液化天然气的分层与涡旋
责任编辑：cnlng 浏览：4932次 时间： 2010-11-09 09:50:31
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摘要:摘要：分析了LNG的特点以及在储存过程中存在的危险因素，论述了LNG在储存过程中产生老化、分层及涡旋的原理，探讨了预防LNG发生涡旋的措施。 关键词：LNG；低温储存；老化；分层；涡旋 Stratification and Rollover of Liquefied Natural Gas CHEN Dong，JIA0 Xiao-j..
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摘要：分析了LNG的特点以及在储存过程中存在的危险因素，论述了LNG在储存过程中产生老化、分层及涡旋的原理，探讨了预防LNG发生涡旋的措施。
关键词：LNG；低温储存；老化；分层；涡旋
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
随着地球大气环境不断恶化，人类环保意识日趋成熟，天然气作为一种清洁能源以其独有的优越特性在世界范围内得到了快速应用和推广[1]。
天然气作为被世界公认的清洁能源已经在我国得到了快速发展。从地域上讲，天然气产出地如新疆、陕甘地区、四川、山西、内蒙古等地，以及得益于西气东输、川气东送等大型长输管线建设的华北、华中、华南地区，通过海洋石油天然气的开采和通过LNG槽船大规模进口液化天然气的东南沿海地区，对天然气的利用都日新月异。随着CNG长管气瓶车和低温真空LNG槽车技术的发展，天然气运输的安全性不断提高，许多远离天然气气源和输气管线的中小城市也开始使用这一清洁能源。从使用领域上讲，天然气作为民用燃气可以替代传统的燃料(如木柴、煤炭和石油等)；CNG和LNG还可以作为汽车的燃料用来代替汽油和柴油，不仅节省费用，而且保护环境；在工业上，天然气可以应用在钢铁、纺织、陶瓷玻璃制品和发电等多个领域。2009年，随着全球经济的复苏以及中国政府各项经济政策的刺激，天然气工业更呈现了蓬勃发展的势头。
随着LNG工业的高速发展，其安全性越来越得到人们的重视[2]。分层和涡旋是LNG在储存过程中偶然发生的灾害性事故[3]。本文对低温储罐内LNG发生分层和涡旋现象的原理和预防措施进行了探讨。
2 LNG的特点
LNG是天然气经过脱水、脱酸、脱重烃等净化工艺后，再通过多种手段降温液化得到的以甲烷为主要组分的混合物。LNG作为能源有其特有的优越性。首先，它的密度约是标准状态下甲烷的625倍，比气态天然气更有利于输送和储存；其次，LNG的燃点约为650℃，比汽油、柴油更难点燃，-106.7℃以上的LNG蒸气比空气轻，因而稍有泄漏立即挥发；再次，LNG比气态天然气的杂质少，燃烧排放物更环保。
3 LNG的储存
LNG储存的温度与其应用环节有关，对于LNG工厂来说，生产出来的LNG温度越低，越有利于储存和运输，所以LNG温度可以达到-160℃以下，饱和蒸气压接近大气压。当LNG运输到下游环节，作为燃料给LNG汽车加注时，由于LNG汽车发动机的要求，LNG的温度必须提高。
4 LNG的危险因素
① LNG泄漏后会气化成爆炸极限为5%～15%的气态天然气，一旦积聚容易燃烧爆炸，产生危害。
② 由于温度过低，泄漏后容易对人体造成低温冻伤。
③ 泄漏后产生的LNG蒸气由于温度很低，吸入人体后会伤害肺部，而且容易使人窒息。
④ LNG还可能在储罐内产生分层和涡旋现象，引发事故。
5 LNG的分层与涡旋
① LNG在储罐内的自然对流
低温储罐内LNG的自然对流见图1。从LNG储罐底部及侧壁进入的热量，不断为与储罐壁接触的LNG边界层加热。边界层的LNG吸收热量后膨胀，密度减小，当此部分LNG所受的浮力大于其所受的压力时，就会沿着储罐壁向上运动。由于其温度略高于罐内其他液体，当运动到液面顶部时，其中一部分蒸发进入气相空间，气相空间的压力随着温度的升高而升高并保持平衡。这就是储罐内LNG自然对流的过程。尽管此过程不易被人察觉，实际上自然对流是非常强烈的，当气相空间的压力超过限定压力后可通过安全阀或其他泄压方式泄放气体，以保证LNG储罐的安全。
 ② LNG的分层
尽管LNG要比气态天然气杂质少得多，但它仍然是一种多组分混合物。LNG的主要组分是CH4，此外还有少量的C2H6、C3H8及N2等。在储存过程中，各组分的蒸发量比例会与初始时LNG不同，因而会导致LNG的组成和密度发生变化。例如，当LNG中N2含量较高时，由于N2是LNG中挥发性最强的组分(沸点为-195.6℃)，它比甲烷和其他碳氢化合物先蒸发，又由于N2的相对分子质量比CH4大得多，随着N2的蒸发，LNG的整体密度不断减小。反之，当LNG中N2含量较低，而碳氢化合物含量相对较高时，CH4的挥发占主导地位，又由于CH。的相对分子质量比其他碳氢化合物小，随着CH4的蒸发，LNG的密度不断增大。总之，随着时间的推移，LNG的组成和密度与刚进入储罐时LNG的组成和密度不同，这个过程叫作老化。
LNG老化只是形成分层的一个原因，老化的LNG与新充入的LNG由于密度不同就会产生分层。造成分层还有可能是其他原因，如新充入的LNG的产地与储罐内LNG的产地不同，生产工艺也可能不同，这就会导致LNG的组成和密度也不同。又如，新充入的LNG与储罐内LNG的温度不同，也可能产生分层。产生分层是LNG发生涡旋的必要条件。
③ 涡旋的发生
当LNG产生分层后，上层较轻的LNG自然对流，由于其与气相空间相邻，可通过不断蒸发来释放热量。下层较重的LNG吸收储罐底部及侧壁的热量，其边界层的LNG由于密度减小，由浮力驱动向上运动。当运动到分层面时，由于浮力较小，上升液体不足以穿透分层面到达上层，下层LNG只能处于一种内部对流状态。上下两层对流独立进行，见图2。由于不断与外界进行微弱的热交换，下层LNG温度不断上升，随着温度的升高，密度相应减小。当上下两层的密度足够接近时发生快速混合，下层积聚的热量突然释放出来，同时伴随着LNG表面蒸发率的骤增，几乎可达到正常情况下蒸发率的250倍。蒸发产生的大量气体，引起储罐内压力突然增大，导致大量天然气排空，造成严重浪费，甚至破坏储罐的安全设施。还可能毁坏储罐及工艺系统，导致喷射低温液体，引起爆炸或火灾，严重威胁人员和财产安全。
 6 涡旋的预防
涡旋是由于大量的热量积聚到储罐内一部分LNG中又突然释放出来的结果。尽管不是经常发生，但涡旋仍然是LNG储存过程中需要重点预防的事故。国外发生的影响最大的两起由于涡旋而引发的事故：一是1971年意大利SNAM LNG储配站事故，造成近140t的LNG气化放空；二是1993年英国燃气公司的一处LNG储配站的事故，造成150t的LNG损失。我国2005年长沙星沙LNG储配站泄漏事故也是由于球形储罐中LNG产生分层和涡旋而引发的。
在实际应用过程中，尤其是一些容积比较小的低温储罐，由于没有必需的检测设备，分层很难被检测出来。这就使涡旋现象具有不可预见的特点，但这并不妨碍我们对涡旋的预防，预防涡旋的主要手段就是要防止分层的产生，主要有以下几种措施。
① 低温储罐内的LNG尽量来自同一产地、同一气源。
② 如果产地和气源不同造成LNG组成和温度不同，或是由于储罐内LNG静置时间过长而老化后又新充入LNG，此时可根据情况分别选择从储罐底部或顶部进液的充装方法，并且使用多孔管充注，这样可使新的LNG与原储罐中的LNG充分混合，有效防止分层。
③ 当需要调节储罐内的气相压力时，经过气化后的天然气应从储罐底部进入罐内，气体在罐内上升的过程中，也对储罐内LNG产生搅拌的作用，可预防分层。
④ 设计合理的安全放散系统，储罐一旦发生涡旋，能尽可能地迅速排空，最大限度地保证人民生命和财产安全。
参考文献：
[1] 李佩铭，焦文玲，蒋永明，等.我国液化天然气应用与推广[J].煤气与热力，2008，28(1)：B25-B28.
[2] 石志俭，郭全文.液化天然气气化站的安全设计[J].煤气与热力，2009，29(10)：B11-B13.
[3] 顾安忠，鲁雪生，汪荣顺，等.液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社，2003.
(本文作者：陈栋1 焦晓杰2 1.安瑞科(廊坊)能源装备集成有限公司 河北廊坊 065001；2.新奥集团股份有限公司 河北廊坊 065001)
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