液化天然气储运中的翻滚现象分析

第25卷第11期油　气　储　运

液化天然气储运中的翻滚现象分析3

邹华生33 黄春来

(华南理工大学化工与能源学院)

邹华生　黄春来:液化天然气储运中的翻滚现象分析,油气储运,2006,25(11)13～15。

摘　要　阐述了液化天然气在全球过去几年发展步伐和将来的发展前景,着重分析了液化天然气储运中翻滚机理及危害,同时从进出料操作、液化天然气槽罐的内部结构和存储方式上提出了采取预防的措施,以降低或消除翻滚现象的出现。

主题词　液化天然气储运翻滚现象分析

一、前　言

由于全球能源需求大幅度增长,石油、煤炭资源的蕴藏量日趋减小,而缓解或克服潜在新的能源危机,减小环境污染,开辟新的能源,采用新的能源替代品已成为全球面临的重要课题和必经之路。天然气的蕴藏量丰富,据估计,全球储量约为1540000×108m3,是2003年所用天然气体积量的60倍〔1〕。天然气具有热值高、经济、便利和清洁等方面的优势,在世界能源消费中的比例逐年快速增长,据世界经济合作组织预测,到2020年,全球能源结构中天然气将占29%～30%,将成为21世纪全球第一能源。天然气在常压和-160～-155℃呈饱和液态,其体积缩小了600～620倍,这种形态的天然气称为液化天然气(L N G),可极大地提高天然气的存储和运输效率。20世纪90年代后,不断增加的天然气贸易竞争和技术进步使得液化天然气生产链的成本,即液化天然气生产各个环节———液化、船运、储存和再汽化的成本降低了30%～50%〔2〕,进一步推动了全球L N G贸易的迅速发展。

二、国内外L N G贸易现状与发展前景

LN G交易量的增长受天然气消费国对需求量增加和国内天然气资源减小所驱动,同时受天然气生产国要将其资源商品化的愿望所推动。2002年,L N G约占世界天然气消费量的6%,约占世界天然气交易量的26%〔1〕。2002年,美国、印度尼西亚、马来西亚、卡塔尔、阿尔及利亚、尼日利亚、阿拉伯联合酋长国、文莱、澳大利亚、利比亚以及特利尼达和多巴哥等国家共出口LN G1.13×108t,而1997年只有7个国家共出口了LN G8400×104t。印度尼西亚是世界最大的LN G生产国,2002年出口量约占世界总的LN G体积量的1/9。太平洋盆地是世界最大的L N G生产地,2002年供应了全球L N G出口量的1/2(49%),仅印度尼西亚就供应了21%。

2003年前9个月,在特利尼达和多巴哥、马来西亚又有两个新的LN G液化链投入生产,使世界年液化能力增加了6%,达到1.35×108t。到2007年澳大利亚、俄罗斯、挪威和埃及在建的新的工程将增加液化能力5800×104t/a,使全球的年生产能力增加到1.93×108t/a,是2002年全球天然气消费量的10%。2010年,全球L N G贸易总量将增长到约1.8×108t〔1〕,潜在新的L N G出口国如伊朗、也门、赤道几内亚、安哥拉、委内瑞拉、玻利维亚和秘鲁正期待将出口L N G作为他们国家天然气资源货币化途径。

2003年后期,LN G进口国具有总的再汽化能力为3.1×108t/a。在太平洋盆地的三个地区日本、韩国和台湾2002年进口L N G占全球L N G进口总量的68%,几个欧洲国家进口L N G占全球进口量的28%,美国停留在4%。日本一直是全球最大的L N G消费国,2002年进口L N G54.6×106t,

　3广东省自然科学基金项目(编号为06025662)。　33510640,广东省广州市;电话:136********。

其占世界贸易量的份额从1990年的66%降到2002年的48%。2003年多米尼加共和国和葡萄牙开始运转了再汽化终端,多数已有进口终端的国家通过建造新的终端或扩张现有设施来扩大进口能力。英国、印度等正在建造他们各自首个再汽化设施。

我国正在广东建造第一个L N G接收终端,该设施生产能力为330×104t/a。第二个接收终端将建在福建,该终端将接收来自印度尼西亚由PB公司领导的Tangguh工程生产的L N G。据预测, 2010年我国东南沿海地区天然气需求量约457×108m3,而同期国内产量约120×108m3,有337×108m3的缺口,缺口大部分拟进口L N G进行弥补〔3〕。今后我国将有更多的L N G生产企业与用户,L N G的生产、储运安全将变得越来越重要。

三、储运中的L N G翻滚

　现象及其分析

LN G在-160～-155℃运输或存储时,储罐内液化天然气不可避免地会受到外部热源的侵扰而汽化,因储罐内的热对流和L N G中各组分汽化速率不同,使储罐内L N G组成与温度不断变化,出现“老化”分层。当储罐加入新L N G产品时,由于新、旧L N G的温度及密度不同,出现充注分层。因储罐壁漏热与不同层间的L N G热量和质量交换,使两层液体的密度接近相等时会突然迅速混合出现翻滚(rollover)现象,下层密度较大、温度较高,液体处于过热状态,翻滚到上层时,由于对应的压力变化,大量液体在短时间内汽化,储罐内压力急剧增大,使压力安全阀频繁开闭,失控排放损失大量L GN,在周围的空间形成可爆炸性混合云团,或引发沸腾液蒸气膨胀爆炸(BL EV E),对LN G储运安全构成重大威胁〔4～7〕。1971年和1993年意大利、英国先后出现两次因L N G翻滚导致的大事故〔8,9〕。为此, L N G储运的安全性受到高度重视,对L N G翻滚现象展开了积极的研究。

20世纪70年代上中期,Chatterjee〔8〕和Germe2 les〔9〕先后都提出分层界面静止不动的翻滚模型,但两者就研究对象的组分数和分层间的传热、传质基本方式假设有所不同。两模型都假设分层界面静止不动,后来试验证实〔10,11〕,这一假设在分层的前期与事实相符,但后期与事实出入较大。因此,这些模型的预测翻滚出现的时间比实际时间更长,偏差较大。1983年,Heestand〔6〕等人精练了Chatterjee和Germeles模型,将LN G看作甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮5种组分的混合液,并编制了ROLLO计算程序。给定初始温度和组成,ROLLO程序可用数值方法计算出LN G分层的演化过程,但该模型同样保留着静止界面假设带来的不足。Muro〔10〕等人用L N G在直径为580mm、长1000mm真空绝热不锈钢槽中进行了试验,并根据试验数据整理出LN G 蒸发率与过热度的关系。Morrison〔11〕等人用液化石油气试验研究LN G储罐中的分层稳定性和翻滚现象。详细记录了分层随时间的变化,肯定了分层初期分层界面的基本静止稳定性及分层后期分界面存在运动下降的现象。80年代中后期,Kamiya〔12〕和法国燃气公司〔13〕先后用L N G和全尺寸储罐进行试验,试验数据进一步肯定了Morrison等人的结论。这些数据要通过商业途径购买。基于分层界面存在运动下降,而且界面运动特征对随后的翻滚严重程度有重大影响的事实,Bates等人〔5,14〕该模型分阶段考虑了LN G分层初期和后期界面情况,重点考虑了分层后期因各层间穿透对流和卷流引起界面迁移,建立了较符合实际的L N G翻滚预测模型,对L N G各层的温度、密度变化和出现翻滚的时间进行预测,计算结果与试验结果吻合。该模型是迄今代表国外对LN G翻滚现象进行研究的最高水平。

虽然对L N G翻滚现象研究取得了一些长足进展,但同时也对一些基本问题不甚明了,例如翻滚时分层界面的迅速运动现象等,值得进行深入的理论分析和试验。

四、翻滚现象的预防措施

防止液化天然气在储运中出现翻滚的关键就是要防止槽罐内的液化天然气出现分层,即尽可能保持槽罐内不同位置尤其是不同高度处液化天然气的密度均匀。一般认为〔14〕,只要储罐中上下位置的液化天然气温差低于0.2℃,密度差低于0.5kg/m3就不会出现分层。对此,在液化天然气进出料的操作方式和方法、槽罐的内部结构和存储方法上可采取以下措施。

1、　L NG的进出料操作

考虑到新充注液化天然气与槽罐中陈旧的液化

?油　气　储　运 2006年　

天然气的密度差异情况,为了保证充注过程中新旧液化天然气能更充分的混合,减小密度差异,液化天然气进出料时一般应采取如下操作方法。

(1)当新充注的液化天然气的密度大于槽罐中陈旧液化天然气的密度时,新的液化天然气应从槽罐的顶部进料。

(2)当新充注的液化天然气的密度小于槽罐中陈旧液化天然气的密度时,新的液化天然气应从槽罐的底部进料。

(3)当新充注的液化天然气的密度与槽罐中陈旧液化天然气的密度相近时,新的液化天然气一般从槽罐的底部进料,因为在液柱静压作用下,可减小汽化量。

(4)充注时可采用人为的强化混合方式进料,例如采用射流器或多孔分布管加强进料时新旧液化天然气的混合。

(5)快速从储罐中输送出一定量的液化天然气,可在一定程度上引起储罐内液化天然气混合,有利于消除分层。

2、　L NG槽罐的内部结构

(1)采用高性能的隔热保冷材料,可减小环境热量的侵袭,降低汽化速率。目前,国际上L N G储罐隔热保冷材料使用比较普遍,例如聚胺酯发泡料导热系数为0.019～0.029W/(m?K),使用温度范围为-190～120℃;玻璃纤维毡导热系数为0.038 W/(m?K),使用温度范围为-120～400℃。

(2)在储罐的结构上采用双壁夹套式结构,采用双层罐壁保护还可防止液化天然气二次外泄。例如双壁金属罐、预应力混凝土罐都具有优良的隔热保冷和安全功能。

(3)在储罐内安装一定的循环装置,例如潜液循环泵、搅拌器等,应适当进行储罐内液化天然气的循环,但潜液泵或搅拌器在工作时会产生一些热量,从而增加汽化速率。

3、　存储方式

由于液化天然气产地、气源的成分、液化天然气的密度、储存时间、液化天然气老化引起的密度变化不同,因此,应分储罐储存,防止密度不同出现分层。

五、结束语

(1)目前石油日趋短缺,全球能源需求量大幅度增长,液化天然气具有热值高、对环境污染小、经济性好、使用便利及储运效率高等优点。

(2)翻滚现象是液化天然气储运过程中最危险的现象之一,该现象由液化天然气内部热不稳定引起分层后所致,应高度重视。

参考文献

1,　Energy Information Administration Depart ment of Energy:The

G lobal Liquefied Natural Gas Market,Status&Outlook,

Washington DC,U.S.20585,2003.

2,　Energy Information Administration’s report,U.S.LN G Mar2 ket s and Uses,J une2004Update,Energy Information Admin2 istration,J une2004.

3,　钱佰章:世界L N G市场迅速增长,能源技术,2004,25(4)。4,　Planas-Cuchi E,Gasulla N,Ventosa A et al:Explosion of a Road Tanker Containing Liquefied Natural Gas,Journal of Loss Prevention in t he Process Industries,2004(17).

5,　Bates S,Morrison D S:Modeling t he Behavior of Stratified Liq2 uid Natural Gas in Storage Tanks,a Study of t he Rollover Phe2 nomenon,Int.J.Heat Mass Transfer,1997,40(8).

6,　Heestand J,Shipman C W,Meader J W:A Predictive Model for Rollover in Stratified LN G,A.I.Ch.E.Journal,1983,29(2). 7,　Baker N,Creed M:Stratification and Rollover in Liquefied Nat2 ural Gas Storage Tanks,Process Safety and Environmental Pro2 tection,1996,74(B1).

8,　Chatterjee N,Geist J M.:The Effect of Stratification on Boil-off Rate in L N G Tanks,Pipeline Gas Journal,1972,199(11). 9,　Germeles A E:A Model for LN G Tank Rollover,Advances in Cryogenic Engineering,1975(21).

10,　Muro M,Y oshiwa M,Yasuda Y et al:Experimental and Ana2 lytical Study of t he Rollover Phenomenon Using LN G,Pro2 ceedings of IECE-11Conference,Berlin,1986.

11,　Morrison D S,Richarson A:An Experimental Study on t he Stability of Stratified Layers and Rollover in LN G Storage Tanks,Proceedings of t he Low Temperature Engineering and Cryogenics Conference,Sout hampton,U.K.1990.

12,　Kamiya A,Tahsita M,Sugawara Y:An Experimental Study of L N G Rollover Phenomenon,Aut hority of Mtg,American Society of Mechanical Engineers,New Y ork,U.S. A., 1985(1).

13,　Marcel O:Measurement of t he Velocity of Natural Convection Movement s in a LN G Tank,Proceedings of Gastech Confer2 ence,Amsterdam,1990.

14,　Bates S,Morrison D S:L N G Rollover2Computational and Mat hematical Aspect s,Proceedings of11t h L N G Conference, Birmingham,1995.

(收稿日期:2005209212)

编辑:刘春阳

第25卷第11期邹华生等:液化天然气储运中的翻滚现象分析

作　者　介　绍

王　玮　1982年生,2004年毕业于中国石油大学(北京)油气储运工程专业,现为中国石油大学(北京)博士

研究生,主要从事油气水三相混输管道流动规律的研究工作。

徐燕萍　1978年生,2001年毕业于西南石油学院油气储运专业,现在中国石油大学(北京)攻读油气储运专

业硕士学位。

邹华生　教授,1957年生,1982年毕业于南昌大学化学工程专业,1987年硕士毕业于华南理工大学化学工

程专业,2000年博士毕业于华南理工大学化学工程专业,现在华南理工大学能源工程及自动化系从事能源化工与环境技术研究工作。

许玉磊　1981年生,2004年毕业于西南石油大学油气储运专业,现为西南石油大学油气储运专业在读硕士

研究生。

曲慎扬　教授级高级工程师,1929年生,1952年毕业于清华大学土木系,现在中国石油天然气管道工程有限

公司从事油气管道设计工作。

刘　强　1983年生,2004年毕业于江苏工业学院机械制造及自动化专业,现为江苏工业学院油气储运工程

专业在读硕士研究生,从事油品顺序输送技术研究工作。

邵景林　高级工程师,1959年生,1982年毕业于河北地质学院水文地质工程地质专业,现在中国石油天然气

管道工程有限公司从事长输管道与工民建筑岩土工程勘察、灾害地质评价,水资源评价等技术工作。

张亮军　工程师,1965年生,1996年毕业于河北省委党校经济管理专业,现任中石化管道储运公司沧州输油

处副处长。

谢　成　工程师,1972年生,1994年毕业于西安石油大学化机专业,现为湖南大学材料工程硕士研究生,现

在中国石油工程设计有限公司国际工程部工作。

胡兴民　高级工程师,1961年生,1992年毕业于西北师范大学化学系,现在长庆油田公司第一采气厂采气工

艺研究所从事气田腐蚀与防护工作。

张一玲　工程师,1975年生,1999年毕业于云南大学化学系应用化学专业,现在中国石油管道公司管道科技

中心从事管道腐蚀与防护工作。

张吉泉　见本刊2006年第10期作者介绍。

李建华　教授,1958年生,1989年毕业于华东理工大学分析化学专业,获硕士学位,现任中国人民武装警察

部队学院消防指挥系主任,中国消防协会专家委员会专家。

刘　扬　教授,博士生导师,1957年生,1998年毕业于大连理工大学,获博士学位,现在大庆石油学院从事各

类石油工程问题的优化、可靠性分析、仿真和安全评估研究工作。

王光然　副教授,1954年生,1982年毕业于石油大学(华东)油气储运专业,现在山东胜利职业学院从事教学

与科研工作。

陈晓辉　工程师,1973年生,1996年毕业于西安石油大学机械工程专业,现在徐州管道技术作业分公司从事

管道工程施工和技术管理工作。

高发连　高级工程师,1964年生,2006年硕士毕业于中国石油大学(北京)油气储运专业,现在中国石油天然

气管道局从事油气储运技术管理工作。

16?第25卷第11期油　气　储　运　