液化天然氣的分層與渦旋

摘 要

摘要：分析了LNG的特點以及在儲存過程中存在的危險因素，論述了LNG在儲存過程中產生老化、分層及渦旋的原理，探討了預防LNG發生渦旋的措施。關鍵詞：LNG；低溫儲存；老化；分層；渦旋Strati
摘要：分析了LNG的特點以及在儲存過程中存在的危險因素，論述了LNG在儲存過程中產生老化、分層及渦旋的原理，探討了預防LNG發生渦旋的措施。
關鍵詞：LNG；低溫儲存；老化；分層；渦旋
Stratification and Rollover of Liquefied Natural Gas
CHEN Dong，JIA0 Xiao-jie
Abstract：The characteristics of LNG and the risk factors existed during storage of LNG are analyzed. The principles of aging，stratification and rollover produced during storage of LNG are described. Some measures for preventing LNG rollover are discussed.
Key words：liquefied natural gas(LNG)；low-temperature storage；aging；stratification；rollover
1 概述
    隨著地球大氣環境不斷惡化，人類環保意識日趨成熟，天然氣作為一種清潔能源以其獨有的優越特性在世界范圍內得到了快速應用和推廣[1]。
    天然氣作為被世界公認的清潔能源已經在我國得到了快速發展。從地域上講，天然氣產出地如新疆、陜甘地區、四川、山西、內蒙古等地，以及得益于西氣東輸、川氣東送等大型長輸管線建設的華北、華中、華南地區，通過海洋石油天然氣的開采和通過LNG槽船大規模進口液化天然氣的東南沿海地區，對天然氣的利用都日新月異。隨著CNG長管氣瓶車和低溫真空LNG槽車技術的發展，天然氣運輸的安全性不斷提高，許多遠離天然氣氣源和輸氣管線的中小城市也開始使用這一清潔能源。從使用領域上講，天然氣作為民用燃氣可以替代傳統的燃料(如木柴、煤炭和石油等)；CNG和LNG還可以作為汽車的燃料用來代替汽油和柴油，不僅節省費用，而且保護環境；在工業上，天然氣可以應用在鋼鐵、紡織、陶瓷玻璃制品和發電等多個領域。2009年，隨著全球經濟的復蘇以及中國政府各項經濟政策的刺激，天然氣工業更呈現了蓬勃發展的勢頭。
    隨著LNG工業的高速發展，其安全性越來越得到人們的重視[2]。分層和渦旋是LNG在儲存過程中偶然發生的災害性事故[3]。本文對低溫儲罐內LNG發生分層和渦旋現象的原理和預防措施進行了探討。
2 LNG的特點
    LNG是天然氣經過脫水、脫酸、脫重烴等凈化工藝后，再通過多種手段降溫液化得到的以甲烷為主要組分的混合物。LNG作為能源有其特有的優越性。首先，它的密度約是標準狀態下甲烷的625倍，比氣態天然氣更有利于輸送和儲存；其次，LNG的燃點約為650℃，比汽油、柴油更難點燃，-106.7℃以上的LNG蒸氣比空氣輕，因而稍有泄漏立即揮發；再次，LNG比氣態天然氣的雜質少，燃燒排放物更環保。
3 LNG的儲存
    LNG儲存的溫度與其應用環節有關，對于LNG工廠來說，生產出來的LNG溫度越低，越有利于儲存和運輸，所以LNG溫度可以達到-160℃以下，飽和蒸氣壓接近大氣壓。當LNG運輸到下游環節，作為燃料給LNG汽車加注時，由于LNG汽車發動機的要求，LNG的溫度必須提高。
4 LNG的危險因素
    ① LNG泄漏后會氣化成爆炸極限為5%～15%的氣態天然氣，一旦積聚容易燃燒爆炸，產生危害。
    ② 由于溫度過低，泄漏后容易對人體造成低溫凍傷。
    ③ 泄漏后產生的LNG蒸氣由于溫度很低，吸入人體后會傷害肺部，而且容易使人窒息。
    ④ LNG還可能在儲罐內產生分層和渦旋現象，引發事故。
5 LNG的分層與渦旋
   ① LNG在儲罐內的自然對流
   低溫儲罐內LNG的自然對流見圖1。從LNG儲罐底部及側壁進入的熱量，不斷為與儲罐壁接觸的LNG邊界層加熱。邊界層的LNG吸收熱量后膨脹，密度減小，當此部分LNG所受的浮力大于其所受的壓力時，就會沿著儲罐壁向上運動。由于其溫度略高于罐內其他液體，當運動到液面頂部時，其中一部分蒸發進入氣相空間，氣相空間的壓力隨著溫度的升高而升高并保持平衡。這就是儲罐內LNG自然對流的過程。盡管此過程不易被人察覺，實際上自然對流是非常強烈的，當氣相空間的壓力超過限定壓力后可通過安全閥或其他泄壓方式泄放氣體，以保證LNG儲罐的安全。
   ② LNG的分層
   盡管LNG要比氣態天然氣雜質少得多，但它仍然是一種多組分混合物。LNG的主要組分是CH4，此外還有少量的C2H6、C3H8及N2等。在儲存過程中，各組分的蒸發量比例會與初始時LNG不同，因而會導致LNG的組成和密度發生變化。例如，當LNG中N2含量較高時，由于N2是LNG中揮發性最強的組分(沸點為-195.6℃)，它比甲烷和其他碳氫化合物先蒸發，又由于N2的相對分子質量比CH4大得多，隨著N2的蒸發，LNG的整體密度不斷減小。反之，當LNG中N2含量較低，而碳氫化合物含量相對較高時，CH4的揮發占主導地位，又由于CH。的相對分子質量比其他碳氫化合物小，隨著CH4的蒸發，LNG的密度不斷增大。總之，隨著時間的推移，LNG的組成和密度與剛進入儲罐時LNG的組成和密度不同，這個過程叫作老化。
    LNG老化只是形成分層的一個原因，老化的LNG與新充入的LNG由于密度不同就會產生分層。造成分層還有可能是其他原因，如新充入的LNG的產地與儲罐內LNG的產地不同，生產工藝也可能不同，這就會導致LNG的組成和密度也不同。又如，新充入的LNG與儲罐內LNG的溫度不同，也可能產生分層。產生分層是LNG發生渦旋的必要條件。
   ③ 渦旋的發生
   當LNG產生分層后，上層較輕的LNG自然對流，由于其與氣相空間相鄰，可通過不斷蒸發來釋放熱量。下層較重的LNG吸收儲罐底部及側壁的熱量，其邊界層的LNG由于密度減小，由浮力驅動向上運動。當運動到分層面時，由于浮力較小，上升液體不足以穿透分層面到達上層，下層LNG只能處于一種內部對流狀態。上下兩層對流獨立進行，見圖2。由于不斷與外界進行微弱的熱交換，下層LNG溫度不斷上升，隨著溫度的升高，密度相應減小。當上下兩層的密度足夠接近時發生快速混合，下層積聚的熱量突然釋放出來，同時伴隨著LNG表面蒸發率的驟增，幾乎可達到正常情況下蒸發率的250倍。蒸發產生的大量氣體，引起儲罐內壓力突然增大，導致大量天然氣排空，造成嚴重浪費，甚至破壞儲罐的安全設施。還可能毀壞儲罐及工藝系統，導致噴射低溫液體，引起爆炸或火災，嚴重威脅人員和財產安全。
 
6 渦旋的預防
    渦旋是由于大量的熱量積聚到儲罐內一部分LNG中又突然釋放出來的結果。盡管不是經常發生，但渦旋仍然是LNG儲存過程中需要重點預防的事故。國外發生的影響最大的兩起由于渦旋而引發的事故：一是1971年意大利SNAM LNG儲配站事故，造成近140t的LNG氣化放空；二是1993年英國燃氣公司的一處LNG儲配站的事故，造成150t的LNG損失。我國2005年長沙星沙LNG儲配站泄漏事故也是由于球形儲罐中LNG產生分層和渦旋而引發的。
    在實際應用過程中，尤其是一些容積比較小的低溫儲罐，由于沒有必需的檢測設備，分層很難被檢測出來。這就使渦旋現象具有不可預見的特點，但這并不妨礙我們對渦旋的預防，預防渦旋的主要手段就是要防止分層的產生，主要有以下幾種措施。
   ① 低溫儲罐內的LNG盡量來自同一產地、同一氣源。
   ② 如果產地和氣源不同造成LNG組成和溫度不同，或是由于儲罐內LNG靜置時間過長而老化后又新充入LNG，此時可根據情況分別選擇從儲罐底部或頂部進液的充裝方法，并且使用多孔管充注，這樣可使新的LNG與原儲罐中的LNG充分混合，有效防止分層。
    ③ 當需要調節儲罐內的氣相壓力時，經過氣化后的天然氣應從儲罐底部進入罐內，氣體在罐內上升的過程中，也對儲罐內LNG產生攪拌的作用，可預防分層。
   ④ 設計合理的安全放散系統，儲罐一旦發生渦旋，能盡可能地迅速排空，最大限度地保證人民生命和財產安全。
參考文獻：
[1] 李佩銘，焦文玲，蔣永明，等.我國液化天然氣應用與推廣[J].煤氣與熱力，2008，28(1)：B25-B28.
[2] 石志儉，郭全文.液化天然氣氣化站的安全設計[J].煤氣與熱力，2009，29(10)：B11-B13.
[3] 顧安忠，魯雪生，汪榮順，等.液化天然氣技術[M].北京：機械工業出版社，2003.
 
(本文作者：陳棟1 焦曉杰2 1.安瑞科(廊坊)能源裝備集成有限公司 河北廊坊 065001；2.新奧集團股份有限公司 河北廊坊 065001)