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液化天然氣儲運中的翻滾現(xiàn)象及預防措施

文檔作者：伍穎劉武張曉琳駱輝吳杰文檔來源： 1．西南石油大學石油工程學院 2．川慶鉆探公司科宏設計院 3．西南油氣田川中氣礦		點擊數：	更新時間： 2021年11月18日
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2008鉦
第6期
麓 適 技 木
Pipeline Technique
彳曼 舌
Equipment
2008
No．6
液化天然氣儲運中的翻滾現(xiàn)象及預防措施
伍穎 ，劉 武 ，張曉琳 ，駱輝 ，吳杰
(1．西南石油大學石油工程學院，四川成都610500；
2．川慶鉆探公司科宏設計院，四川成都610000；3．西南油氣田川中氣礦，四川遂寧629000)
摘要：介紹了液化天然氣儲運中的翻滾(渦旋)現(xiàn)象及預防措施，著重分析了液化天然氣在儲運中
的翻滾機理，提出了相應的預防措施，以減少和消除翻滾現(xiàn)象，提高液化天然氣在儲運中的安全性。
關鍵詞：液化天然氣；翻滾現(xiàn)象；儲運；預防措施
中圖分類號：TE82 文獻標識碼：A 文章編號：1004—9614(2008)06—0009—04
Rollover Phenomenon and Preventive M easure of
Liquefied Natural Gas(LNG)in Storage and Transportation
WU Ying ，LIU Wu ，ZHANG Xiao—Lin ，LUO Hui ，WU Jie
(1．School of Petroleum Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；
2．Chuan-Qing Dring Corp．，Chengdu 610000，China；
3．Central Sichuan Oil-gas Field of Southwest Oil-gas Field Company，Suining 629000，China)
Abstract：Introduced the rollover phenomenon and preventive measure of LNG in storage and transportation，and the roll—
over principle of LNG in storage and transportation are emphatically analyzed．Finally，this work proposes a correspo nding preven—
tive measure to reduee and eliminate the rollover phenomenon and enhance the LNG’S security in storage and transportation．
Key words：liquefied natural gas；rollover phenomenon；storage and transportation；preventive measure
1 液化天然氣儲運中的翻滾(渦旋)現(xiàn)象及其分析
液化天然氣(LNG)在儲運過程中，會發(fā)生一種被
稱為“渦旋”(rollover)的非穩(wěn)性現(xiàn)象，渦旋即翻滾現(xiàn)
象。渦旋是由于向已裝有LNG的低溫儲槽中充注新
的LNG液體，或由于LNG中的氮優(yōu)先蒸發(fā)而使儲槽
內的液體發(fā)生分層(stratification)。分層后的各層液
體在儲槽周壁漏熱的加熱下，形成獨立的自然對流循
環(huán)。該循環(huán)使各層液體的密度不斷發(fā)生變化，當相鄰
兩層液體的密度近似相等時，兩個液層就會發(fā)生強烈
的混合，瞬間產生大量的汽化氣。由于大量液體在短
時間內汽化，儲罐內壓力急劇增大，使壓力安全閥頻
繁開閉，并且在周圍的空間形成可爆炸性混合云團，
或引發(fā)沸騰液蒸汽膨脹爆炸(BLEVE)。如果不及時
通過安全釋放閥排放，就有可能造成貯槽的機械損傷
和一些設備損壞，同時排放大量的蒸發(fā)氣。這不僅對
LNG的儲運安全構成重大威脅，還會造成經濟上的損
失和環(huán)境污染。
1971年和1993年，意大利和英國先后出現(xiàn)兩次
因LNG翻滾導致的大事故 J。為此，LNG儲運的安
收稿日期：2008—05—05 收修改稿日期：2008—06—15
全性受到高度重視，對LNG翻滾現(xiàn)象展開了積極的研
究。2O世紀70年代中期，Ghatterjee和Germeles先后
提出分層界面靜止不動的翻滾模型，但這些模型預測
翻滾出現(xiàn)的時間比實際時間更長，偏差較大 I3 。
1983年，Heestand等人精練了Ghatterjee和Germeles
模型，將LNG看作甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮5種組
分的混合液，并編制了ROLLO計算程序。給定初始
溫度和組成，ROLLO程序可用數值方法計算出LNG
分層的演化過程，但該模型同樣保留著靜止界面假設
帶來的不足 。Muro等人對LNG在真空絕熱不銹鋼
槽中進行了試驗，并根據試驗數據整理出LNG蒸發(fā)率
與過熱度的關系_5 。20世紀80年代中后期，Kamiya
等通過實驗揭示出在翻滾發(fā)生前的階段里，分界面的
移動占主導地位 。Morrison使用液化石油氣試驗證
實了Kamiya等的實驗結果 ；法國煤氣公司進行的
試驗也復現(xiàn)了這個結果，并且顯示了分界面從固定到
開始移動的過程 。1997年，英國燃氣公司(British
Gas)的Bates和Morrison提出了三階段的Bates—Morri—
son模型 J。該模型比較簡單，準確合理，但也有一些
缺陷。因此，上海交通大學顧安忠課題組對Bates-
Morrison模型作了改進，將其發(fā)展為一個四階段模型，
10 Pipeline Technique and Equipment NOV．2008
更加符合實際情況? 。
2 翻滾現(xiàn)象的分類及其產生原因
2．1 翻滾現(xiàn)象的分類
(1)液化天然氣貯罐在長期貯存中，因其較輕的
組分(主要是氮氣和甲烷)優(yōu)先蒸發(fā)，而自發(fā)形成的翻
滾現(xiàn)象。
(2)液化天然氣貯罐原來留有液化天然氣，在充
裝密度不同、溫度不同的新LNG一段時間(幾小時甚
至幾十天)后，突然產生翻滾的現(xiàn)象。
2．2 分層現(xiàn)象產生的原因
(1)儲罐內液化天然氣由于各組分密度不同，導
致密度大的組分在下，密度小的組分在上，形成分層。
分析表明，很小的密度差就可導致分層的發(fā)生。
(2)液化天然氣進儲罐溫度的細微變化會引起液
體密度的細微變化。溫度高的液體的密度較小，溫度
低的液體的密度較大，因此，密度小的液體上浮，密度
大的液體下沉，產生分層現(xiàn)象。
(3)由于不同階段添加的液化天然氣的組分不
同，導致新舊液化天然氣兩層液體的密度不同，因此
罐內液體就會存在密度差，產生分層現(xiàn)象。
2．3 翻滾現(xiàn)象產生的原因
槽內液化天然氣在分層的情況下，由于儲槽周壁
及下部受熱較多，導致靠近周壁及下部的液體受熱向
上運動，在兩層內均產生對流狀態(tài)(見圖1)。當對流
進行至一定時期，由于液化天然氣中的氮氣首先容易
汽化，將促使下層LNG沖破層面，而與迅速上層LNG
混合，產生大量的汽化氣(見圖2)。
圉1 分層后LNG 的對流圖
從圖1所示分層分析可知，頂層的液體從周壁和
底層液體吸收的熱量一部分通過氣液界面的蒸發(fā)作
用散發(fā)到貨艙上部的氣態(tài)空間，另一部分則被該層液
體吸收，使該層液體的溫度升高；而底層液體從周壁
和底壁吸收的熱量則只能通過與頂層之間的液液界
面?zhèn)鹘o頂層液體。當兩個液層之間的溫度差異較小
時，通過界面?zhèn)鬟f的熱量就小于液體從周壁和底壁吸
收的熱量，底層液體被加熱，其溫度升高；反之，當兩
層液體溫度差異較大時，通過界面?zhèn)鬟f的熱量大于液
體從周壁和底壁吸收的熱量，底層液體被冷卻，其溫
度降低。
圖2 上F層LNG的混合圖
圖3、圖4分別顯示了兩種情況下液層的溫度、密
度隨時間的變化。在上述兩種情況下，頂層液體的溫
度都隨時間而升高，由于輕質組分的逐步蒸發(fā)，其密
度增大。但底層液體的變化則有所不同：在第一種情
況下，底層液體的溫度升高得較快，其密度減小，當上
下兩層的液體密度近似相等時，分層消失，液體便發(fā)
生強烈混和，產生翻滾現(xiàn)象；在第二種情況下，底層液
體的溫度降低，其密度增大，發(fā)生液體強烈混合產生
翻滾現(xiàn)象的時間則要推遲到頂層液體的密度也增加
到與底層液體密度近似相等時。
p
匿 ： 國 翻滾 c l?li~～ tIt
(b) (b)
圖3 液層溫度和密度隨時間 圖4 液層溫度和密度隨時間
變化圖(I) 變化圖(II)
2．4 翻滾現(xiàn)象發(fā)生的可能范圍
液化天然氣貯槽可分為3種基本類型：基本負荷
型出口暫存貯槽、高峰負荷型貯槽及終端裝置，這3種
貯槽都可能發(fā)生分層而引起渦旋，但各有特點。
(1)基本負荷型出口暫存貯槽，用于液體設備靠
近天然氣源。其特點為：液體在貯槽中貯存時間較
短，LNG組分相對穩(wěn)定，液化后至貯槽的充注速度較
快，LNG氮含量較低。
第6期 伍穎等：液化天然氣儲運中的翻滾現(xiàn)象及預防措施 ll
(2)高峰負荷型貯槽，用于調節(jié)高峰負荷以及為
冬季供應燃料。其特點為：液體在貯槽中停留的時間
較長，LNG組分相對較穩(wěn)定，液化后至貯槽的充注速
度較慢，LNG氮含量高低不等。
(3)終端裝置一般用于接受槽船等運輸的LNG，
亦可用于調峰目的。其特點為：液體在貯槽中停留的
時間長短不一，LNG組分變化范圍較大，充注速度或
高或低，LNG中氮含量高低不等。
3 翻滾現(xiàn)象的預防
液化天然氣翻滾是由分層引起的，因此防止分層
即可預防翻滾。
3．1 防止分層的方法
(1)不同產地、不同氣源的液化天然氣分開儲存，
可避免因密度差而引起的分層。
(2)根據需儲存的液化天然氣與儲槽內原有的液
化天然氣密度的差異，選擇正確的充注方法，可有效
防止分層。充注方法的選擇一般應遵循以下的原則：
密度相近時一般底部充注；將輕質LNG充注到重質
LNG儲槽中時，宜底部充注；將重質LNG充注到輕質
LNG儲槽中時，宜頂部充注。當充注量少于1．5 X 10
m 或貯槽中原有LNG少于10 m 時，可采取底部充
注(經驗表明：在這兩種情況下均不會形成穩(wěn)定的分
層)。
(3)使用混合噴嘴和多孑L管充注，可使充注的新
LNG和原有的LNG充分混合，從而避免分層。
(4)充分攪拌所有灌人儲罐的LNG，消除密度差，
防止LNG的分層。一般采用循環(huán)泵進行循環(huán)(即用
LNG泵由儲罐下部到上部打回流)的方法來使儲罐中
的組分充分混合。
(5)控制灌入儲罐LNG組分的密度變化范圍，盡
可能減小組分的密度差。
對于大型液化天然氣儲罐，充分攪和比較困難。
一旦發(fā)生LNG翻滾，汽化后的大量天然氣難以及時
通過安全釋放閥排放。為了防止發(fā)生事故，設置安
全釋放閥、放散火炬、回收壓縮系統(tǒng)等，防止LNG蒸
發(fā)、翻滾造成儲罐超壓。一般同時采用上述兩個措
施，并且盡量使一個儲罐僅用來儲存同一產地的
LNG，控制其組分的變化范圍，從而防止LNG的翻滾
現(xiàn)象。一般灌入儲罐的LNG的密度差盡量控制在
15 kg／m 以內。
根據經驗，為了避免分層現(xiàn)象，在液化過程中應
注意分析進料天然氣組分，不要有較大的密度差。否
則采取LNG直接進入汽化器，汽化后再輸到外界管網
進行循環(huán)的方式。進液過程中，選擇將溫度較低的
LNG從罐頂部灌人，將溫度較高的LNG從罐底部灌
入，使充液過程也成為不同密度的LNG混合的過程，
從而防止LNG分層，避免翻滾現(xiàn)象的產生。
3．2 分層的檢測與消除
3．2．1 分層的檢測
(1)可以通過測量LNG儲槽內垂直方向上的溫
度和密度來確定是否存在分層。一般情況下，當分層
液體之間的溫差大于0．2 K，密度差大于0．5 kg／m
時，即認為發(fā)生了分層。
(2)監(jiān)測LNG的蒸發(fā)速度。LNG分層會抑制
LNG的蒸發(fā)速度，使得翻滾前的蒸發(fā)速度比通常情況
下低。采用壓力表監(jiān)測罐內壓力時，大氣壓的變化會
影響對LNG蒸發(fā)速度的監(jiān)測，可以采用絕對壓力監(jiān)測
或記錄大氣壓的變化。
為了探測分層，還研制了用于LNG貯槽的分層探
測器，如美國科學儀器公司研制的Madel 6280 LTD—
MP型，可測量液面高度、溫度、密度等，測量由微機控
制，并能進行指定的數據處理，微機通過步進電機控
制測量高度，并分別測量該處的溫度和密度，進行數
據處理后可判斷是否存在分層。
3．2．2 分層的消除
探測到確已形成分層以后，可采用內部攪拌或輸
出部分液體的方法來消除分層。內部攪拌會引起蒸
發(fā)量增加，而快速輸出部分液體是一種較好消除分層
的方法。
一旦儲罐內發(fā)生翻滾現(xiàn)象，汽化后的大量天然氣
將難以及時通過泄放裝置排放。為防止發(fā)生事故，需
設置安全排放口、排放火炬、回收壓縮系統(tǒng)等。儲罐
內的LNG蒸汽產生后，通過蒸發(fā)氣總管排出，可以返
回船上(卸船時)，也可以進BOG壓縮機升壓，準備冷
凝或作為燃料氣使用；如果有大量蒸發(fā)氣產生，壓縮
機不能處理時，在蒸發(fā)氣總管上設置壓力調節(jié)裝置，
在LNG儲罐上的安全閥起跳前，蒸發(fā)氣將直接排放到
火炬總管；事故狀態(tài)下，罐內超壓，安全閥就會起跳，
蒸發(fā)氣直接排放到火炬總管燃燒。此外，提高設計壓
力與貯槽運行壓力之比值也可以預防，但這只適用于
初建貯槽。
參考文獻：
[1] 顧安忠，魯雪生，汪榮順，等．液化天然氣技術．北京：機械工業(yè)出
版社．2004．
1 2 Pipeline Technique and Equipment Nov．2008
(上接第8頁)10。cm’／s，符合中國纏繞墊片標準規(guī)
定4級泄漏率指標，但高于PVRC推薦的泄漏率指標。
工況波動時，該連接系統(tǒng)可能產生泄漏，甚至引發(fā)火
災事故。
為確定該連接的安全操作條件，進一步分析了不
同彎矩和軸向力組合對法蘭連接緊密性的影響，建立
了附加載荷和泄漏率之間的關系曲線，如圖5所示。
1·8
l 6
l·4
至1．2
1．0
8
暴O
．6
0 4
0．2
0
o一泄漏率為5．0×10一 cnl ／s
。一泄漏率為3．0×10—3 em：~／s
△一泄漏率為2．0×10 cma／s
☆一泄漏率為3 7×10 era ／s
＼ u
、
＼
＼ ＼
＼
0．6 1．2 1．8 2 4
彎矩／(1O~N．m)
圖5 附加載荷與泄漏率的關系曲線
依據圖5，可得到連接的最大允許泄漏率所對應的法
蘭連接可以承受的附加彎矩和附加軸向力。反之，亦
可得到承受附加載荷法蘭連接的泄漏率。圖5中曲線
所對應的載荷即為該法蘭連接的安全操作條件。
4 結束語
提出的基于緊密性和強度的螺栓法蘭連接安全
評價準則，為承受附加載荷螺栓法蘭連接的安全評價
和結構設計提供了借鑒。建立了某接管法蘭連接系
統(tǒng)緊密性和附加載荷之間的關系，驗證了安全評價方
法的可行性，確定了該連接的安全操作條件。
開發(fā)的基于ANSYS的螺栓法蘭連接分析模塊，實
現(xiàn)了參數化建模以及各元件應力分析和連接系統(tǒng)緊
密性分析的程序化。該模塊擴充了ANSYS的功能，簡
化了軟件操作，降低了使用難度，提高了計算效率。
建立的基于FEM的承受附加載荷的法蘭連接分
析方法，可以較好地預測法蘭連接的力學和密封行
為。在此基礎上，進一步考慮高溫作用下法蘭、墊片
和螺栓的蠕變和應力松弛特性，可對法蘭連接的結構
強度和緊密性做出更為精確的評價。
參考文獻：
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研究．石油機械，2000，28(2)：13—16．
作者簡介：劉容(1981～)，碩士研究生，主要研究方向為流體密封與測
控技術。

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