3 高液位運(yùn)行管理

3.1 密度控制

每座LNG儲(chǔ)罐均設(shè)有LTD連續(xù)監(jiān)測(cè)儀表，用于連續(xù)監(jiān)測(cè)儀表主要協(xié)助操作人員確定儲(chǔ)罐內(nèi)部的分層情況。以某16萬方LNG儲(chǔ)罐為例，在LTD測(cè)量液位范圍中的相鄰測(cè)點(diǎn)最大溫差超過0.3℃或最大密度差超過0.8 kg/m3，操作人員應(yīng)當(dāng)對(duì)儲(chǔ)罐中的LNG進(jìn)行消除分層的操作。

我國部分接收站LNG儲(chǔ)罐LTD檢測(cè)系統(tǒng)僅具備檢測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能，缺少分層報(bào)警的設(shè)計(jì)考慮。此類型的分層檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)LNG接收站工藝操作的"新人"來講尤為重要，現(xiàn)場(chǎng)操作"新人"難以快速采取合適的措施，增加了此風(fēng)險(xiǎn)的后果。增加LNG分層報(bào)警，可更好的進(jìn)行儲(chǔ)罐LNG分層的控制，有利于LNG儲(chǔ)罐尤其是在高液位情況下的風(fēng)險(xiǎn)管理。

3.2 監(jiān)測(cè)控制

持續(xù)高液位運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)罐液位容易在數(shù)分鐘之內(nèi)觸發(fā)高報(bào)警和高高報(bào)警(一般接收站項(xiàng)目液位由高報(bào)警至高高報(bào)警為5min)。LNG儲(chǔ)罐液位的設(shè)定由低到高共分為六級(jí)，其中與高液位有關(guān)的設(shè)定一般有如下三層：

(1)最大操作液位(LAH)的設(shè)定是為在LAL的基礎(chǔ)上考慮儲(chǔ)罐的凈容積進(jìn)行設(shè)定，滿足儲(chǔ)罐罐容的設(shè)計(jì)要求。

(2)進(jìn)料關(guān)停液位(LAHH)：綜合考慮儲(chǔ)罐罐頂進(jìn)料閥門關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間和操作人員響應(yīng)時(shí)間，LAHH為在LAH的基礎(chǔ)上考慮進(jìn)行一定時(shí)間(一般項(xiàng)目設(shè)計(jì)為5或15min)的最大進(jìn)料后，儲(chǔ)罐上升的液位。由于儲(chǔ)罐過充會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，嚴(yán)重還會(huì)造成LNG溢出，所以該信號(hào)通常接入ESD系統(tǒng)。

(3)最大設(shè)計(jì)液位(LAHHH)：綜合考慮儲(chǔ)罐罐頂進(jìn)料閥門關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間，LAHHH為在LAHH的基礎(chǔ)上考慮進(jìn)行一定時(shí)間(一般為5或15min)的最大進(jìn)料后，儲(chǔ)罐上升的液位。

除了以上的液位設(shè)定外，通常在LAHHH之上還應(yīng)保證一定安全高度， EN14620中最小安全超高為300mm[12]。LNG儲(chǔ)罐液位高度報(bào)警示意圖見圖3。

圖3 LNG儲(chǔ)罐液位高度報(bào)警示意圖

在全速卸料的情況下，16萬m3LNG儲(chǔ)罐的液位每小時(shí)升高2m，如卸料期間的液相波動(dòng)或ESDV閥門關(guān)閉中出現(xiàn)嚴(yán)重的卡死問題，則操作人員對(duì)液位報(bào)警的反應(yīng)時(shí)間大大縮短，難以避免儲(chǔ)罐卸料過量的問題。

4 結(jié)論

通過以上分析，儲(chǔ)罐液位操作建議如下：

(1)LNG儲(chǔ)罐應(yīng)盡量避免長期連續(xù)運(yùn)行在高液位工況，以減少上述提及的安全隱患，保證接收站運(yùn)行的本質(zhì)安全。

(2)儲(chǔ)罐高液位運(yùn)行時(shí)要通過LTD嚴(yán)格監(jiān)控罐內(nèi)密度及溫度查，防范罐內(nèi)液體產(chǎn)生分層，避免罐內(nèi)液體形成翻滾的條件。建議避免將具有顯著密度差異的LNG存放在同一儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存；如監(jiān)測(cè)到的分層情況，應(yīng)及時(shí)采取泵循環(huán)的操作，盡快消除分層現(xiàn)象；如可行，建議增加LNG分層報(bào)警。

(3)儲(chǔ)罐高液位運(yùn)行時(shí)，操作人員應(yīng)尤其注意監(jiān)控液位高報(bào)警，在信息溝通和人員配置上應(yīng)保持快速響應(yīng)的狀態(tài)，在基于將不同密度LNG分罐儲(chǔ)罐的方案或密度差異允許的情況下，優(yōu)先考慮下進(jìn)料的操作方案。

(4)當(dāng)卸船量較大時(shí)，要保證儲(chǔ)罐留有合適的氣相空間，建議盡量在卸料前降低接收站氣相系統(tǒng)壓力；卸料期間將LNG平均分配到各個(gè)儲(chǔ)罐儲(chǔ)罐中，避免單個(gè)儲(chǔ)罐液位過高的情況。