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(jiǎn)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(guó)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(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性的新型清潔能源，在我國(guó)及世界范圍內(nèi)應(yīng)用越來(lái)越廣。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)LNG的發(fā)展更是突飛猛進(jìn)，天然氣消費(fèi)高速增長(zhǎng)，而國(guó)產(chǎn)氣和管道氣增長(zhǎng)受限，亟需提升LNG進(jìn)口規(guī)模；同時(shí)，由于近兩年天然氣氣荒，國(guó)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(guó)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(gè)新型領(lǐng)域。

截止2019年6月，國(guó)內(nèi)已建成投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)LNG接收站20座，擬建或在建項(xiàng)目25座，分布在沿海11個(gè)省級(jí)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(xiàng)目59座。

巨大的市場(chǎng)前景使得LNG工藝設(shè)備技術(shù)以及生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)技術(shù)得以深入研究和發(fā)展。本文對(duì)LNG儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)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(huì)造成的損失和危害，從而有的放矢，采取設(shè)計(jì)、建造及生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)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(fèi)和事故的發(fā)生[1]。

LNG 儲(chǔ)罐是LNG 接收站的核心設(shè)備也是LNG 儲(chǔ)存的主要設(shè)備。LNG 老化以及新舊LNG 混裝會(huì)引發(fā)諸多問(wèn)題，如LNG 儲(chǔ)罐中的蒸發(fā)、分層、翻滾問(wèn)題。本文以大型LNG 儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，著手于LNG儲(chǔ)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(shí)長(zhǎng)等對(duì)分層的影響，從而判斷翻滾發(fā)生的可能性，并對(duì)LNG 儲(chǔ)罐的安全存儲(chǔ)及合理接卸提出建設(shè)性建議。

1 大型LNG儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備中翻滾現(xiàn)象的分析

翻滾是指在儲(chǔ)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(gè)前提條件是分層，即在儲(chǔ)罐或船艙中，不同密度的LNG產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)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(chǔ)罐LNG的密度與儲(chǔ)罐內(nèi)剩余LNG的密度不同時(shí)，就會(huì)暫時(shí)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(guò)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(huì)劇增，出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象，導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力急劇增加。

無(wú)論儲(chǔ)罐內(nèi)是均勻混合的LNG還是單一來(lái)源的LNG都會(huì)分層，滲入LNG的熱量推動(dòng)自然對(duì)流，形成自然循環(huán)。溫度相對(duì)較高的LNG沿著罐壁往上流動(dòng)，穿過(guò)液面，吸收熱量氣化，形成蒸汽；溫度相對(duì)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(duì)流，并通過(guò)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(duì)流無(wú)法穿過(guò)上面一層LNG到達(dá)液面，底部的LNG就會(huì)形成單獨(dú)的對(duì)流格局。吸收了罐壁和罐底滲透熱的較重的LNG無(wú)法流動(dòng)到液面通過(guò)蒸發(fā)釋放熱量，造成底部LNG的熱量?jī)?chǔ)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(wú)法達(dá)到大致相等，那么就會(huì)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(shí)，底部LNG就會(huì)上升，經(jīng)過(guò)傳質(zhì)，下部LNG上升到上部，壓力減小，成為過(guò)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(shí)際上是一種劇烈蒸發(fā)的過(guò)程。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象時(shí)，由于上層LNG靜壓的抑制作用，使得外界傳入的熱量無(wú)法使下層的LNG及時(shí)蒸發(fā)，造成下層LNG處于過(guò)飽和狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)上層的LNG密度大于下層時(shí)，下層LNG突然上升，導(dǎo)致迅速蒸發(fā)。

翻滾從現(xiàn)象來(lái)看分成兩類：LNG儲(chǔ)罐在長(zhǎng)期儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)間(幾小時(shí)甚至幾十天)后，突然產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象。

2 針對(duì)翻滾現(xiàn)象的對(duì)策與預(yù)防措施

根據(jù)翻滾產(chǎn)生的機(jī)理，通常是將來(lái)源不同、密度不同的LNG分別儲(chǔ)存于不同的儲(chǔ)罐中。在同一儲(chǔ)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(lái)說(shuō)，可以采取以下幾種方式方法來(lái)對(duì)分層翻滾加以預(yù)防：

2.1 分別存儲(chǔ)

對(duì)于不同密度、不同組分和不同溫度狀態(tài)下的LNG，最簡(jiǎn)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(chǔ)，存儲(chǔ)的量較小，適用于靈活調(diào)整。對(duì)于16萬(wàn)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(chǔ)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(duì)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(chǔ)罐內(nèi)已有物料，則適合采用頂部進(jìn)料方式。相對(duì)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(gè)缺陷，進(jìn)料的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的閃蒸氣體，會(huì)引起罐壓上升，所以在裝卸過(guò)程中，需要對(duì)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(shí)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(chǔ)罐底部的進(jìn)料管線，對(duì)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(shí)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(chǔ)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(shí)，可能會(huì)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(shí)，采用啟動(dòng)儲(chǔ)罐LNG循環(huán)泵進(jìn)行外力擾動(dòng)，消除儲(chǔ)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(duì)罐內(nèi)的液體的溫度、壓力和密度進(jìn)行適時(shí)測(cè)量，并通過(guò)軟件計(jì)算，從而判斷是否產(chǎn)生分層現(xiàn)象。

LNG翻滾預(yù)測(cè)軟件應(yīng)與罐內(nèi)部的溫度和密度測(cè)量設(shè)備相結(jié)合，并實(shí)時(shí)多點(diǎn)記錄，預(yù)測(cè)和更新可能出現(xiàn)的分層現(xiàn)象。越來(lái)越多的預(yù)測(cè)模型把儲(chǔ)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(guò)測(cè)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(shí)別分層，預(yù)測(cè)翻滾時(shí)間，評(píng)估翻滾影響（包括最大罐壓和氣體產(chǎn)生量等）。一旦監(jiān)測(cè)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(jì)、建造期加以預(yù)防

選擇先進(jìn)的工藝技術(shù)和LNG儲(chǔ)罐建造技術(shù)，對(duì)不同品質(zhì)的LNG進(jìn)行模擬計(jì)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(gè)不同位置的進(jìn)料口，設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)力較強(qiáng)的施工隊(duì)伍，做好LNG儲(chǔ)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(yǔ)

翻滾過(guò)程是一種層間強(qiáng)烈混合過(guò)程，伴隨著翻滾的進(jìn)行，整個(gè)儲(chǔ)罐內(nèi)的流場(chǎng)，密度都會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。通過(guò)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(dòng)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(chǔ)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(shí)間越長(zhǎng)；

實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中，應(yīng)合理安排LNG船舶向大型LNG儲(chǔ)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(chǔ)罐儲(chǔ)存LNG時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，以免發(fā)生分層；對(duì)于不同密度的LNG需要混裝時(shí)，應(yīng)將密度較大的LNG儲(chǔ)存于下方；生產(chǎn)中盡量避免多分層的出現(xiàn)，通過(guò)軟件監(jiān)測(cè)，隨時(shí)掌握罐內(nèi)液面分層狀態(tài)，必要時(shí)通過(guò)外力驅(qū)動(dòng)循環(huán)，對(duì)分層狀態(tài)加以擾動(dòng)，從而破壞翻滾發(fā)生的條件[5]。