王 萍，崔曉飛，喬海平，王銀娜

1.青島濱海學(xué)院建筑工程學(xué)院，山東青島 266555

2.中國(guó)石油華北油田江蘇儲(chǔ)氣庫(kù)分公司，河北任丘 062550

隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整以及對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的提高，液化天然氣（LNG）作為一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性的清潔能源在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，儲(chǔ)罐是LNG接收站的核心設(shè)備，也是LNG的主要儲(chǔ)存設(shè)備[1]。LNG儲(chǔ)罐類(lèi)型眾多，考慮到安全性和經(jīng)濟(jì)性，國(guó)內(nèi)外的接收站大多采用全容式LNG儲(chǔ)罐[2-3]。LNG作為一種高效、清潔的能源，在國(guó)際上越來(lái)越得到重視，越來(lái)越多的LNG接收站被設(shè)計(jì)建造并投入生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。預(yù)計(jì)2025年之后，我國(guó)LNG進(jìn)口需求將快速攀升，LNG接收站接收能力缺口將快速擴(kuò)大，已建、在建及擬建的接收站項(xiàng)目不能滿(mǎn)足需求[4]。

LNG儲(chǔ)罐在LNG接收站中占據(jù)核心地位，存在火災(zāi)、低溫、BOG、翻滾等重大潛在危險(xiǎn)。一旦發(fā)生儲(chǔ)液分層與翻滾事故，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG液體在短時(shí)間內(nèi)急劇蒸發(fā)，罐內(nèi)壓力迅速上升[5]，安全泄放閥打開(kāi)將BOG排放至空氣中形成爆炸性云團(tuán)，如果遇見(jiàn)明火就會(huì)產(chǎn)生爆炸，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，還會(huì)帶來(lái)不可估量的經(jīng)濟(jì)損失，甚至重大的人員傷亡，給社會(huì)帶來(lái)恐慌。因此，研究大型LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)液分層與翻滾的預(yù)防措施是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。

本文在對(duì)密閉LNG儲(chǔ)罐靜態(tài)蒸發(fā)影響因素研究[2]以及對(duì)LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)液分層與翻滾的影響特性研究的基礎(chǔ)上，從LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)建造、投產(chǎn)準(zhǔn)備、運(yùn)行檢測(cè)，LNG船舶接卸以及LNG組分要求等五個(gè)方面著手，總結(jié)提出預(yù)防LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)液分層與翻滾的措施，具有一定的參考價(jià)值。

1 LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)建造

LNG儲(chǔ)罐的工程設(shè)計(jì)是整個(gè)LNG接收站的核心，在整個(gè)工程項(xiàng)目生命周期中占據(jù)至關(guān)重要的地位。LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)建造過(guò)程中，必須嚴(yán)格按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)操作。美國(guó)、日本、英國(guó)、歐盟等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)都己在常壓LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)行等方面制定了專(zhuān)門(mén)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[6]，我國(guó)也針對(duì)LNG儲(chǔ)罐制定了相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外大型常壓LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)

上述國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，世界上公認(rèn)美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 650、API 620以及英國(guó)標(biāo)準(zhǔn) BSEN 14620-2:2006是儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)和建造的最高標(biāo)準(zhǔn)，在全球得到廣泛的應(yīng)用。

針對(duì)LNG儲(chǔ)罐可能發(fā)生的儲(chǔ)液分層與翻滾現(xiàn)象，在進(jìn)行LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾個(gè)方面：

（1）在進(jìn)行儲(chǔ)罐保冷性能的計(jì)算時(shí)，盡量考慮當(dāng)?shù)氐淖罡攮h(huán)境溫度。外界環(huán)境溫度越高，LNG儲(chǔ)罐的靜態(tài)日蒸發(fā)速率越大，罐內(nèi)壓力增長(zhǎng)越快，罐內(nèi)LNG液體安全存儲(chǔ)時(shí)間越短?？紤]當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境最高溫度，可以為儲(chǔ)罐的安全存儲(chǔ)時(shí)間預(yù)留足夠的余量，確保儲(chǔ)存的安全。

（2）儲(chǔ)罐在建造過(guò)程中，除了做好必要的基礎(chǔ)建設(shè)和結(jié)構(gòu)之外，保溫層以及熱角保護(hù)要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行，保冷層要保持干燥，水分的進(jìn)入會(huì)導(dǎo)致保冷層導(dǎo)熱系數(shù)增大，從而降低保冷性能。

（3）保冷材料導(dǎo)熱系數(shù)直接影響儲(chǔ)罐內(nèi)的蒸發(fā)速率，保溫材料的選擇對(duì)LNG儲(chǔ)罐的運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。保冷材料要滿(mǎn)足保冷性能好、線(xiàn)膨脹系數(shù)小、抗吸水吸濕性、抗水蒸汽滲透性與化學(xué)性能穩(wěn)定。LNG儲(chǔ)罐常用的保冷材料有聚氨酯泡沫、膨脹珍珠巖、泡沫玻璃磚、彈性纖維氈等。

2 LNG儲(chǔ)罐投產(chǎn)準(zhǔn)備

LNG儲(chǔ)罐在投入運(yùn)營(yíng)之前，需要按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行水壓試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)的水質(zhì)必須滿(mǎn)足要求才可以使用，否則會(huì)引發(fā)腐蝕，因此即使LNG接收站一般建立在大型港灣附近，擁有豐富的海水資源，但不能直接使用。儲(chǔ)罐在建造以及運(yùn)行中一旦發(fā)生內(nèi)罐腐蝕，極易穿孔，LNG液體泄漏進(jìn)入儲(chǔ)罐的保冷層，使保冷層導(dǎo)熱系數(shù)增大，保冷性能降低，從而造成極大影響。除此之外，還要避免由于外力作用造成儲(chǔ)罐外罐的破裂，導(dǎo)致空氣中的水分等進(jìn)入儲(chǔ)罐的保冷層，同樣會(huì)使保冷層導(dǎo)熱系數(shù)增大，保冷性能降低。因此要堅(jiān)決杜絕各種形式的腐蝕并保證外罐的完整性。

LNG儲(chǔ)罐在投入運(yùn)營(yíng)前必須經(jīng)過(guò)干燥、置換和預(yù)冷工序[1]，在LNG儲(chǔ)罐投產(chǎn)準(zhǔn)備過(guò)程中，主要從儲(chǔ)罐的干燥置換方面進(jìn)行LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)液分層與翻滾的預(yù)防分析。投產(chǎn)之前對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行氮?dú)獾母稍镏脫Q，不僅要排凈儲(chǔ)罐主體內(nèi)罐空間里的水分，以免在儲(chǔ)罐投產(chǎn)后罐中水分凝結(jié)造成閥門(mén)、管道的堵塞或液相水在罐內(nèi)結(jié)冰；還要對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)外罐間環(huán)狀?yuàn)A層空間以及底部保冷層進(jìn)行干燥置換，使保冷層內(nèi)保冷材料干燥且不含水分等高導(dǎo)熱系數(shù)的雜質(zhì)，確保保冷層良好的保冷效果。儲(chǔ)罐保冷層的保冷效果對(duì)儲(chǔ)罐的靜態(tài)蒸發(fā)影響較大，對(duì)安全存儲(chǔ)至關(guān)重要。儲(chǔ)罐干燥置換指標(biāo)要求見(jiàn)表2。

表2 LNG儲(chǔ)罐氮?dú)庵脫Q、干燥標(biāo)準(zhǔn)

干燥置換氮?dú)鈺r(shí)要求氮?dú)飧稍锴业看笥?9.9%（v），露點(diǎn)不高于-60℃，壓力0.3 MPa左右，純度和氮?dú)夤?yīng)源的露點(diǎn)應(yīng)在氮?dú)庵脫Q及干燥前檢查完畢。在儲(chǔ)罐的干燥置換中，可采用氮?dú)庵苯痈稍镏脫Q，也可先用熱干空氣干燥再用氮?dú)膺M(jìn)行干燥置換的方法，其中后者效率較高、節(jié)省成本且效果較好。

儲(chǔ)罐干燥置換示意和氮?dú)庾⑷肟谝?jiàn)圖1。

圖1 大型LNG儲(chǔ)罐干燥置換示意

3 LNG儲(chǔ)罐運(yùn)行監(jiān)測(cè)

儲(chǔ)罐在完成投產(chǎn)準(zhǔn)備后，即可投入生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。儲(chǔ)罐的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)期是儲(chǔ)罐生命周期中最長(zhǎng)的一段。對(duì)LNG儲(chǔ)罐的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)以確保LNG儲(chǔ)罐安全必不可少，預(yù)防儲(chǔ)罐儲(chǔ)液發(fā)生分層與翻滾主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

（1）密度、壓力、溫度檢測(cè)。一般會(huì)在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壁的垂直方向上和環(huán)周上每隔一段相等的距離，平均設(shè)置溫度、密度、壓力等參數(shù)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，及時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG物性的變化。一般認(rèn)為相鄰兩層LNG之間密度差大于0.5 kg/m3、溫度差大于0.2℃就會(huì)引起LNG的分層與翻滾，將導(dǎo)致大量LNG快速蒸發(fā)，造成極大的安全威脅及經(jīng)濟(jì)損失。因此要密切關(guān)注儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、溫度的變化，以免發(fā)生事故危害。

（2）液位檢測(cè)。關(guān)注儲(chǔ)罐內(nèi)液位的變化，當(dāng)儲(chǔ)罐的初始充滿(mǎn)率較大時(shí)，受熱發(fā)生熱脹后有溢罐的危險(xiǎn)；在LNG船向儲(chǔ)罐內(nèi)進(jìn)行LNG充裝時(shí)，密切關(guān)注儲(chǔ)罐所允許的儲(chǔ)罐最高液位，避免溢罐；在使用罐內(nèi)低壓泵向外輸送LNG液體時(shí)，要密切關(guān)注儲(chǔ)罐所允許的最低液位，防止LNG被抽至低于儲(chǔ)罐所允許的最低工作液位。

（3）易燃易爆氣體濃度檢測(cè)。對(duì)儲(chǔ)罐上空的氣體以及儲(chǔ)罐周?chē)脑O(shè)備管道，需進(jìn)行易燃易爆氣體濃度檢測(cè)，儲(chǔ)罐上方易燃易爆氣體的濃度在一定程度上反應(yīng)儲(chǔ)罐安全泄放閥的開(kāi)啟頻率，間接地反應(yīng)儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力變化。同時(shí)進(jìn)行易燃易爆氣體濃度檢測(cè)，以免易燃易爆氣體濃度過(guò)高，遇明火發(fā)生爆炸，造成事故。

（4）在儲(chǔ)罐存儲(chǔ)LNG過(guò)程中可使用潛液泵泵出罐底部密度較大的LNG液體，通過(guò)回流的方式回裝至儲(chǔ)罐的上層消除密度差。另外一種方式是利用罐內(nèi)潛液泵定期攪拌罐內(nèi)的LNG液體，增加罐內(nèi)LNG液體間的對(duì)流，及時(shí)消除LNG存儲(chǔ)過(guò)程中的密度差與溫度差。

4 LNG船舶接卸

在LNG接收站的運(yùn)營(yíng)中，LNG船舶的接卸是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。對(duì)LNG船舶來(lái)貨進(jìn)行合理的接卸可以預(yù)防儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)液發(fā)生分層、翻滾現(xiàn)象，避免重大事故的發(fā)生。意大利La Spezia地區(qū)的SNAMLNG儲(chǔ)備站事故（1971-08-21） 就是由于LNG船舶的接卸不合理而引發(fā)的重大事故[10]。在LNG船舶接卸中要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防。

（1）在接收LNG運(yùn)輸船運(yùn)來(lái)的LNG液體時(shí)，應(yīng)盡可能將其存儲(chǔ)于罐內(nèi)組分、密度與之相近的儲(chǔ)罐中。如果密度差、溫度差等超過(guò)一定的范圍，要堅(jiān)決杜絕混裝，以免引發(fā)分層與翻滾而造成更大的事故。可以采用倒罐的方式，即提前將罐內(nèi)的LNG抽至其他罐中，再將新LNG充裝在倒空的儲(chǔ)罐內(nèi)，這樣就可以用新騰空的儲(chǔ)罐全部存儲(chǔ)單一的新LNG液體，避免因新舊LNG混裝產(chǎn)生的密度差、溫度差過(guò)大而引發(fā)的分層。

（2） 充裝LNG液體時(shí)，應(yīng)根據(jù)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)原有液體的液位以及要充裝的新LNG與舊LNG之間的密度關(guān)系，來(lái)選擇是上進(jìn)液口還是下進(jìn)液口進(jìn)料：一般高液位或比罐內(nèi)LNG密度大的選擇上進(jìn)液口充裝，低液位或比罐內(nèi)LNG密度小的選擇下進(jìn)液口充裝，同時(shí)還需注意充裝速率不能太高。

（3） LNG儲(chǔ)罐的充滿(mǎn)率不能太大也不能太小，盡量選擇在最優(yōu)充滿(mǎn)率，既可充分利用儲(chǔ)罐的容積進(jìn)行存儲(chǔ)，也具有較長(zhǎng)的安全存儲(chǔ)時(shí)間，為整個(gè)站場(chǎng)的運(yùn)行贏得較大的彈性操作時(shí)間。

5 LNG組分要求

國(guó)際上對(duì)LNG組分有著明確的要求，尤其是明確要求LNG中氮含量不能太高，否則一方面由于氮不會(huì)燃燒而影響LNG氣化后天然氣的熱值，另一方面高含氮量對(duì)LNG儲(chǔ)罐的安全存儲(chǔ)有著較大的威脅。

含氮量較高的LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)存儲(chǔ)的安全存儲(chǔ)時(shí)間較短，要避免其在儲(chǔ)罐內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)，盡快外輸，以免引發(fā)分層與翻滾，一般要求LNG組分含氮量（摩爾分?jǐn)?shù)）不大于5%。對(duì)LNG組分的要求見(jiàn)表3。

表3 LNG組分要求

6 結(jié)論

本文分別從五個(gè)方面對(duì)儲(chǔ)罐儲(chǔ)液分層與翻滾的預(yù)防進(jìn)行分析，詳細(xì)描述了在各個(gè)階段對(duì)分層與翻滾的預(yù)防措施，具有一定的實(shí)際生產(chǎn)意義。對(duì)儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)建造以及在運(yùn)營(yíng)中的安全措施都具有一定指導(dǎo)價(jià)值。

（1）在LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)建造方面，要嚴(yán)格按照儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和建造標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行；在儲(chǔ)罐的保冷性能計(jì)算時(shí)以當(dāng)?shù)叵募咀罡叩臏囟葹闇?zhǔn)，確保儲(chǔ)罐在服役期間保冷性能較好；要做好儲(chǔ)罐的熱膠保護(hù)系統(tǒng)和保冷設(shè)計(jì)，保冷材料的選擇要滿(mǎn)足LNG儲(chǔ)罐的特殊需求。

（2）在LNG儲(chǔ)罐投產(chǎn)準(zhǔn)備方面，主要從儲(chǔ)罐的干燥置換入手來(lái)預(yù)防罐內(nèi)LNG的分層與翻滾。干燥置換不僅對(duì)儲(chǔ)罐的內(nèi)罐空間進(jìn)行干燥置換，還需對(duì)內(nèi)外罐環(huán)形空間的保溫材料、罐底保冷層進(jìn)行干燥置換并達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)，排盡保冷材料中的水分等導(dǎo)熱系數(shù)高的雜質(zhì)，確保保冷材料的保冷性能。

（3）在LNG儲(chǔ)罐運(yùn)行監(jiān)測(cè)方面，要時(shí)刻對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度、密度、壓力、液位、易燃易爆氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)于存儲(chǔ)時(shí)間較長(zhǎng)的LNG可采用罐內(nèi)潛液泵對(duì)罐內(nèi)液體定期攪拌避免分層。

（4）在LNG船舶接卸方面，盡量使罐內(nèi)液體的充滿(mǎn)率處于最優(yōu)充滿(mǎn)率上下，而且要避免不同密度、溫度等的新舊LNG的混裝，可采用倒罐的方法避免新舊LNG的混裝；另外根據(jù)液位高度和新舊LNG的密度關(guān)系來(lái)選擇上進(jìn)液口或下進(jìn)液口充裝方式。

（5）在LNG組分方面，要嚴(yán)格控制LNG組分中的含氮量，一般要求LNG組分中氮的摩爾分?jǐn)?shù)不大于5%。