LPG低溫常壓儲罐內(nèi)物料翻滾的原因及措施

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(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

近幾十年來，低溫常壓儲存在國內(nèi)蓬勃發(fā)展，我國沿海新建了很多液化天然氣(LNG)、丙烷、丙烯和液化石油氣(LPG)的低溫常壓儲罐。其中LNG的低溫常壓儲罐在全世界范圍內(nèi)已有較為廣泛和成熟地應(yīng)用，也有相當(dāng)多針對LNG低溫儲存的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。近年來，隨著丙烷脫氫等新工藝的興起，在我國沿海區(qū)域，進(jìn)口丙烷、液化石油氣等進(jìn)一步增多，大大增加了對丙烷、液化石油氣等低溫儲存的需求。丙烷、LPG等的物理化學(xué)性質(zhì)與LNG相比雖相似，但也有不同之處。目前尚無廣泛使用的專門針對丙烷、LPG等低溫儲存設(shè)計和建造的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

對LNG低溫常壓儲罐的超壓防護(hù)中，往往都要考慮儲罐內(nèi)LNG的翻滾導(dǎo)致的瞬間壓力升高工況[1]。為了防止翻滾的發(fā)生，LNG低溫常壓儲罐往往設(shè)置密度監(jiān)測系統(tǒng)或溫度-液位聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)，對儲罐內(nèi)液體不同高度的密度或溫度進(jìn)行監(jiān)測。世界知名的儲罐儀表供貨廠家也相應(yīng)提供了LNG的防翻滾預(yù)測軟件。在LNG低溫常壓儲存領(lǐng)域，防翻滾系統(tǒng)的設(shè)置已經(jīng)成為了一種標(biāo)準(zhǔn)配置。

對于液化石油氣、丙烷、丙烯、混合碳四等物料的低溫、常壓儲存，盡管是國際知名的儲罐儀表供貨廠家，也沒有針對這些物料的低溫儲存開發(fā)防翻滾預(yù)測軟件。因此，業(yè)內(nèi)有一些觀點認(rèn)為液化石油氣、丙烷、丙烯、混合碳四等物料不存在翻滾工況。

以下將從翻滾產(chǎn)生的過程開始分析，探討翻滾發(fā)生的根源，證明液化石油氣、丙烷、丙烯、混合碳四等物料的低溫常壓儲罐依然需要考慮防翻滾的措施。

1 液化天然氣低溫常壓儲罐翻滾的過程

對LNG低溫儲罐來說，翻滾的前提條件在于儲罐內(nèi)部儲存的液體分層。原本上輕下重的液體在某時刻下層密度與上層近似相等時發(fā)生劇烈運動和混合，因而出現(xiàn)翻滾。這一過程實際上可以分為以下兩個步驟。

(1)第一步，由于組成或溫度不同，靜置在低溫儲罐的LNG液體會出現(xiàn)密度不同的液層。各液層逐漸穩(wěn)定，穩(wěn)定的各液層內(nèi)部會有獨立的對流循環(huán)，但層間由于重力、浮力和粘滯力造成的阻力，相互間幾乎沒有對流的發(fā)生。

(2)第二步，在穩(wěn)定分層出現(xiàn)后繼續(xù)靜置，由于儲罐壁和底漏熱，下層液體溫度逐漸增加。頂層液體盡管也從罐壁吸收了熱量，但可以通過蒸發(fā)吸熱來穩(wěn)定頂層溫度。同時，頂部液層本身也是混合物，在蒸發(fā)時優(yōu)先蒸發(fā)出輕組分，因而頂部液層的組成逐漸變重，密度逐漸增加；底部液層由于溫度上升，密度逐漸降低，低溫儲罐內(nèi)液體分層示意見圖1。

圖1 低溫儲罐內(nèi)液體分層示意

(3)隨著頂部液層密度增加，底部液層密度降低，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一時刻，上下液層的密度相近時，穩(wěn)定的分層系統(tǒng)就會破壞，上部液層的液體穿過層間界限與下層快速劇烈混合。之前在持續(xù)漏熱的過程中，下部液層逐漸出現(xiàn)過飽和的狀態(tài)，在整個液層的靜壓作用下呈現(xiàn)液態(tài)。一旦這些過飽和液體進(jìn)入上層，壓力驟然降低后就會迅速汽化。在此過程中產(chǎn)生大量的閃蒸氣。

此過程產(chǎn)生的閃蒸氣量一般要遠(yuǎn)大于儲罐日蒸發(fā)和其他正常工況的閃蒸氣產(chǎn)生量。具體產(chǎn)生量的多少與層間密度差、罐內(nèi)組成、底部液層過熱度等都有關(guān)系。另外，層間快速混合發(fā)生的時機(jī)有很大的隨機(jī)性，這個過程越遲滯，底部液層積累的過熱度就越高，翻滾后產(chǎn)生的閃蒸氣量也越大。目前，并沒有較準(zhǔn)確的通用模型能夠估算翻滾量的大小。有文獻(xiàn)認(rèn)為由于翻滾導(dǎo)致的瞬間蒸發(fā)量是自然日蒸發(fā)量的10～50倍[2]。也有一些業(yè)內(nèi)研究者認(rèn)為此瞬間蒸發(fā)量為正常情況下蒸發(fā)率的250倍[3]。英國標(biāo)準(zhǔn)BS EN 1473對LNG低溫儲罐翻滾工況閃蒸氣泄放量估算的建議是：如果沒有可靠適用的模型用以預(yù)測翻滾產(chǎn)生的閃蒸氣量，可以按100倍日蒸發(fā)量來粗略估計[4]。

2 低溫常壓儲罐翻滾的根源

從上述分析可以明顯看到，翻滾發(fā)生的前提是儲罐內(nèi)部液體出現(xiàn)了穩(wěn)定分層，下層液體因為儲罐漏熱和層間對流的抑制而逐漸變成過飽和。那么說明液體穩(wěn)定分層的原因就是儲罐翻滾的根源。

LNG一般含有92%左右的甲烷，1%～6%的乙烷，0%～3%的氮，以及丙烷、丁烷和其他烴類化合物?；旌衔镬o置后較重的組分因密度大而下沉，較輕的組分因密度小而上升，因而出現(xiàn)分層。這是混合物的特性，而不是LNG中存在某特殊分層的因素。

我國諸多液化石油氣、丙烷、混合碳四低溫儲罐的儲存物料大多也同樣是烴類混合物。比如浙江某丙烷脫氫工廠采購的中東商品低溫丙烷，其組成為97%左右的丙烷、2%左右的乙烷、1%左右的混合碳四、以及少量碳五以上組分。輕烴類常壓沸點對比見表1；輕烴類在各自常壓沸點下的密度對比見表2。

表1 輕烴常壓沸點對比

表2 輕烴在各自常壓沸點下的密度對比

液化石油氣和混合碳四的組成則更加復(fù)雜，這些混合烴類在低溫儲罐中長久靜置后依然會有分層的現(xiàn)象。穩(wěn)定分層后的液化石油氣、丙烷、混合碳四等，上層由于不斷蒸發(fā)出輕組分，密度逐漸增大，下層因為吸熱逐漸過飽和且密度降低，在某一時刻，會和LNG儲罐一樣有翻滾發(fā)生的可能。

對于純度極高的輕烴，比如99.8%的丙烷或丙烯，其發(fā)生分層的潛在原因則與組成變化無關(guān)。

一般對于同類輕烴純物質(zhì)，密度隨溫度升高呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢。低溫儲罐內(nèi)的純烴，如丙烷或丙烯，在氣液界面可以通過蒸發(fā)保持溫度，同時下部液體吸收來自罐底和罐壁的熱量，溫度逐漸升高，密度比上層低，有潛在的對流推動力，一般可以在儲罐內(nèi)部形成穩(wěn)定的對流，防止分層的發(fā)生。但大型的低溫常壓儲罐液層厚度很大，如浙江某項目公稱容積35 000m3的低溫儲罐，其直徑為42.7m，正常液位高度25m左右，設(shè)計最大液位高度為28.0m。底部液體在向上對流的過程中被其上部的液體冷卻，密度增加，對流推動力消失，此時在粘滯力作用下停止向上運動，那么從氣液相界面開始，沿液位由高至低，仍然有可能會出現(xiàn)溫度逐漸升高，密度逐漸降低的穩(wěn)定分層。

與常溫常壓狀態(tài)的水不同，低溫儲罐中的輕烴始終處于沸點狀態(tài)附近，下層液體逐漸吸熱，容易達(dá)到過飽和狀態(tài)，在某一時刻穩(wěn)定分層的亞穩(wěn)態(tài)被打破，翻滾就會發(fā)生。在儲存溫度下粘滯力越大的物料，這種情況越易出現(xiàn)。

3 LNG等低溫常壓儲罐防翻滾的監(jiān)測手段

一般來說，對于LNG低溫常壓儲罐的防翻滾有通用的設(shè)置模式。液化石油氣等介質(zhì)的低溫常壓儲罐可以適當(dāng)參照。一方面，需要對液體分層情況進(jìn)行監(jiān)測；另一方面，需要有分層傾向出現(xiàn)后防止分層的措施。

對前者來說，最直接的手段是對密度直接監(jiān)測。大型LNG低溫常壓儲罐一般都設(shè)置了液位-溫度-密度一體化監(jiān)測系統(tǒng)(LTD)，直接測量不同液位高度上相鄰測點的密度，并通過儀表廠家提供的翻滾預(yù)測軟件對數(shù)值進(jìn)行分析，當(dāng)穩(wěn)定分層發(fā)生可能引發(fā)翻滾時，軟件會發(fā)出預(yù)警，操作人員可據(jù)此采取措施。

如果沒有采用相應(yīng)的翻滾軟件，也可根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗粗略判斷。根據(jù)研究[5]，對于LNG，一般當(dāng)LTD相鄰測點的溫差大于0.2℃，密度差大于0.5 kg/m3時，認(rèn)為發(fā)生了明顯分層，需要采取措施防止翻滾。

對于液化石油氣、丙烷、丙烯、混合碳四等物料，由于沒有針對物料開發(fā)的較為可靠的翻滾軟件，只能通過監(jiān)測相鄰測點的溫度和密度預(yù)判分層的出現(xiàn)。

也有些小型儲運站或工廠考慮到投資成本因素，沒有設(shè)置LTD，僅通過平均溫度計的多點溫度測量監(jiān)測相鄰測點的溫差進(jìn)而預(yù)判分層。從上述分析可知，分層發(fā)生與否的最直接判據(jù)是相鄰點的密度差。有些情況下，溫差不同進(jìn)而密度差不同，此時的確可以通過監(jiān)測溫差來間接測量密度差；另一些情況下，組成不同導(dǎo)致密度差，這時溫度差雖然在正常范圍內(nèi)，但難以保證密度差也在正常范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

對于低溫常壓儲罐防翻滾的措施，不論儲存介質(zhì)是LNG或LPG等，基本都是通過主動干預(yù)，防止分層的發(fā)生，或者及時破壞已經(jīng)分層的傾向。具體來說，主要分為兩種情況。

(1)此類儲罐都宜設(shè)置上部和底部兩個進(jìn)料口，在儲罐充裝前，要測量低溫船或槽車內(nèi)物料的性質(zhì)，并與罐內(nèi)已有物料的性質(zhì)進(jìn)行對比。罐內(nèi)物料密度更小，則進(jìn)料應(yīng)從罐上部環(huán)形進(jìn)料口進(jìn)入；罐內(nèi)物料密度更大，則進(jìn)料應(yīng)從罐底部進(jìn)料口進(jìn)入。從而促進(jìn)混合，防止分層的發(fā)生。

(2)在正常儲存時，應(yīng)密切監(jiān)視罐內(nèi)相鄰測點間的密度差和溫度差，一旦出現(xiàn)分層的預(yù)兆，應(yīng)開啟罐內(nèi)泵打回流。底部液體通過罐內(nèi)泵抽出，送回頂部，進(jìn)而促進(jìn)罐內(nèi)物料的混合，破壞分層的傾向。