液化天然气储存中的技术探讨

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【摘要】 天然气是一种清洁优质能源,近年来,世界天然气产量和消费量呈持续增长趋势。目前,国内许多城市已采用管道天然气作为气源,并采用液化天然气作为应急气源或调峰气源。由于液化天然气的特殊性质,对它的储存技术要求较高,现分析其中存在的一些问题。

【关键词】 天然气液化储存

1 液化天然气的性质

1.1 LNG的温度极低

其沸腾温度在大气压力下约为-157～-166℃,并与其组分有关,在这一温度条件下,其蒸发气密度高于周围空气的密度,沸腾温度随蒸汽压力的变化梯度约为1.25×10-4℃/Pa。LNG的密度取决于其组分,通常在430kg/m3～470kg/m3之间,但是在某些情况下可高达520kg/m3。密度还是液体温度的函数,其变化梯度约为1.35kg/m3.℃;1个体积的LNG可以转变为约625个体积的气体。

1.2 天然气易燃易爆

1)压力波的发展和后果。在拥挤的或受限制的区域(如密集的设备和建筑物),可以产生较高的压力。2)池火。SEP随着烟尘炭黑的增加而降低。

2 液化天然气储存

液化天然气的储存是天然气储存方式之一。LNG储罐通常为双层金属罐,与LNG接触的内层材质为含9%Ni低温钢,外层材质为碳钢,中间绝热层为膨胀珍珠岩,罐底绝热层为泡沫玻璃。LNG低温储罐采用绝热保冷设计,由于有外界热量或其它能量导人,例如储罐绝热层、附属管件等的漏热,储罐内压力变化及输送泵的散热等,故会引起储罐内少量LNG蒸发。正常运行时,罐内LNG的日蒸发率约为0.06%--0.08%。

储罐储气前必须进行净化处理。净化的目的是要用惰性气体将储罐内的空气或天然气置换出来,避免形成天然气与空气的爆炸性混合气体。这种净化处理也称“惰化”。惰化用的气体通常采用氮气或二氧化碳。

3 液化天然气的溢出

3.1 LNG溢出物的特征

当LNG倾倒至地面上时(例如事故溢出),最初会猛烈沸腾,然后蒸发速率将迅速衰减至一个固定值,该值取决于地面的热性质和周围空气供热情况。

当溢出发生在水上时,水中的对流非常强烈,足以使所涉及范围内的蒸发速率保持不变。LNG的溢出范围将不断扩展,直到气体的蒸发总量等于泄漏产生的液态气体总量。

3.2 气体云团的膨胀和扩散

最初,蒸发气体的温度几乎与LNG的温度一样,其密度比周围空气的密度大。溢出、蒸汽云的膨胀和扩散是复杂的问题,通常用计算机模型来进行预测,只有在这方面有能力的机构才能进行这种预测。随着溢出,由于大气中的水蒸气的冷凝作用将产生“雾”云。当这种“雾”云可见时(在日间且没有自然界的雾),此种可见“雾”云可用来显示蒸发气体的运动,并且给出气体与空气混合物可燃性范围的保守指示。

3.3 LNG溢出或泄漏事故的控制措施

1)利用自然屏障、防护堤、拦蓄墙或其组合,围绕储罐构成一个拦蓄区;2)在储罐的周围修建自然的或人工的排水系统;3)如果储罐是地下式或半地下式,应采取挖沟方式构成一个拦蓄区;4)对于薄膜罐,无拦蓄区应设置集液池,且每个集液池应设有高倍数泡沫系统或水幕加干粉灭火系统等。

4 储罐内LNG分层与翻腾及预防控制措施

4.1 储罐内LNG产生分层与翻腾的原理

由于天然气,特别是来自不同气田的天然气,在组分上存在一定的差异,所以LNG的密度也会有所不同。如果不同密度的LNG储存在同一储罐内,容易引起LNG分层:密度较大的LNG积聚在储罐底部,而密度小的LNG处于顶部;底部LNG因受到上面LNG重力的作用,压力高于顶部LNG,蒸发温度相应提高,相对于该压力所对应的蒸发温度来说,底部LNG成为具有一定过冷度的LNG,蒸发速度较上部LNG慢。而外界热量总是不断由外而内地传递,底部LNG获得的热量中有相当一部分促使LNG的温度升高。由于温度升高,密度将减小,当底部LNG的密度小于上部LNG的密度时,分层平衡将被破坏,形成所谓的“翻滚”。此时,底部LNG的温度高于上部LNG温度,混合后温度低的LNG被底下翻上来的温度较高的LNG加热而蒸发加剧,底部温度较高的LNG翻上来以后,失去了上面LNG重力的作用,压力降低,成为过热的LNG,也将产生剧烈的蒸发。因此,平衡被破坏以后,液体“翻滚”引起LNG蒸发率剧增。如来不及排出大量的LNG蒸发气体,储罐内压力将超过设计工作压力,对LNG的安全储存非常不利。

4.2 储罐内LNG分层的检测

1)沿LNG储罐的高度设置多个测温点,垂直间距不大于2m,一般当温差高达14℃左右时,就有出现“翻滚”的可能性;2)监测新灌入的LNG与储罐内剩余LNG之间的密度差,也可以通过两者的热值差来监测,当差值较大时,应考虑出现“翻滚”的可能性;3)监测LNG 的蒸发速度。LNG分层会抑制LNG的蒸发速度,使得出现“翻滚”前的蒸发速度比通常情况下的蒸发速度低。采用表压监测罐内压力时,大气压的变化会影响对LNG蒸发速度的监测,可以采用绝对压力监测或记录大气压的变化。

4.3 储罐内LNG分层和“翻滚”的预防和控制

在实际操作过程中,可以采取一些方法防止LNG分层和“翻滚”:1)根据LNG的密度等因素,设计合理的LNG充装工艺;2)设置循环系统;3)监控LNG的蒸发速率;4)针对罐内LNG的整个高度进行温度、密度检测;5)避免在同一个储罐内储存品质相差较大的LNG;6)LNG的氮含量应低于1mol%。

一旦储罐内发生LNG“翻滚”,气化后的大量天然气将难以及时通过泄放装置排放。为防止发生事故,需设置安全排放口、排放火炬、回收压缩系统等。储罐内的LNG蒸汽产生后,通过蒸发气总管排出,可以返回船上(卸船时),也可以进BOG压缩机升压,准备冷凝或作为燃料气使用;如果有大量蒸发气产生,压缩机不能处理时,在蒸发气总管上设置压力调节装置,在LNG储罐上的安全阀起跳前,蒸发气将直接排放到火炬总管;事故状态下,罐内超压,安全阀就会起跳,蒸发气直接排放到火炬总管燃烧。在实际生产中,还存在大量有关设计、制造、操作、控制和火灾预防等方面的安全问题,需要遵照有关标准、规范及规章制度进行设计、制造和管理。

5 低温环境中的危害

LNG造成的低温能对身体暴露的部分产生各种影响,如果对处于低温环境的人体未能适当地加以保护,则其反应和能力将受到不利的影响。

5.1 操作中的冷灼伤

LNG接触到皮肤时,可造成与烧伤类似的起疱灼伤。从LNG中漏出的气体也非常冷,并且能致灼伤。如暴露于这种寒冷气体中,即使时间很短,不足以影响面部和手部的皮肤,但是,像眼睛一类脆弱的组织仍会受到伤害。人体未受保护的部分不允许接触装有LNG而未经隔离的管道和容器,这种极冷的金属会粘住皮肉而且拉开时将会将其撕裂。

5.2 冻伤

严重或长时间地暴露在寒冷的蒸汽和气体中能引起冻伤。局部疼痛经常给出冻伤的警示,但有时会感觉不到疼痛。

5.3 寒冷对肺部的影响

较长时间在极冷的环境中呼吸能损伤肺部。短时间暴露可引起呼吸不适。

5.4 体温过低

10℃以下的低温都可以导致体温过低的伤害。对于明显地受到体温过低影响的人,应迅速地从寒冷地带移开并用热水洗浴使体温恢复,水温应在40～42℃之间。不应该用干热的方法提升体温。

6 结语

液化天然气是一种清洁、高效能源,其储存场所通常储存的天然气以数百万立方米计,其安全性是十分重要的。所以有关设计、制造、操作和火灾预防等方面的安全问题,要严格执行有关标准、规定,还应根据每台设备的特点、设计参数及相关要求全面综合考虑分析,进行更合理、更优化的设计,确保LNG储罐的安全。还应设置完善的检测系统(LNG泄漏的检测装置、火焰检测器、热监测器及烟检测器)及用于消防的泡沫生成器、粉末混合系统和水冷系统等。

特别是要考虑到运行时一旦发生事故时,会对周围环境造成的灾害性影响。为此,事故的预防和事故控制尤为重要。

参考文献:

[1]贺永德.天然气应用技术手册[M].学工业出版社.

[2]张爱凤.燃气供应工程[M].合肥工业大学出版社.

[3]占小跳.液化天然气储存中的安全问题及应对措施[M].水运科学研究.