液化天然气储运中的翻滚现象及预防措施.pdf

2 0 0 8钲 第 6期 麓 适 技 木 Pi p e l i ne Te c h n i q u e 彳 曼 舌 Eq u i pme n t 2 0 0 8 No ． 6 液化天然气储 运 中的翻滚现象及预 防措施 伍颖 ， 刘 武 ， 张晓琳 ， 骆辉 ， 吴杰 1 ． 西南石油大学石油工程学 院，四川成都6 1 0 5 0 0； 2 ． 川庆钻探公司科宏设计 院， 四川成都6 1 0 0 0 0 ； 3 ． 西南油气 田川 中气矿 ， 四川遂宁6 2 9 0 0 0 摘要 介绍了液化天然气储运 中的翻滚 涡旋 现象及预 防措施 ， 着重分析 了液化天然气在储运 中 的翻滚机理， 提 出了相应的预防措施 ， 以减 少和消除翻滚现象， 提 高液化天然气在储运中的安全性。 关键词 液化天然气； 翻滚现 象； 储运； 预防措施 中图分类号 T E 8 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 0 8 0 6 0 0 0 9 0 4 Ro l l o v e r Phe n o me no n a nd Pr e v e n t i v e M e a s ur e o f L i q u e fi e d Na t u r a l Ga s L NGi n S t o r a g e a n d T r a n s p o r t a t i o n WU Y i n g ，L I U Wu ， Z HAN G X i a o L i n ， L UO Hu i ， WU J i e 1 ． S c h o o l o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t P e t r o l e um U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ，C h i n a ； 2 ． C h u a n - Qi n g Dr i n g C o r p ．， C h e n g d u 6 1 0 0 0 0， C h i n a ； 3 ． C e n t r a l S i c h u a n Oi l - g a s F i e l d o f S o u t h w e s t Oil - g as F i e l d C o mp a n y ， S u i n i n g 6 2 9 0 0 0 ， C h i n a Abs t r ac tI n t r o d uc e d t he r o l l o v e r p h e n o me n o n a nd pr e v e n t i v e me a s u r e o f L NG i n s t o r a g e a n d t r a n s po r t a t i o n，a n d t h e r o l l o v e r p r i n c i p l e o f LNG i n s t o r a g e a nd t r a n s p o rta t i o n a r e e mph a t i c a l l y a na l y z e d． Fi n a l l y，t h i s wo r k pr o p os e s a c o r r e s po n d i ng p r e v e n t i v e me a s u r e t o r e d u e e a n d e l i mi n a t e t h e r o l l o v e r p h e n o me n o n a n d e n h a n c e t h e L NG ’ S s e c u ri t y i n s t o r age a n d t r a n s po r t a t i o n ． Ke y wo r ds l i q u e fie d n a t ur a l g a s ； r o l l o v e r ph e n o me n o n； s t o r a g e a n d t r a n s po rta t i o n； p r e v e n t i v e me a s u r e 1 液化天然气储运中的翻滚 涡旋 现象及其分析 液化天然气 L N G 在储运过程中， 会发生一种被 称为“ 涡旋” r o l l o v e r 的非稳性 现象， 涡旋 即翻滚现 象。涡旋是由于向已装有 L N G的低温储槽中充注新 的 L N G液体 ， 或 由于 L N G中的氮优先蒸发而使储槽 内的液体发生分层 s t r a t i fi c a t i o n 。分层后的各层液 体在储槽周壁漏热的加热下 ， 形成独立的 自然对流循 环。该循环使各层液体的密度不断发生变化 ， 当相邻 两层液体的密度近似相等时， 两个液层就会发生强烈 的混合 ， 瞬间产生大量 的汽化气。由于大量液体在短 时间 内汽化 ， 储罐 内压力急剧增大， 使 压力安全阀频 繁开闭， 并且在周围的空 间形成可爆炸性混合云团， 或引发沸腾液蒸汽膨胀爆炸 B L E V E 。如果不及 时 通过安全释放阀排放 ， 就有可能造成贮槽的机械损伤 和一些设备损坏 ， 同时排放大量的蒸发气 。这不仅对 L N G的储运安全构成重大威胁， 还会造成经济上的损 失和环境污染。 1 9 7 1 年和 1 9 9 3年， 意大利和英国先后 出现两次 因 L N G翻滚导致的大事故 J 。为此 ， L N G储运 的安 收稿 日期 2 0 0 80 5 0 5 收修改稿 日期 2 0 0 8 0 61 5 全性受到高度重视， 对 L N G翻滚现象展开了积极的研 究。2 O世纪 7 0年代中期， G h a t t e r j e e和 G e r me l e s 先后 提出分层界面静止不动的翻滚模型， 但这些模型预测 翻滚 出现 的时 间 比实际 时 间更 长， 偏差 较 大 I 3 。 1 9 8 3年 ， H e e s t a n d等人 精练 了 G h a t t e r j e e和 G e r me l e s 模型， 将 L N G看作甲烷、 乙烷 、 丙烷、 丁烷和氮 5种组 分的混合液， 并编制了 R O L L O计算程序。给定初始 温度和组成 ， R O L L O程序可用数值方法计算 出 L N G 分层的演化过程 ， 但该模型同样保留着静止界面假设 带来的不足 。Mu r o等人对 L N G在真空绝热不锈钢 槽 中进行了试验 ， 并根据试验数据整理出 L N G蒸发率 与过热度的关系_ 5 。2 0世纪 8 0年代 中后期 ， K a mi y a 等通过实验揭示出在翻滚发生前的阶段里 ， 分界面的 移动占主导地位 。M o r r i s o n使用液化石油气试验证 实 了 K a m i y a等的实验结果 ； 法 国煤气公司进行的 试验也复现了这个结果， 并且显示了分界面从固定到 开始移动的过程 。1 9 9 7年 ， 英 国燃气公 司 B r i t i s h G a s 的 B a t e s 和 Mo r r i s o n提出了三阶段的 B a t e s Mo r r i s o n模型 J 。该模型比较简单 ， 准确合理 ， 但也有一些 缺陷。因此 ， 上 海交通 大学顾 安忠课 题组对 B a t e s - Mo r r i s o n模型作了改进 ， 将其发展为一个 四阶段模型， 1 0 Pi pe l i n e Te c h n i q u e a n d Eq u i p me n t NO V ． 2 00 8 更加符合实际情况⋯ 。 2 翻滚现象的分类及其产生原因 2 ． 1 翻滚现象的分类 1 液化天然气贮罐在长期贮存 中， 因其较轻 的 组分 主要是氮气和甲烷 优先蒸发 ， 而 自发形成的翻 滚现象。 2 液化天然气贮罐原来 留有液化天然气 ， 在 充 装密度不同、 温度不同的新 L N G一段时间 几小时甚 至几十天 后 ， 突然产生翻滚的现象。 2 ． 2 分层现象产生的原因 1 储罐 内液化天然气 由于各组分密度不 同， 导 致密度大的组分在下 ， 密度小 的组分在上 ， 形成分层 。 分析表明， 很小的密度差就可导致分层的发生。 2 液化天然气进储罐温度的细微变化会引起液 体密度的细微变化。温度高的液体的密度较小 ， 温度 低的液体的密度较大， 因此， 密度小的液体上浮 ， 密度 大的液体下沉， 产生分层现象。 3 由于不 同阶段添加 的液化 天然气 的组 分不 同， 导致新 旧液化天然气两层液体的密度不同， 因此 罐内液体就会存在密度差 ， 产生分层现象。 2 ． 3 翻滚现象产生的原因 槽内液化天然气在分层的情况下 ， 由于储槽周壁 及下部受热较多 ， 导致靠近周壁及下部的液体受热向 上运动 ， 在两层内均产生对流状态 见图 1 。当对流 进行至一定时期 ， 由于液化天然气中的氮气首先容易 汽化， 将促使下层 L N G冲破层面， 而与迅速上层 L N G 混合， 产生大量的汽化气 见图 2 。 圉 1分层 后 L N G 的对 流 图 从图 1 所示分层分析可知， 顶层的液体从周壁和 底层液体吸收的热量一部 分通过气液界面的蒸发作 用散发到货舱上部的气态空间， 另一部分则被该层液 体吸收 ， 使该层液体的温度升高； 而底层液体从周壁 和底壁吸收的热量则只能通过与顶层之间的液液界 面传给顶层液体。当两个 液层之间的温度差异较小 时 ， 通过界面传递的热量就小于液体从周壁和底壁吸 收的热量 ， 底层液体被加热 ， 其温度升高； 反之， 当两 层液体温度差异较大时， 通过界面传递 的热量大于液 体从周壁和底壁吸收的热量 ， 底层液体被冷却， 其温 度降低。 图 2上 F 层 L NG 的 混 合 图 图 3 、 图4分别显示了两种情况下液层的温度 、 密 度随时间的变化。在上述两种情况下， 顶层液体的温 度都随时间而升高 ， 由于轻质组分的逐步蒸发 ， 其密 度增大。但底层液体 的变化则有所不同 在第一种情 况下 ， 底层液体的温度升高得较快 ， 其密度减小， 当上 下两层的液体密度近似相等时， 分层消失， 液体便发 生强烈混和 ， 产生翻滚现象 ； 在第二种情况下 ， 底层液 体的温度降低 ， 其密度增大 ， 发生液体强烈混合产生 翻滚现象的时间则要推迟到顶层液体的密度也增加 到与底层液体密度近似相等时。 p 匿 国 翻滚 c l⋯ li ～t It b b 图 3 液层温度和密度随时间 图 4 液层温度和密度随时间 变化图I 变化 图I I 2 ． 4翻滚现象发生的可能范围 液化天然气贮槽可分为 3种基本类 型 基本负荷 型出口暂存贮槽 、 高峰负荷型贮槽及终端装置 ， 这 3种 贮槽都可能发生分层而引起涡旋 ， 但各有特点。 1 基本负荷型出口暂存贮槽 ， 用 于液体设备靠 近天然气源。其特点 为 液体 在贮槽 中贮存 时间较 短 ， L N G组分相对稳定 ， 液化后至贮槽的充注速度较 快 ， L N G氮含量较低 。 第 6期 伍颖等 液化天然气储运中的翻滚现象及预防措施 l l 2 高峰负荷型贮槽 ， 用于调节高峰负荷 以及为 冬季供应燃料。其特点为 液体在贮槽中停 留的时间 较长 ， L N G组分相对较稳定 ， 液化后至贮槽 的充 注速 度较慢 ， L N G氮含量高低不等。 3 终端装置一般用于接受槽船等运输的 L N G， 亦可用于调峰 目的。其特点为 液体在贮槽 中停 留的 时间长短不一， L N G组分变化范围较 大， 充注速度或 高或低 ， L N G中氮含量高低不等。 3 翻滚现象的预防 液化天然气翻滚是 由分层引起 的， 因此防止分层 即可预防翻滚 。 3 ． 1 防止分层的方法 1 不同产地、 不同气源 的液化天然气分开储存 ， 可避免因密度差而引起的分层。 2 根据需储存的液化天然气与储槽 内原有 的液 化天然气密度的差异 ， 选择正确的充注方法 ， 可有效 防止分层。充注方法的选择一般应遵循 以下的原则 密度相近时一般底部充注； 将轻质 L N G充注到重质 L N G储槽 中时 ， 宜底部充注； 将重质 L N G充注到轻质 L N G储槽 中时 ， 宜顶部充注。当充注量少于 1 ． 5 X 1 0 m 或贮槽中原有 L N G少于 1 0 m 时， 可采取底部充 注 经验表 明 在这两种情况下均不会形成稳定 的分 层 。 3 使用混合喷嘴和多孑 L 管充注， 可使充注 的新 L N G和原有的 L N G充分混合 ， 从而避免分层。 4 充分搅拌所有灌人储罐的 L N G， 消除密度差 ， 防止 L N G的分层 。一般采用循环泵进行循环 即用 L N G泵由储罐下部到上部打 回流 的方法来使储罐 中 的组分充分混合。 5 控制灌入储罐 L N G组分的密度变化范围， 尽 可能减小组分的密度差。 对于大型液化天然气储罐 ， 充分搅和比较 困难 。 一 旦发生 L N G翻滚 ， 汽化后的大量天然气难 以及时 通过安全释放 阀排放。为了防止发 生事故 ， 设 置安 全释放阀、 放散火炬 、 回收压缩系统等 ， 防止 L N G蒸 发 、 翻滚造成储罐超压 。一般 同时采用上述 两个措 施 ， 并且尽 量 使一 个储 罐 仅 用 来储 存 同 一 产地 的 L N G， 控制其组分 的变化范围， 从而防止 L N G的翻滚 现象。一般 灌入储 罐的 L N G的密度差 尽量控 制在 1 5 k g ／ m 以内 。 根据经验， 为了避免分层现象 ， 在液化过程 中应 注意分析进料天然气组分 ， 不要有较大 的密度差。否 则采取 L N G直接进入汽化器 ， 汽化后再输到外界管网 进行循环 的方 式。进 液过程 中， 选 择将温度较低 的 L N G从罐顶部灌人 ， 将温度较高的 L N G从罐底部灌 入 ， 使充液过程也成为不 同密度的 L N G混合 的过程， 从而防止 L N G分层 ， 避免翻滚现象的产生。 3 ． 2 分层的检测与消除 3 ． 2 ． 1 分层 的检 测 1 可以通过测量 L N G储槽 内垂直方向上 的温 度和密度来确定是否存在分层。一般情况下 ， 当分层 液体之间的温差大 于 0 ． 2 K， 密度差大于 0 ． 5 k g ／ m 时， 即认为发生了分层。 2 监 测 L N G的蒸 发速 度。L N G分 层会 抑制 L N G的蒸发速度 ， 使得翻滚前的蒸发速度比通常情况 下低。采用压力表监测罐 内压力时， 大气压的变化会 影响对 L N G蒸发速度的监测 ， 可以采用绝对压力监测 或记录大气压的变化 。 为了探测分层 ， 还研制了用于 L N G贮槽 的分层探 测器 ， 如美国科学仪器公司研制的 Ma d e l 6 2 8 0 L T D M P型 ， 可测量液面高度、 温度、 密度等 ， 测量由微机控 制 ， 并能进行指定 的数据处理 ， 微机通过步进 电机控 制测量高度， 并分别测量该处 的温度和密度， 进行数 据处理后可判断是否存在分层。 3 ． 2 ． 2分层 的 消除 探测到确已形成分层 以后， 可采用 内部搅拌或输 出部分液体 的方法来 消除分层。内部搅拌会 引起蒸 发量增加 ， 而快速输 出部分液体是一种较好消除分层 的方法。 一 旦储罐内发生翻滚现象， 汽化后的大量天然气 将难 以及时通过泄放装置排放。为防止发生事故 ， 需 设置安全排放 口、 排放火炬 、 回收压缩 系统等。储罐 内的 L N G蒸汽产生后 ， 通过蒸发气总管排出， 可以返 回船上 卸船时 ， 也可以进 B O G压缩机升压 ， 准备冷 凝或作为燃料气使用 ； 如果有大量蒸发气产生 ， 压缩 机不能处理时 ， 在蒸发 气总管上设置压力调节装置， 在 L N G储罐上的安全阀起跳前 ， 蒸发气将直接排放到 火炬总管 ； 事故状态下， 罐内超压 ， 安全 阀就会起跳， 蒸发气直接排放到火炬总管燃烧。此外， 提高设计压 力与贮槽运行压力之 比值也可以预防， 但这只适用于 初建贮槽 。 参考文献 [ 1 ] 顾安忠， 鲁雪生， 汪荣顺， 等．液化天然气技术． 北京 机械工业出 版社 ． 2 0 0 4 ． 1 2 Pi pe l i ne T e c hn i q u e a n d Eq u i p me n t No v ． 2 0 0 8 上接 第 8页 1 0 。c m ’ ／ s ， 符合 中国缠绕垫片标准规 定 4级泄漏率指标 ， 但高于 P V R C推荐的泄漏率指标 。 工况波动时 ， 该连接系统可能产生泄漏 ， 甚至引发 火 灾事故。 为确定该连接的安全操作条件 ， 进一步分析了不 同弯矩和轴向力组合对法兰连接紧密性 的影响， 建立 了附加载荷和泄漏率之间的关系曲线 ， 如图 5所示 。 1 8 l 6 l 4 至1 ．2 1 ．0 8 暴O ．6 0 4 0． 2 0 o 一泄漏率为5 ．0 1 0 一 c n l ／ s 。 一泄漏率为3 ．0 1 0 3 e m ／ s △ 一泄漏率为2 ． 0 1 0 c m a ／ s 一泄漏率为3 7 1 0 e r a ／ s ＼ u 、 ＼ ＼ ＼ ＼ 0 ． 6 1 ．2 1 ．8 2 4 弯矩／ 1 O N ． m 图5附加载荷与泄漏率的关系曲线 依据图 5 ， 可得到连接的最大允许泄漏率所对应的法 兰连接可以承受的附加弯矩和附加轴向力。反之， 亦 可得到承受附加载荷法兰连接的泄漏率 。图5中曲线 所对应的载荷即为该法兰连接的安全操作条件 。 4结束语 提出的基于紧密性 和强度 的螺栓法兰连接安全 评价准则， 为承受附加载荷螺栓法兰连接的安全评价 和结构设计提供 了借鉴。建立了某接管法兰连接系 统紧密性和附加载荷之间的关 系， 验证 了安全评价方 法的可行性 ， 确定了该连接的安全操作条件。 开发的基于 A N S Y S的螺栓法兰连接分析模块 ， 实 现了参数化建模以及各元件应力分析 和连接系统紧 密性分析的程序化。该模块扩充了 A N S Y S的功能， 简 化了软件操作 ， 降低了使用难度， 提高 了计算效率。 建立的基于 F E M 的承受附加载荷的法兰连接分 析方法 ， 可 以较好地 预测法兰 连接的力学 和密封行 为 。在此基础上 ， 进一步考虑高温作用下法兰、 垫片 和螺栓的蠕变和应力松弛特性 ， 可对法兰连接的结构 强度和紧密性做出更为精确的评价。 参考文献 [ 1 ] A S ME B o i l e r a n d P r e s s u r e V e s s e l C o d e ，S e c t i o nⅧ，D i v i s i o n 1 ． Ru l e s f o r Co n s t r u c t io n o f P r e s s u r e Ve s s e 1 ． Ne w Y o r kAS ME． 2 0 0 4． [ 2 ] G B 1 5 0 -- 1 9 9 8 钢制压力容器． [ 3 j K O V E S W J ．A n a l y s i s o f fl a n g e j o i n t s u n d e r e x t e r n a l l o a d s ． J o u rna l o f Pr e s s u r e Ve s s e l T e c h n o l o g y．1 9 9 6，1 1 85 963 ． [ 4] MA R C HA N D L ，L A V I OL E T F E D， D E R E N N E M．N P S 4 c l a s s 1 5 0 b o l t e d fl a n g e d j o i n t s s u b j e c t e d t o p r e s s u r e a n d e x t e rnal b e n d i n g l o a d s ． We l d i n g R e s e a r c h C o u n c i l B u l l e t i n ， 2 0 0 0 4 5 0 l一 2 O ． [ 5 ] B I B E L G， F A T H T， P A L ME R W， e t a 1 ． E x p e r i m e n t a l l e a k te s t i n g o f 1 6 一 i n c h c l a s s 3 0 0 RFWN fl a n g e wi t h a n d wi t h o u t e x t e r n al b e n d i n g m o me n t ． We l d i n g R e s e a r c h C o u n c i l B u l l e t i n ， 2 0 0 1 4 6 1 1～ 5 4 ． [ 6 J B I R E MB AU T Y， L E D A U P HI N T， MA S I V， e t n f ． P a r t 1 T h e e ff e c t s o f b e n d i n g mo me n t s o n b o l t e d g a s k e t e d j o i n t s We l d i n g R e s e a r c h C o u n c i l B u l l e t i n ， 2 0 0 2 4 7 3 11 7 ． [ 7 ] MA R C HA N D L ，D E R E NN E M．P a r t 2 e f f e c t o f t h e g a s k e t t y p e o n t h e b e h a v io r o f N P S 4 c l a s s 1 5 0 b o l t e d fl a n g e d j o i n t s s u b j e c t e d t o e x te rna l b e n d i n g l o a d s ． W e l d i n g R e s e a r c h Co u n c i l Bu l l e t i n， 2 0 0 2 4 7 3 1 85 5 ． [ 8 ] 孙世锋 ，蔡仁良．承受外 弯矩作用的法 兰接头有限元分析．压力 容器 ， 2 0 0 3 ， 2 O 1 2 l 92 2 ． [ 9 ] G u B o q i n ．R e p r o d u z i e r b ark e i t u n d V e e i c h b a r k e i t v o n L a s s i g k e i t s m e ． 13 v e r f a h r e n ．L e o b e n Mo n t a n u n i v e m i t i t L e o b e n ， 1 9 9 6 ． [ 1 O] 顾伯勤 ， 陈哗． 高温螺栓法兰连接 的紧密性评价方法． 润 滑与密 封 ， 2 0 0 6 6 3 9 4 1 ． [ 1 1 ] 顾伯 勤， 时黎霞 ， 陆晓峰． 不锈钢柔性石墨缠绕垫片的高温性能 研究． 石油机械 ， 2 0 0 0， 2 8 2 1 31 6 ． 作者简介 刘容 1 9 8 1 ～ ， 硕士研究生， 主要研究方向为流体密封与测 控技术。