LNG儲(chǔ)罐翻滾機(jī)理分析及預(yù)防

(東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院 黑龍江 大慶 163000)

LNG儲(chǔ)罐翻滾機(jī)理分析及預(yù)防

劉洋

(東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院黑龍江大慶163000)

液化天然氣(LNG)儲(chǔ)存運(yùn)輸過程中常會(huì)出現(xiàn)“翻滾“現(xiàn)象，給生產(chǎn)安全帶來重大威脅。因此，眾多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬方法深入探究“翻滾“現(xiàn)象背后的深層機(jī)理并找出最佳且經(jīng)濟(jì)的防治辦法。而“翻滾“現(xiàn)象發(fā)生前，儲(chǔ)罐LNG首先出現(xiàn)“分層”現(xiàn)象。本文探討了LNG儲(chǔ)罐分層與翻滾現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及其影響因素，深刻認(rèn)識(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG分層與翻滾的動(dòng)態(tài)過程，為L(zhǎng)NG儲(chǔ)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?xì)?Liquefied Natural Gas)是世界重要能源之一，具有熱值高，污染小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于居民燃?xì)?、城市調(diào)峰儲(chǔ)備及眾多工業(yè)領(lǐng)域，給人類生產(chǎn)生活帶來極大便利。LNG在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中主要用到儲(chǔ)罐。LNG儲(chǔ)罐是LNG接收站中的重要設(shè)備之一，具有體積大、建造周期長(zhǎng)、造價(jià)高等特點(diǎn)。在LNG儲(chǔ)罐運(yùn)行操作過程中，須監(jiān)控LNG儲(chǔ)罐內(nèi)LNG溫度、密度分布，及時(shí)發(fā)現(xiàn)LNG分層，避免產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象，防止儲(chǔ)罐損壞。

本文僅探討分析了LNG儲(chǔ)罐中液體發(fā)生分層與翻滾的原因、危害及影響因素，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)安全具有重要意義。

一、分層翻滾現(xiàn)象

LNG是一種以甲烷為主要成分的地溫多組分混合物。儲(chǔ)罐內(nèi)的低溫液體在周圍環(huán)境的影響下，壁面受熱并將熱量不斷的傳入內(nèi)容器中，在受熱情況下，近壁面的液體受熱密度發(fā)生變化形成密度差，在浮升力的作用下熱流體向上運(yùn)動(dòng)，從而在儲(chǔ)罐中形成對(duì)流擾亂儲(chǔ)罐內(nèi)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(duì)LNG儲(chǔ)存的安全性至關(guān)重要。圖1描述了儲(chǔ)罐LNG翻滾時(shí)的液體流動(dòng)及熱量傳遞過程。

圖1 儲(chǔ)罐內(nèi)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(fā)分層

LNG儲(chǔ)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?shù)某溲b方式。在生產(chǎn)中這兩種方式的選擇是根據(jù)其他地方運(yùn)來的LNG液體密度而定，密度較大時(shí)，由罐頂充裝，密度較小時(shí)，由罐底充裝。充裝后的儲(chǔ)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(jìn)而發(fā)生翻滾現(xiàn)象。因此，實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)充裝LNG與罐內(nèi)液體的密度差，合理選擇充裝方式，嚴(yán)格控制液體充裝速度，避免分層現(xiàn)象提早發(fā)生。

2.LNG液體氮的含量引發(fā)分層

由于N2沸點(diǎn)低，隨著罐壁漏熱的影響，優(yōu)先于罐內(nèi)LNG組分蒸發(fā)溢出，因此照成罐內(nèi)LNG液體飽和溫度增大，密度減小。由于不同地區(qū)生產(chǎn)的LNG氮?dú)夂坎煌诨煅b時(shí)，氮?dú)獾恼舭l(fā)速度不同，引發(fā)密度差異，逐漸形成分層現(xiàn)象。

(二)翻滾過程及影響因素

國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)LNG儲(chǔ)罐分層翻滾的深層次機(jī)理做了大量研究，并取得較多成果，如分層演化模型，翻滾預(yù)測(cè)模型等。根據(jù)翻滾預(yù)測(cè)模型，LNG儲(chǔ)罐內(nèi)發(fā)生翻滾現(xiàn)象主要分成以下四個(gè)步驟：

1.儲(chǔ)罐內(nèi)液體處于正常狀態(tài)，LNG未發(fā)生分層，儲(chǔ)罐通過罐底、罐壁從環(huán)境中吸收熱量，LNG氣化成蒸發(fā)氣；

2.儲(chǔ)罐內(nèi)LNG發(fā)生分層，形成上部密度小、下部密度大的兩層結(jié)構(gòu)，上下兩層 LNG各自自然對(duì)流，在分界面處，因上下兩層間穿透對(duì)流和卷流導(dǎo)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(fā)使密度不斷增大，下層密度大的LNG由于氣化的蒸發(fā)氣在靜壓頭的作用下無法釋放，密度不斷減小。經(jīng)過一段時(shí)間，上、下層密度相等，發(fā)生液化氣翻滾；

4.上下兩層混合，蒸發(fā)突增。儲(chǔ)罐上、下兩層密度趨同時(shí)，下層吸熱后而未蒸發(fā)的LNG快速蒸發(fā)，儲(chǔ)罐內(nèi)部出現(xiàn)急劇的對(duì)流，瞬間產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣，形成LNG翻滾現(xiàn)象。如圖1所示。

由上LNG翻滾預(yù)測(cè)模型的幾個(gè)步驟可知，影響翻滾劇烈程度的因素有以下幾點(diǎn)：

1.LNG組分中氮?dú)夂渴怯绊懛瓭L劇烈程度的主要組分。含氮量越高，發(fā)生翻滾的趨勢(shì)越強(qiáng)，瞬間產(chǎn)生的蒸發(fā)氣量越大，對(duì)儲(chǔ)罐的破壞力也越大；

2.初始密度差越大，翻滾發(fā)生的越早，而且翻滾的劇烈程度也越大。根據(jù)前人研究成果可知，存在一個(gè)臨界密度差且翻滾過程中，不同容積的儲(chǔ)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(yù)防措施

LNG分層是引發(fā)翻滾的前提，因此，在實(shí)際操作過程中LNG分層的檢測(cè)至關(guān)重要。實(shí)際操作中，主要采用以下幾種方法檢測(cè)LNG分層情況：

1.溫度監(jiān)控，冷卻處理。在儲(chǔ)罐內(nèi)沿豎向方向每隔1.5m安裝溫度檢測(cè)裝置進(jìn)行溫度監(jiān)控。一般當(dāng)溫差高達(dá)-14℃左右時(shí)，就有可能出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象。這時(shí)應(yīng)立即對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行冷卻處理；

2.密度檢測(cè)，循環(huán)消除。在儲(chǔ)罐內(nèi)沿豎向方向每隔1.5m安裝密度檢測(cè)裝置進(jìn)行密度監(jiān)控。一般密度差達(dá)5kg/m3時(shí)，就有可能發(fā)生翻滾現(xiàn)象。常采用循環(huán)的方法來消除密度差。

3.監(jiān)控蒸發(fā)氣蒸發(fā)率。分層后蒸發(fā)氣的蒸發(fā)率將明顯下降，可采用絕對(duì)壓力檢測(cè)或記錄大氣壓的變化。

一旦發(fā)生翻滾，氣化后的大量天然氣難以及時(shí)通過安全閥排放。為防止發(fā)生事故，增設(shè)放散火炬，回收壓縮系統(tǒng)等，防止LNG蒸發(fā)、翻滾造成儲(chǔ)罐超壓。

四、結(jié)論

通過探討LNG儲(chǔ)罐翻滾現(xiàn)象的深層次原因可知，LNG儲(chǔ)罐翻滾是由于接卸中的LNG密度不同，儲(chǔ)存較長(zhǎng)時(shí)間后引發(fā)分層，隨著熱量的傳遞，產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣所致。

通過探討實(shí)踐中利用溫度檢測(cè)、密度檢測(cè)和蒸發(fā)氣蒸發(fā)率監(jiān)控等分層消除的措施可知，日產(chǎn)生產(chǎn)中通過消除分層來防止翻滾危害發(fā)生最為實(shí)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(fù)雜流體流動(dòng)數(shù)值模擬工作。