影響LNG槽車運(yùn)輸儲(chǔ)罐壓力的因素分析

冷緒林 邱春斌 陳雅彬 牟曉亮

中國石油管道局工程有限公司

液化天然氣(LNG)槽車運(yùn)輸是管道輸配的重要補(bǔ)充手段[1]。受運(yùn)輸距離、環(huán)境溫度、氣源組分、槽車絕熱方式等因素的影響，LNG槽車儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間的溫度、操作壓力逐步升高，卸車或裝車時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多蒸發(fā)氣(boil off gas，以下簡稱BOG)[2]。李兆慈[3]對(duì)LNG槽車儲(chǔ)罐高真空多層絕熱與真空粉末絕熱形式進(jìn)行了分析比較，指出高真空多層絕熱具有導(dǎo)熱系數(shù)低、絕熱空間小、日蒸發(fā)率低等特點(diǎn)，很適合低溫運(yùn)輸容器的絕熱。同一LNG槽車儲(chǔ)罐的操作溫度、操作壓力等隨著氣源組成的不同也有明顯區(qū)別，陳峰[4]研究了煤層氣的液化產(chǎn)品輕質(zhì)LNG槽車液態(tài)外輸過程，由于煤層氣氣質(zhì)較輕、氣化熱小，液化后的LNG在儲(chǔ)存運(yùn)輸過程中明顯出現(xiàn)BOG產(chǎn)生量增多的情況。若LNG槽車運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)，運(yùn)輸時(shí)間較長，槽車儲(chǔ)罐內(nèi)操作壓力逐漸升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐超壓損壞，可燃?xì)怏w泄漏，甚至發(fā)生火災(zāi)等嚴(yán)重后果。范小花[5]闡述了LNG槽車運(yùn)輸泄漏的危險(xiǎn)特性，分析了LNG槽車發(fā)生泄漏后的事故危害過程，得出LNG槽車泄漏危害事故的模式主要有閃火、噴射火、蒸氣云爆炸以及沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸，利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件模擬LNG槽車發(fā)生泄漏產(chǎn)生噴射火、蒸氣云爆炸及沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸3種事故模式的后果，得出各種事故模式的危害半徑。因此，有必要對(duì)LNG槽車運(yùn)輸過程中儲(chǔ)罐的溫度、壓力隨運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸距離的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，準(zhǔn)確判斷可能產(chǎn)生危害的操作觸發(fā)條件，防止液化烴泄漏，為LNG槽車運(yùn)輸人員提供技術(shù)理論指導(dǎo)，保證運(yùn)輸人員的安全，減少財(cái)產(chǎn)損失，保護(hù)環(huán)境。

動(dòng)態(tài)模擬在石油化工、天然氣儲(chǔ)運(yùn)方面的應(yīng)用極為廣泛，能夠?qū)崟r(shí)模擬工藝操作過程的變化，其中郭洲[6]對(duì)油氣田處理工藝系統(tǒng)的開停工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究分析，研究開停工方案對(duì)現(xiàn)場的實(shí)際生產(chǎn)起到有效的指導(dǎo)作用；陳文峰[7]研究了三相分離器壓力安全閥在火災(zāi)工況下設(shè)備的最大泄放量及對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)；馮傳令[8]利用動(dòng)態(tài)模擬對(duì)原油容器火災(zāi)工況的泄放過程進(jìn)行了模擬，模擬出火災(zāi)工況下最大的泄放量，解決了安全閥的計(jì)算及選型困難，有效地保證了系統(tǒng)的安全；高曉新[9]對(duì)丙烷、異丁烷分離進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，考察了進(jìn)料組成變化對(duì)精餾塔塔內(nèi)溫度、再沸器、塔頂組成以及塔釜組成的影響。總之，動(dòng)態(tài)模擬的計(jì)算方法已被國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司大量應(yīng)用[10-11]，同時(shí)API 520-2014《Pressure-relieving and Depressuring Systems》也推薦采用動(dòng)態(tài)模擬方式來處理火災(zāi)、超臨界流體等復(fù)雜工況，實(shí)時(shí)模擬實(shí)際操作過程。

本文以LNG槽車滿載和空載運(yùn)輸為例，利用動(dòng)態(tài)模擬研究LNG槽車運(yùn)輸過程中儲(chǔ)罐內(nèi)操作壓力、操作溫度和液位的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，并總結(jié)出其變化規(guī)律，為操作人員提供理論指導(dǎo)。

1 計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)

1.1 LNG槽車儲(chǔ)罐的操作參數(shù)

LNG槽車內(nèi)氣源組成如表1所列。

表1 LNG槽車運(yùn)輸LNG的氣源組成Table 1 Composition of LNG tank truck transportation組分摩爾分?jǐn)?shù)組分摩爾分?jǐn)?shù)甲烷0.877 4異丁烷0.005 3乙烷0.078 1正戊烷0.000 3丙烷0.028 3異戊烷0.000 8正丁烷0.006 2氮?dú)?.003 6

典型LNG槽車容積約為52 m3，儲(chǔ)罐直徑為2.36 m，長度為12.0 m，儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力(表壓)為0.75 MPa，LNG槽車儲(chǔ)罐自增發(fā)率為0.20%。其儲(chǔ)罐滿載液位約為85%，空載液位約為5%。

1.2 LNG槽車運(yùn)輸過程動(dòng)態(tài)模型

LNG槽車運(yùn)輸過程因道路顛簸使LNG儲(chǔ)罐內(nèi)氣體、液體充分混合，氣液達(dá)到平衡狀態(tài)，流程模擬中假定LNG槽車內(nèi)液體始終處于飽和狀態(tài)，是同設(shè)計(jì)情況相符的。

首先采用穩(wěn)態(tài)模擬軟件建立LNG槽車運(yùn)輸?shù)挠?jì)算模型，并基于此模型建立LNG槽車運(yùn)輸運(yùn)行的動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，如圖1所示。來自LNG裝車總管的LNG經(jīng)流量控制閥(VLV-100)將LNG裝入LNG槽車儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐的液位通過液位控制閥(VLV-102)調(diào)節(jié)，儲(chǔ)罐壓力通過壓力控制閥(VLV-101)調(diào)節(jié)，待LNG槽車液位、壓力數(shù)據(jù)同現(xiàn)場實(shí)際LNG槽車數(shù)據(jù)相同時(shí)，同時(shí)關(guān)閉VLV-100、VLV-101和VLV-102，此時(shí)LNG槽車儲(chǔ)罐的初始態(tài)已經(jīng)達(dá)到。上述控制回路包括流量控制器、液位控制器及壓力控制器，3個(gè)控制器均為反饋控制。隨后通過物流Q來模擬LNG槽車儲(chǔ)罐同環(huán)境的換熱量。隨著LNG槽車的運(yùn)行，環(huán)境熱量不斷輸入，LNG槽車儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)溫度、壓力和液位等參數(shù)會(huì)逐步發(fā)生變化。

1.3 LNG槽車運(yùn)輸動(dòng)態(tài)模擬工況

根據(jù)LNG槽車運(yùn)輸過程中滿載、空載、操作壓力和操作液位的不同，動(dòng)態(tài)模擬工況如表2所列。

表2 LNG槽車運(yùn)輸動(dòng)態(tài)模擬工況Table 2 Dynamic simulation conditions of LNG tank truck transportation 模擬工況壓力(表壓)/kPa液位/%滿載5085空載1005空載2005空載3005

2 模擬結(jié)果分析

2.1 LNG槽車滿載工況結(jié)果分析

國內(nèi)大部分LNG接收站裝車通?？煞譃閹貉b車和回氣裝車兩類，帶壓裝車結(jié)束后槽車儲(chǔ)罐壓力(表壓，下同)通常為100～150 kPa，回氣裝車結(jié)束后儲(chǔ)罐壓力通常為50～70 kPa，其中后者為LNG接收站和液化廠普遍采用的裝車方式。因此，本研究以回氣裝車方式LNG槽車運(yùn)輸為研究對(duì)象，在LNG槽車儲(chǔ)罐的初始操作壓力(表壓,下同)約為50 kPa、滿載LNG槽車儲(chǔ)罐的液位約為85%的條件下，研究槽車儲(chǔ)罐操作壓力、液位、操作溫度等主要操作參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)。

從圖2可以看出，隨著LNG槽車運(yùn)輸時(shí)間的延長，儲(chǔ)罐操作壓力緩慢升高，對(duì)應(yīng)的飽和溫度也不斷升高。由于LNG槽車為滿載狀態(tài)，儲(chǔ)罐存儲(chǔ)液體較多，吸收環(huán)境熱量后液體除少部分氣化外，大部分液體隨溫度的升高而膨脹，造成液體液位明顯升高，液位的升高又導(dǎo)致氣相空間變小，進(jìn)一步導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力增大。當(dāng)LNG槽車連續(xù)運(yùn)輸時(shí)間為80天時(shí)，LNG槽車儲(chǔ)罐液位上升至近90%，溫度升高約15 ℃，壓力上升至260 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于LNG槽車儲(chǔ)罐安全閥設(shè)定壓力。若LNG槽車運(yùn)行速率按80 km/h，運(yùn)行80天能夠覆蓋幾萬公里的范圍，該距離基本上覆蓋了國內(nèi)主要LNG生產(chǎn)地和消費(fèi)地范圍。因此，當(dāng)LNG槽車儲(chǔ)罐初始?jí)毫?0 kPa時(shí)，槽車滿載長距離運(yùn)輸儲(chǔ)罐壓力上升較小，極不易造成儲(chǔ)罐超壓泄放，安全性較高。

2.2 LNG槽車空載工況結(jié)果分析

國內(nèi)LNG槽車卸車大部分采用自增壓的方式，通過增壓提高LNG槽車卸車壓力，卸車結(jié)束后，LNG槽車的氣相壓力較高，通常需泄壓后才能駛出LNG氣化站，空載LNG槽車泄壓后儲(chǔ)罐的液位通常約為5%，操作壓力約為100～300 kPa，研究上述條件下LNG槽車儲(chǔ)罐操作壓力、液位、操作溫度等主要操作參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)。

從圖3～圖5可以看出，隨著LNG槽車運(yùn)輸時(shí)間的增加，儲(chǔ)罐操作壓力緩慢升高，對(duì)應(yīng)的飽和溫度也不斷升高。由于LNG槽車為空載狀態(tài)，儲(chǔ)罐存儲(chǔ)液體較少，吸收環(huán)境熱量后，液體膨脹對(duì)壓力升高貢獻(xiàn)較少，液體大部分氣化，液位迅速降低。因此，LNG槽車空載較滿載運(yùn)輸時(shí)儲(chǔ)罐升壓速率更快。

當(dāng)初始操作壓力為100 kPa時(shí)，LNG槽車運(yùn)輸15天，儲(chǔ)罐壓力即可從100 kPa升高至安全閥的設(shè)定壓力650 kPa；當(dāng)初始操作壓力為200 kPa時(shí)，LNG槽車運(yùn)輸11.5天，儲(chǔ)罐壓力即可從200 kPa升高至安全閥的設(shè)定壓力650 kPa；當(dāng)初始操作壓力為300 kPa時(shí)，LNG槽車運(yùn)輸8.5天，儲(chǔ)罐壓力即可從300 kPa升高至安全閥的設(shè)定壓力650 kPa。LNG槽車儲(chǔ)罐空載初始?jí)毫υ礁撸_(dá)到儲(chǔ)罐安全閥設(shè)定壓力的時(shí)間越短，但LNG槽車運(yùn)輸8.5天的輻射半徑仍然可以滿足國內(nèi)大部分地區(qū)對(duì)液態(tài)產(chǎn)品的需求，安全性相對(duì)較高。

當(dāng)初始操作壓力為100 kPa時(shí)，LNG槽車運(yùn)輸15天，儲(chǔ)罐液位即可從5%降至3.3%；當(dāng)初始操作壓力為200 kPa時(shí)，LNG槽車運(yùn)輸11.5天，儲(chǔ)罐液位即可從5%降至3.6%；當(dāng)初始操作壓力為300 kPa時(shí)，LNG槽車運(yùn)輸8.5天，儲(chǔ)罐液位即可從5%降至3.85%。LNG槽車儲(chǔ)罐的溫度可控制在-130 ℃以內(nèi)，通過上述數(shù)據(jù)可分析出，LNG槽車卸車完畢后空載液位5%也是合理的，基本上滿足了維持LNG槽車儲(chǔ)罐處于冷態(tài)的要求。

若LNG槽車運(yùn)行過程中出現(xiàn)明顯復(fù)溫，或苛刻條件下儲(chǔ)罐溫度升為常溫，LNG槽車裝車前需進(jìn)行儲(chǔ)罐預(yù)冷，通常預(yù)冷方式主要分為液氮預(yù)冷和LNG預(yù)冷。液氮預(yù)冷是使用液氮將LNG槽車儲(chǔ)罐預(yù)冷至-130 ℃以下，隨后LNG槽車進(jìn)入LNG接收站裝車，但會(huì)將一部分氮?dú)馀胖罫NG接收站的氣相系統(tǒng)，不利于LNG接收站BOG的冷凝。LNG預(yù)冷通常在LNG接收站裝車撬實(shí)施，控制LNG流量逐步實(shí)現(xiàn)LNG槽車儲(chǔ)罐降溫，此方式占用LNG裝車撬時(shí)間較長，裝車撬的利用率會(huì)降低，一般不推薦使用此種方式。

3 結(jié)論

本研究采用動(dòng)態(tài)模擬軟件建立LNG槽車滿載和空載運(yùn)輸?shù)膭?dòng)態(tài)模型，研究LNG槽車運(yùn)輸過程中儲(chǔ)罐內(nèi)操作壓力、操作溫度和液位的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，并總結(jié)出其變化規(guī)律，利用動(dòng)態(tài)模擬為操作人員提供理論指導(dǎo)。

(1)當(dāng)LNG槽車滿載運(yùn)行儲(chǔ)罐初始?jí)毫?0 kPa，LNG槽車連續(xù)運(yùn)輸時(shí)間為80天時(shí)，LNG槽車儲(chǔ)罐液位上升至近90%，溫度升高約15 ℃，壓力上升至260 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于LNG槽車安全閥設(shè)定壓力，安全性較高。

(2)LNG槽車儲(chǔ)罐空載狀態(tài)較滿載運(yùn)輸時(shí)儲(chǔ)罐升壓速率更快，LNG槽車儲(chǔ)罐空載初始?jí)毫υ礁?，達(dá)到儲(chǔ)罐安全閥設(shè)定壓力的時(shí)間越短。

(3)LNG槽車卸車完畢后維持儲(chǔ)罐空載液位5%是合理的，基本上滿足了維持LNG槽車儲(chǔ)罐處于冷態(tài)的要求。