液化天然氣的分層與渦旋

摘 要

摘要：分析了LNG的特點(diǎn)以及在儲(chǔ)存過程中存在的危險(xiǎn)因素，論述了LNG在儲(chǔ)存過程中產(chǎn)生老化、分層及渦旋的原理，探討了預(yù)防LNG發(fā)生渦旋的措施。關(guān)鍵詞：LNG；低溫儲(chǔ)存；老化；分層；渦旋Strati
摘要：分析了LNG的特點(diǎn)以及在儲(chǔ)存過程中存在的危險(xiǎn)因素，論述了LNG在儲(chǔ)存過程中產(chǎn)生老化、分層及渦旋的原理，探討了預(yù)防LNG發(fā)生渦旋的措施。
關(guān)鍵詞：LNG；低溫儲(chǔ)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(huán)境不斷惡化，人類環(huán)保意識(shí)日趨成熟，天然氣作為一種清潔能源以其獨(dú)有的優(yōu)越特性在世界范圍內(nèi)得到了快速應(yīng)用和推廣[1]。
    天然氣作為被世界公認(rèn)的清潔能源已經(jīng)在我國得到了快速發(fā)展。從地域上講，天然氣產(chǎn)出地如新疆、陜甘地區(qū)、四川、山西、內(nèi)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(shè)的華北、華中、華南地區(qū)，通過海洋石油天然氣的開采和通過LNG槽船大規(guī)模進(jìn)口液化天然氣的東南沿海地區(qū)，對(duì)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(shù)的發(fā)展，天然氣運(yùn)輸?shù)陌踩圆粩嗵岣撸S多遠(yuǎn)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(lǐng)域上講，天然氣作為民用燃?xì)饪梢蕴娲鷤鹘y(tǒng)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(jié)省費(fèi)用，而且保護(hù)環(huán)境；在工業(yè)上，天然氣可以應(yīng)用在鋼鐵、紡織、陶瓷玻璃制品和發(fā)電等多個(gè)領(lǐng)域。2009年，隨著全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇以及中國政府各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)政策的刺激，天然氣工業(yè)更呈現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭。
    隨著LNG工業(yè)的高速發(fā)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(chǔ)存過程中偶然發(fā)生的災(zāi)害性事故[3]。本文對(duì)低溫儲(chǔ)罐內(nèi)LNG發(fā)生分層和渦旋現(xiàn)象的原理和預(yù)防措施進(jìn)行了探討。
2 LNG的特點(diǎn)
    LNG是天然氣經(jīng)過脫水、脫酸、脫重?zé)N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(yōu)越性。首先，它的密度約是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷的625倍，比氣態(tài)天然氣更有利于輸送和儲(chǔ)存；其次，LNG的燃點(diǎn)約為650℃，比汽油、柴油更難點(diǎn)燃，-106.7℃以上的LNG蒸氣比空氣輕，因而稍有泄漏立即揮發(fā)；再次，LNG比氣態(tài)天然氣的雜質(zhì)少，燃燒排放物更環(huán)保。
3 LNG的儲(chǔ)存
    LNG儲(chǔ)存的溫度與其應(yīng)用環(huán)節(jié)有關(guān)，對(duì)于LNG工廠來說，生產(chǎn)出來的LNG溫度越低，越有利于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，所以LNG溫度可以達(dá)到-160℃以下，飽和蒸氣壓接近大氣壓。當(dāng)LNG運(yùn)輸?shù)较掠苇h(huán)節(jié)，作為燃料給LNG汽車加注時(shí)，由于LNG汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，LNG的溫度必須提高。
4 LNG的危險(xiǎn)因素
    ① LNG泄漏后會(huì)氣化成爆炸極限為5%～15%的氣態(tài)天然氣，一旦積聚容易燃燒爆炸，產(chǎn)生危害。
    ② 由于溫度過低，泄漏后容易對(duì)人體造成低溫凍傷。
    ③ 泄漏后產(chǎn)生的LNG蒸氣由于溫度很低，吸入人體后會(huì)傷害肺部，而且容易使人窒息。
    ④ LNG還可能在儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)生分層和渦旋現(xiàn)象，引發(fā)事故。
5 LNG的分層與渦旋
   ① LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)的自然對(duì)流
   低溫儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的自然對(duì)流見圖1。從LNG儲(chǔ)罐底部及側(cè)壁進(jìn)入的熱量，不斷為與儲(chǔ)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(dāng)此部分LNG所受的浮力大于其所受的壓力時(shí)，就會(huì)沿著儲(chǔ)罐壁向上運(yùn)動(dòng)。由于其溫度略高于罐內(nèi)其他液體，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到液面頂部時(shí)，其中一部分蒸發(fā)進(jìn)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(chǔ)罐內(nèi)LNG自然對(duì)流的過程。盡管此過程不易被人察覺，實(shí)際上自然對(duì)流是非常強(qiáng)烈的，當(dāng)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(chǔ)罐的安全。
   ② LNG的分層
   盡管LNG要比氣態(tài)天然氣雜質(zhì)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(chǔ)存過程中，各組分的蒸發(fā)量比例會(huì)與初始時(shí)LNG不同，因而會(huì)導(dǎo)致LNG的組成和密度發(fā)生變化。例如，當(dāng)LNG中N2含量較高時(shí)，由于N2是LNG中揮發(fā)性最強(qiáng)的組分(沸點(diǎn)為-195.6℃)，它比甲烷和其他碳?xì)浠衔锵日舭l(fā)，又由于N2的相對(duì)分子質(zhì)量比CH4大得多，隨著N2的蒸發(fā)，LNG的整體密度不斷減小。反之，當(dāng)LNG中N2含量較低，而碳?xì)浠衔锖肯鄬?duì)較高時(shí)，CH4的揮發(fā)占主導(dǎo)地位，又由于CH。的相對(duì)分子質(zhì)量比其他碳?xì)浠衔镄。S著CH4的蒸發(fā)，LNG的密度不斷增大?？傊?，隨著時(shí)間的推移，LNG的組成和密度與剛進(jìn)入儲(chǔ)罐時(shí)LNG的組成和密度不同，這個(gè)過程叫作老化。
    LNG老化只是形成分層的一個(gè)原因，老化的LNG與新充入的LNG由于密度不同就會(huì)產(chǎn)生分層。造成分層還有可能是其他原因，如新充入的LNG的產(chǎn)地與儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的產(chǎn)地不同，生產(chǎn)工藝也可能不同，這就會(huì)導(dǎo)致LNG的組成和密度也不同。又如，新充入的LNG與儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的溫度不同，也可能產(chǎn)生分層。產(chǎn)生分層是LNG發(fā)生渦旋的必要條件。
   ③ 渦旋的發(fā)生
   當(dāng)LNG產(chǎn)生分層后，上層較輕的LNG自然對(duì)流，由于其與氣相空間相鄰，可通過不斷蒸發(fā)來釋放熱量。下層較重的LNG吸收儲(chǔ)罐底部及側(cè)壁的熱量，其邊界層的LNG由于密度減小，由浮力驅(qū)動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到分層面時(shí)，由于浮力較小，上升液體不足以穿透分層面到達(dá)上層，下層LNG只能處于一種內(nèi)部對(duì)流狀態(tài)。上下兩層對(duì)流獨(dú)立進(jìn)行，見圖2。由于不斷與外界進(jìn)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(yīng)減小。當(dāng)上下兩層的密度足夠接近時(shí)發(fā)生快速混合，下層積聚的熱量突然釋放出來，同時(shí)伴隨著LNG表面蒸發(fā)率的驟增，幾乎可達(dá)到正常情況下蒸發(fā)率的250倍。蒸發(fā)產(chǎn)生的大量氣體，引起儲(chǔ)罐內(nèi)壓力突然增大，導(dǎo)致大量天然氣排空，造成嚴(yán)重浪費(fèi)，甚至破壞儲(chǔ)罐的安全設(shè)施。還可能毀壞儲(chǔ)罐及工藝系統(tǒng)，導(dǎo)致噴射低溫液體，引起爆炸或火災(zāi)，嚴(yán)重威脅人員和財(cái)產(chǎn)安全。
 
6 渦旋的預(yù)防
    渦旋是由于大量的熱量積聚到儲(chǔ)罐內(nèi)一部分LNG中又突然釋放出來的結(jié)果。盡管不是經(jīng)常發(fā)生，但渦旋仍然是LNG儲(chǔ)存過程中需要重點(diǎn)預(yù)防的事故。國外發(fā)生的影響最大的兩起由于渦旋而引發(fā)的事故：一是1971年意大利SNAM LNG儲(chǔ)配站事故，造成近140t的LNG氣化放空；二是1993年英國燃?xì)夤镜囊惶嶭NG儲(chǔ)配站的事故，造成150t的LNG損失。我國2005年長沙星沙LNG儲(chǔ)配站泄漏事故也是由于球形儲(chǔ)罐中LNG產(chǎn)生分層和渦旋而引發(fā)的。
    在實(shí)際應(yīng)用過程中，尤其是一些容積比較小的低溫儲(chǔ)罐，由于沒有必需的檢測(cè)設(shè)備，分層很難被檢測(cè)出來。這就使渦旋現(xiàn)象具有不可預(yù)見的特點(diǎn)，但這并不妨礙我們對(duì)渦旋的預(yù)防，預(yù)防渦旋的主要手段就是要防止分層的產(chǎn)生，主要有以下幾種措施。
   ① 低溫儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG盡量來自同一產(chǎn)地、同一氣源。
   ② 如果產(chǎn)地和氣源不同造成LNG組成和溫度不同，或是由于儲(chǔ)罐內(nèi)LNG靜置時(shí)間過長而老化后又新充入LNG，此時(shí)可根據(jù)情況分別選擇從儲(chǔ)罐底部或頂部進(jìn)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(chǔ)罐中的LNG充分混合，有效防止分層。
    ③ 當(dāng)需要調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐內(nèi)的氣相壓力時(shí)，經(jīng)過氣化后的天然氣應(yīng)從儲(chǔ)罐底部進(jìn)入罐內(nèi)，氣體在罐內(nèi)上升的過程中，也對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG產(chǎn)生攪拌的作用，可預(yù)防分層。
   ④ 設(shè)計(jì)合理的安全放散系統(tǒng)，儲(chǔ)罐一旦發(fā)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(cái)產(chǎn)安全。
參考文獻(xiàn)：
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[3] 顧安忠，魯雪生，汪榮順，等.液化天然氣技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(tuán)股份有限公司 河北廊坊 065001)