液化天然气(LNG)在储罐储存中可能发生涡旋、爆喷等安全事故。1971 年 8 月,意大利 La Spezia 的某 LNG 储配站,在储罐充注 LNG 约 18 h 后,储罐压力突然迅速升高,罐内 318 立方米的 LNG 急剧汽化顶开安全阀全部放空。1993 年 10 月,英国燃气公司某储配站的 LNG 储罐,压力突然上升,罐上两个安全阀被顶开,紧急泄放阀同时开启,罐内 150 t 天然气全部被放空。无论 LNG 液化厂还是接收站或气化站,均需储存大量 LNG,但 LNG 储存温度极低(-162 ℃)且易燃易爆,必然遇到一些特殊的安全问题需要处理。因此,研究 LNG 的储存特性具有重要意义。
1 分层翻滚和间歇泉
1.1 分层翻滚的形成机理及预防
由不同气田的天然气生产的 LNG,成分和密度可能不同,如果将其储存在同一储罐中,重的往下沉,轻的向上浮,因而形成分层。由于储罐从外界吸热,上层 LNG 中的轻组分首先蒸发,密度增大,而下层 LNG虽然吸收外表热量,但因上层 LNG 的压制,蒸发温度升高,导致下层液体形成独立的自由热循环,能量不断积聚,温度升高,导致密度减小。当上下层 LNG 密度接近时,下层 LNG 突然上升而越过上层 LNG。上层 LNG 被下层温度高的 LNG 加热而快速蒸发,下层LNG 翻上来之后失去上层 LNG 的压制,因压力降低而处于过热状态,进而剧烈蒸发形成翻滚。翻滚时上下层 LNG 的迅速混合加快了罐内 LNG 的流动,蒸发率骤升,导致储罐压力骤增,如果罐内 LNG 超过设计压力,大量 LNG 将从安全阀喷出,导致安全事故。
同品种的 LNG 也会产生分层和涡旋,这是因为LNG 在储存中轻组分率先蒸发而导致密度变大,即所谓的“老化”。老化后的 LNG 密度增大下沉,轻组分没有蒸发的下层 LNG 上浮,产生分层。LNG 中含氮越多老化越快,这是由于氮的常压沸点为 -195.8 ℃,低于甲烷的沸点-161.5 ℃,因此在LNG中率先蒸发。
而在储存条件下,氮的密度约为 613 kg/m3,是甲烷密度 (425 kg/m3) 的 1.44 倍,氮蒸发后,LNG 因密度减小而上浮,随着时间的延长,在液面上积聚一层密度较小的液层,使罐内液体分层。可见,将不同成分或密度的LNG 分开储存,是防止罐内 LNG 分层的主要方法。
1.2 间歇泉的形成机理及预防
向储存有 LNG 的储罐中充入新的 LNG,正确方法如下:使用喷嘴管或多孔管充注,较重的从上部充注,较轻的和等重的从下部充注。在储罐内安装温度和压力传感器,当两层 LNG 间温度差大于 0.2 K 或密度差大于 0.5 kg/m3时,罐内 LNG 可能已经发生分层,需要采用搅拌或用泵循环的方法消除。向空罐注入LNG 前,可先用少量 LNG 对其喷淋预冷,防止因罐壁温度高而使 LNG 蒸发。如果储罐底部存在很长且充满 LNG 的竖直管路,因管内流体受热而产生蒸发气体,可能定期发生 LNG 突然喷发的现象。其原因是:管内的蒸发气体不能及时上升到油面,因而温度不断升高,密度减小,当气体产生的浮力足以克服 LNG 液柱高度产生的压力时,气体就会突然喷发。气体上升时,同时将管内的 LNG 也推入储罐,因竖管内的 LNG温度比储罐内的 LNG 温度高,故使罐内 LNG 大量气化,导致罐内压力迅速升高。如果竖直管路的底部存在较长的水平管路,这种现象将更为加严重。管内LNG 被推入储罐后,管内压力下降,储罐内的 LNG 补充进去,重新开始能量集聚,经过一段时间,再次喷发。
这种间断性的喷发称为间歇泉。罐内压力骤然上升,可能导致安全阀开启。竖管内的 LNG 被周期性的减压和增压,导致液体不断地排空和充注,管路中产生的甲烷蒸气被重新注入的 LNG 冷凝,形成水锤现象,产生很大的瞬间高压。这种高压可能造成管路中小的垫圈和阀门损坏。为防止间歇泉现象,储罐内避免设置过长管路,若必须设置,应关闭竖管底部的截断阀。
2 LNG 充注和压力控制
空储罐 ( 或管路、设备 ) 一般充满空气,充注 LNG前,需先用氮气、二氧化碳等惰性气体置换罐内空气,使罐内含氧量达到安全规定,再用 LNG 蒸气置换罐内惰性气体,之后进行冷却降温和充注 LNG。如储罐需进行内部检修,应先用惰性气体置换 LNG,再用空气置换惰性气体,相关指标达到安全规定后才能进入。
LNG 受热膨胀,因此向储罐内充注 LNG 时,必须留有膨胀空间,最大充装容量可以根据储罐安全阀设定压力和充注压力查图确定(图 1)。LNG 储罐一般装有两套独立的液位测量装置,同时配有高液位报警器,用以监视和控制液位。