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(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

近幾十年來(lái)，低溫常壓儲(chǔ)存在國(guó)內(nèi)蓬勃發(fā)展，我國(guó)沿海新建了很多液化天然氣(LNG)、丙烷、丙烯和液化石油氣(LPG)的低溫常壓儲(chǔ)罐。其中LNG的低溫常壓儲(chǔ)罐在全世界范圍內(nèi)已有較為廣泛和成熟地應(yīng)用，也有相當(dāng)多針對(duì)LNG低溫儲(chǔ)存的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。近年來(lái)，隨著丙烷脫氫等新工藝的興起，在我國(guó)沿海區(qū)域，進(jìn)口丙烷、液化石油氣等進(jìn)一步增多，大大增加了對(duì)丙烷、液化石油氣等低溫儲(chǔ)存的需求。丙烷、LPG等的物理化學(xué)性質(zhì)與LNG相比雖相似，但也有不同之處。目前尚無(wú)廣泛使用的專門(mén)針對(duì)丙烷、LPG等低溫儲(chǔ)存設(shè)計(jì)和建造的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

對(duì)LNG低溫常壓儲(chǔ)罐的超壓防護(hù)中，往往都要考慮儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的翻滾導(dǎo)致的瞬間壓力升高工況[1]。為了防止翻滾的發(fā)生，LNG低溫常壓儲(chǔ)罐往往設(shè)置密度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或溫度-液位聯(lián)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)液體不同高度的密度或溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。世界知名的儲(chǔ)罐儀表供貨廠家也相應(yīng)提供了LNG的防翻滾預(yù)測(cè)軟件。在LNG低溫常壓儲(chǔ)存領(lǐng)域，防翻滾系統(tǒng)的設(shè)置已經(jīng)成為了一種標(biāo)準(zhǔn)配置。

對(duì)于液化石油氣、丙烷、丙烯、混合碳四等物料的低溫、常壓儲(chǔ)存，盡管是國(guó)際知名的儲(chǔ)罐儀表供貨廠家，也沒(méi)有針對(duì)這些物料的低溫儲(chǔ)存開(kāi)發(fā)防翻滾預(yù)測(cè)軟件。因此，業(yè)內(nèi)有一些觀點(diǎn)認(rèn)為液化石油氣、丙烷、丙烯、混合碳四等物料不存在翻滾工況。

以下將從翻滾產(chǎn)生的過(guò)程開(kāi)始分析，探討翻滾發(fā)生的根源，證明液化石油氣、丙烷、丙烯、混合碳四等物料的低溫常壓儲(chǔ)罐依然需要考慮防翻滾的措施。

1 液化天然氣低溫常壓儲(chǔ)罐翻滾的過(guò)程

對(duì)LNG低溫儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)，翻滾的前提條件在于儲(chǔ)罐內(nèi)部?jī)?chǔ)存的液體分層。原本上輕下重的液體在某時(shí)刻下層密度與上層近似相等時(shí)發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)和混合，因而出現(xiàn)翻滾。這一過(guò)程實(shí)際上可以分為以下兩個(gè)步驟。

(1)第一步，由于組成或溫度不同，靜置在低溫儲(chǔ)罐的LNG液體會(huì)出現(xiàn)密度不同的液層。各液層逐漸穩(wěn)定，穩(wěn)定的各液層內(nèi)部會(huì)有獨(dú)立的對(duì)流循環(huán)，但層間由于重力、浮力和粘滯力造成的阻力，相互間幾乎沒(méi)有對(duì)流的發(fā)生。

(2)第二步，在穩(wěn)定分層出現(xiàn)后繼續(xù)靜置，由于儲(chǔ)罐壁和底漏熱，下層液體溫度逐漸增加。頂層液體盡管也從罐壁吸收了熱量，但可以通過(guò)蒸發(fā)吸熱來(lái)穩(wěn)定頂層溫度。同時(shí)，頂部液層本身也是混合物，在蒸發(fā)時(shí)優(yōu)先蒸發(fā)出輕組分，因而頂部液層的組成逐漸變重，密度逐漸增加；底部液層由于溫度上升，密度逐漸降低，低溫儲(chǔ)罐內(nèi)液體分層示意見(jiàn)圖1。

圖1 低溫儲(chǔ)罐內(nèi)液體分層示意

(3)隨著頂部液層密度增加，底部液層密度降低，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一時(shí)刻，上下液層的密度相近時(shí)，穩(wěn)定的分層系統(tǒng)就會(huì)破壞，上部液層的液體穿過(guò)層間界限與下層快速劇烈混合。之前在持續(xù)漏熱的過(guò)程中，下部液層逐漸出現(xiàn)過(guò)飽和的狀態(tài)，在整個(gè)液層的靜壓作用下呈現(xiàn)液態(tài)。一旦這些過(guò)飽和液體進(jìn)入上層，壓力驟然降低后就會(huì)迅速汽化。在此過(guò)程中產(chǎn)生大量的閃蒸氣。

此過(guò)程產(chǎn)生的閃蒸氣量一般要遠(yuǎn)大于儲(chǔ)罐日蒸發(fā)和其他正常工況的閃蒸氣產(chǎn)生量。具體產(chǎn)生量的多少與層間密度差、罐內(nèi)組成、底部液層過(guò)熱度等都有關(guān)系。另外，層間快速混合發(fā)生的時(shí)機(jī)有很大的隨機(jī)性，這個(gè)過(guò)程越遲滯，底部液層積累的過(guò)熱度就越高，翻滾后產(chǎn)生的閃蒸氣量也越大。目前，并沒(méi)有較準(zhǔn)確的通用模型能夠估算翻滾量的大小。有文獻(xiàn)認(rèn)為由于翻滾導(dǎo)致的瞬間蒸發(fā)量是自然日蒸發(fā)量的10～50倍[2]。也有一些業(yè)內(nèi)研究者認(rèn)為此瞬間蒸發(fā)量為正常情況下蒸發(fā)率的250倍[3]。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS EN 1473對(duì)LNG低溫儲(chǔ)罐翻滾工況閃蒸氣泄放量估算的建議是：如果沒(méi)有可靠適用的模型用以預(yù)測(cè)翻滾產(chǎn)生的閃蒸氣量，可以按100倍日蒸發(fā)量來(lái)粗略估計(jì)[4]。

2 低溫常壓儲(chǔ)罐翻滾的根源

從上述分析可以明顯看到，翻滾發(fā)生的前提是儲(chǔ)罐內(nèi)部液體出現(xiàn)了穩(wěn)定分層，下層液體因?yàn)閮?chǔ)罐漏熱和層間對(duì)流的抑制而逐漸變成過(guò)飽和。那么說(shuō)明液體穩(wěn)定分層的原因就是儲(chǔ)罐翻滾的根源。

LNG一般含有92%左右的甲烷，1%～6%的乙烷，0%～3%的氮，以及丙烷、丁烷和其他烴類化合物?；旌衔镬o置后較重的組分因密度大而下沉，較輕的組分因密度小而上升，因而出現(xiàn)分層。這是混合物的特性，而不是LNG中存在某特殊分層的因素。

我國(guó)諸多液化石油氣、丙烷、混合碳四低溫儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存物料大多也同樣是烴類混合物。比如浙江某丙烷脫氫工廠采購(gòu)的中東商品低溫丙烷，其組成為97%左右的丙烷、2%左右的乙烷、1%左右的混合碳四、以及少量碳五以上組分。輕烴類常壓沸點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1；輕烴類在各自常壓沸點(diǎn)下的密度對(duì)比見(jiàn)表2。

表1 輕烴常壓沸點(diǎn)對(duì)比

表2 輕烴在各自常壓沸點(diǎn)下的密度對(duì)比

液化石油氣和混合碳四的組成則更加復(fù)雜，這些混合烴類在低溫儲(chǔ)罐中長(zhǎng)久靜置后依然會(huì)有分層的現(xiàn)象。穩(wěn)定分層后的液化石油氣、丙烷、混合碳四等，上層由于不斷蒸發(fā)出輕組分，密度逐漸增大，下層因?yàn)槲鼰嶂饾u過(guò)飽和且密度降低，在某一時(shí)刻，會(huì)和LNG儲(chǔ)罐一樣有翻滾發(fā)生的可能。

對(duì)于純度極高的輕烴，比如99.8%的丙烷或丙烯，其發(fā)生分層的潛在原因則與組成變化無(wú)關(guān)。

一般對(duì)于同類輕烴純物質(zhì)，密度隨溫度升高呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢(shì)。低溫儲(chǔ)罐內(nèi)的純烴，如丙烷或丙烯，在氣液界面可以通過(guò)蒸發(fā)保持溫度，同時(shí)下部液體吸收來(lái)自罐底和罐壁的熱量，溫度逐漸升高，密度比上層低，有潛在的對(duì)流推動(dòng)力，一般可以在儲(chǔ)罐內(nèi)部形成穩(wěn)定的對(duì)流，防止分層的發(fā)生。但大型的低溫常壓儲(chǔ)罐液層厚度很大，如浙江某項(xiàng)目公稱容積35 000m3的低溫儲(chǔ)罐，其直徑為42.7m，正常液位高度25m左右，設(shè)計(jì)最大液位高度為28.0m。底部液體在向上對(duì)流的過(guò)程中被其上部的液體冷卻，密度增加，對(duì)流推動(dòng)力消失，此時(shí)在粘滯力作用下停止向上運(yùn)動(dòng)，那么從氣液相界面開(kāi)始，沿液位由高至低，仍然有可能會(huì)出現(xiàn)溫度逐漸升高，密度逐漸降低的穩(wěn)定分層。

與常溫常壓狀態(tài)的水不同，低溫儲(chǔ)罐中的輕烴始終處于沸點(diǎn)狀態(tài)附近，下層液體逐漸吸熱，容易達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，在某一時(shí)刻穩(wěn)定分層的亞穩(wěn)態(tài)被打破，翻滾就會(huì)發(fā)生。在儲(chǔ)存溫度下粘滯力越大的物料，這種情況越易出現(xiàn)。

3 LNG等低溫常壓儲(chǔ)罐防翻滾的監(jiān)測(cè)手段

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于LNG低溫常壓儲(chǔ)罐的防翻滾有通用的設(shè)置模式。液化石油氣等介質(zhì)的低溫常壓儲(chǔ)罐可以適當(dāng)參照。一方面，需要對(duì)液體分層情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；另一方面，需要有分層傾向出現(xiàn)后防止分層的措施。

對(duì)前者來(lái)說(shuō)，最直接的手段是對(duì)密度直接監(jiān)測(cè)。大型LNG低溫常壓儲(chǔ)罐一般都設(shè)置了液位-溫度-密度一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(LTD)，直接測(cè)量不同液位高度上相鄰測(cè)點(diǎn)的密度，并通過(guò)儀表廠家提供的翻滾預(yù)測(cè)軟件對(duì)數(shù)值進(jìn)行分析，當(dāng)穩(wěn)定分層發(fā)生可能引發(fā)翻滾時(shí)，軟件會(huì)發(fā)出預(yù)警，操作人員可據(jù)此采取措施。

如果沒(méi)有采用相應(yīng)的翻滾軟件，也可根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)粗略判斷。根據(jù)研究[5]，對(duì)于LNG，一般當(dāng)LTD相鄰測(cè)點(diǎn)的溫差大于0.2℃，密度差大于0.5 kg/m3時(shí)，認(rèn)為發(fā)生了明顯分層，需要采取措施防止翻滾。

對(duì)于液化石油氣、丙烷、丙烯、混合碳四等物料，由于沒(méi)有針對(duì)物料開(kāi)發(fā)的較為可靠的翻滾軟件，只能通過(guò)監(jiān)測(cè)相鄰測(cè)點(diǎn)的溫度和密度預(yù)判分層的出現(xiàn)。

也有些小型儲(chǔ)運(yùn)站或工廠考慮到投資成本因素，沒(méi)有設(shè)置LTD，僅通過(guò)平均溫度計(jì)的多點(diǎn)溫度測(cè)量監(jiān)測(cè)相鄰測(cè)點(diǎn)的溫差進(jìn)而預(yù)判分層。從上述分析可知，分層發(fā)生與否的最直接判據(jù)是相鄰點(diǎn)的密度差。有些情況下，溫差不同進(jìn)而密度差不同，此時(shí)的確可以通過(guò)監(jiān)測(cè)溫差來(lái)間接測(cè)量密度差；另一些情況下，組成不同導(dǎo)致密度差，這時(shí)溫度差雖然在正常范圍內(nèi)，但難以保證密度差也在正常范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于低溫常壓儲(chǔ)罐防翻滾的措施，不論儲(chǔ)存介質(zhì)是LNG或LPG等，基本都是通過(guò)主動(dòng)干預(yù)，防止分層的發(fā)生，或者及時(shí)破壞已經(jīng)分層的傾向。具體來(lái)說(shuō)，主要分為兩種情況。

(1)此類儲(chǔ)罐都宜設(shè)置上部和底部?jī)蓚€(gè)進(jìn)料口，在儲(chǔ)罐充裝前，要測(cè)量低溫船或槽車內(nèi)物料的性質(zhì)，并與罐內(nèi)已有物料的性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比。罐內(nèi)物料密度更小，則進(jìn)料應(yīng)從罐上部環(huán)形進(jìn)料口進(jìn)入；罐內(nèi)物料密度更大，則進(jìn)料應(yīng)從罐底部進(jìn)料口進(jìn)入。從而促進(jìn)混合，防止分層的發(fā)生。

(2)在正常儲(chǔ)存時(shí)，應(yīng)密切監(jiān)視罐內(nèi)相鄰測(cè)點(diǎn)間的密度差和溫度差，一旦出現(xiàn)分層的預(yù)兆，應(yīng)開(kāi)啟罐內(nèi)泵打回流。底部液體通過(guò)罐內(nèi)泵抽出，送回頂部，進(jìn)而促進(jìn)罐內(nèi)物料的混合，破壞分層的傾向。