大型LNG储罐储液分层与翻滚预防措施

王 萍，崔晓飞，乔海平，王银娜

1.青岛滨海学院建筑工程学院，山东青岛 266555

2.中国石油华北油田江苏储气库分公司，河北任丘 062550

随着国家能源结构调整以及对环境保护要求的提高，液化天然气（LNG）作为一种无色、无味、无毒、无腐蚀性的清洁能源在国内的应用越来越广泛，储罐是LNG接收站的核心设备，也是LNG的主要储存设备[1]。LNG储罐类型众多，考虑到安全性和经济性，国内外的接收站大多采用全容式LNG储罐[2-3]。LNG作为一种高效、清洁的能源，在国际上越来越得到重视，越来越多的LNG接收站被设计建造并投入生产运营。预计2025年之后，我国LNG进口需求将快速攀升，LNG接收站接收能力缺口将快速扩大，已建、在建及拟建的接收站项目不能满足需求[4]。

LNG储罐在LNG接收站中占据核心地位，存在火灾、低温、BOG、翻滚等重大潜在危险。一旦发生储液分层与翻滚事故，储罐内LNG液体在短时间内急剧蒸发，罐内压力迅速上升[5]，安全泄放阀打开将BOG排放至空气中形成爆炸性云团，如果遇见明火就会产生爆炸，不仅会造成严重的环境污染，还会带来不可估量的经济损失，甚至重大的人员伤亡，给社会带来恐慌。因此，研究大型LNG储罐储液分层与翻滚的预防措施是一项至关重要的任务。

本文在对密闭LNG储罐静态蒸发影响因素研究[2]以及对LNG储罐储液分层与翻滚的影响特性研究的基础上，从LNG储罐设计建造、投产准备、运行检测，LNG船舶接卸以及LNG组分要求等五个方面着手，总结提出预防LNG储罐储液分层与翻滚的措施，具有一定的参考价值。

1 LNG储罐设计建造

LNG储罐的工程设计是整个LNG接收站的核心，在整个工程项目生命周期中占据至关重要的地位。LNG储罐设计建造过程中，必须严格按照现有标准规范进行设计操作。美国、日本、英国、欧盟等工业发达国家或地区都己在常压LNG储罐的设计、建造及运行等方面制定了专门规范和标准[6]，我国也针对LNG储罐制定了相应的规范和标准，国内外主要标准规范见表1。

表1 国内外大型常压LNG储罐设计、建造和运行规范/标准

上述国内外标准中，世界上公认美国石油学会标准API 650、API 620以及英国标准 BSEN 14620-2:2006是储罐设计和建造的最高标准，在全球得到广泛的应用。

针对LNG储罐可能发生的储液分层与翻滚现象，在进行LNG储罐设计时要注意以下几个方面：

（1）在进行储罐保冷性能的计算时，尽量考虑当地的最高环境温度。外界环境温度越高，LNG储罐的静态日蒸发速率越大，罐内压力增长越快，罐内LNG液体安全存储时间越短。考虑当地的环境最高温度，可以为储罐的安全存储时间预留足够的余量，确保储存的安全。

（2）储罐在建造过程中，除了做好必要的基础建设和结构之外，保温层以及热角保护要严格按照设计进行，保冷层要保持干燥，水分的进入会导致保冷层导热系数增大，从而降低保冷性能。

（3）保冷材料导热系数直接影响储罐内的蒸发速率，保温材料的选择对LNG储罐的运营至关重要。保冷材料要满足保冷性能好、线膨胀系数小、抗吸水吸湿性、抗水蒸汽渗透性与化学性能稳定。LNG储罐常用的保冷材料有聚氨酯泡沫、膨胀珍珠岩、泡沫玻璃砖、弹性纤维毡等。

2 LNG储罐投产准备

LNG储罐在投入运营之前，需要按照相关规范和标准的规定进行水压试验。水压试验的水质必须满足要求才可以使用，否则会引发腐蚀，因此即使LNG接收站一般建立在大型港湾附近，拥有丰富的海水资源，但不能直接使用。储罐在建造以及运行中一旦发生内罐腐蚀，极易穿孔，LNG液体泄漏进入储罐的保冷层，使保冷层导热系数增大，保冷性能降低，从而造成极大影响。除此之外，还要避免由于外力作用造成储罐外罐的破裂，导致空气中的水分等进入储罐的保冷层，同样会使保冷层导热系数增大，保冷性能降低。因此要坚决杜绝各种形式的腐蚀并保证外罐的完整性。

LNG储罐在投入运营前必须经过干燥、置换和预冷工序[1]，在LNG储罐投产准备过程中，主要从储罐的干燥置换方面进行LNG储罐储液分层与翻滚的预防分析。投产之前对储罐进行氮气的干燥置换，不仅要排净储罐主体内罐空间里的水分，以免在储罐投产后罐中水分凝结造成阀门、管道的堵塞或液相水在罐内结冰；还要对储罐内外罐间环状夹层空间以及底部保冷层进行干燥置换，使保冷层内保冷材料干燥且不含水分等高导热系数的杂质，确保保冷层良好的保冷效果。储罐保冷层的保冷效果对储罐的静态蒸发影响较大，对安全存储至关重要。储罐干燥置换指标要求见表2。

表2 LNG储罐氮气置换、干燥标准

干燥置换氮气时要求氮气干燥且氮含量大于99.9%（v），露点不高于-60℃，压力0.3 MPa左右，纯度和氮气供应源的露点应在氮气置换及干燥前检查完毕。在储罐的干燥置换中，可采用氮气直接干燥置换，也可先用热干空气干燥再用氮气进行干燥置换的方法，其中后者效率较高、节省成本且效果较好。

储罐干燥置换示意和氮气注入口见图1。

图1 大型LNG储罐干燥置换示意

3 LNG储罐运行监测

储罐在完成投产准备后，即可投入生产运营。储罐的生产运营期是储罐生命周期中最长的一段。对LNG储罐的生产运营进行安全监测以确保LNG储罐安全必不可少，预防储罐储液发生分层与翻滚主要从以下几个方面进行。

（1）密度、压力、温度检测。一般会在LNG储罐内壁的垂直方向上和环周上每隔一段相等的距离，平均设置温度、密度、压力等参数的监测点，及时检测储罐内LNG物性的变化。一般认为相邻两层LNG之间密度差大于0.5 kg/m3、温度差大于0.2℃就会引起LNG的分层与翻滚，将导致大量LNG快速蒸发，造成极大的安全威胁及经济损失。因此要密切关注储罐内压力、温度的变化，以免发生事故危害。

（2）液位检测。关注储罐内液位的变化，当储罐的初始充满率较大时，受热发生热胀后有溢罐的危险；在LNG船向储罐内进行LNG充装时，密切关注储罐所允许的储罐最高液位，避免溢罐；在使用罐内低压泵向外输送LNG液体时，要密切关注储罐所允许的最低液位，防止LNG被抽至低于储罐所允许的最低工作液位。

（3）易燃易爆气体浓度检测。对储罐上空的气体以及储罐周围的设备管道，需进行易燃易爆气体浓度检测，储罐上方易燃易爆气体的浓度在一定程度上反应储罐安全泄放阀的开启频率，间接地反应储罐内的压力变化。同时进行易燃易爆气体浓度检测，以免易燃易爆气体浓度过高，遇明火发生爆炸，造成事故。

（4）在储罐存储LNG过程中可使用潜液泵泵出罐底部密度较大的LNG液体，通过回流的方式回装至储罐的上层消除密度差。另外一种方式是利用罐内潜液泵定期搅拌罐内的LNG液体，增加罐内LNG液体间的对流，及时消除LNG存储过程中的密度差与温度差。

4 LNG船舶接卸

在LNG接收站的运营中，LNG船舶的接卸是一项非常重要的任务。对LNG船舶来货进行合理的接卸可以预防储罐内储液发生分层、翻滚现象，避免重大事故的发生。意大利La Spezia地区的SNAMLNG储备站事故（1971-08-21） 就是由于LNG船舶的接卸不合理而引发的重大事故[10]。在LNG船舶接卸中要从以下几个方面进行预防。

（1）在接收LNG运输船运来的LNG液体时，应尽可能将其存储于罐内组分、密度与之相近的储罐中。如果密度差、温度差等超过一定的范围，要坚决杜绝混装，以免引发分层与翻滚而造成更大的事故。可以采用倒罐的方式，即提前将罐内的LNG抽至其他罐中，再将新LNG充装在倒空的储罐内，这样就可以用新腾空的储罐全部存储单一的新LNG液体，避免因新旧LNG混装产生的密度差、温度差过大而引发的分层。

（2） 充装LNG液体时，应根据LNG储罐内原有液体的液位以及要充装的新LNG与旧LNG之间的密度关系，来选择是上进液口还是下进液口进料：一般高液位或比罐内LNG密度大的选择上进液口充装，低液位或比罐内LNG密度小的选择下进液口充装，同时还需注意充装速率不能太高。

（3） LNG储罐的充满率不能太大也不能太小，尽量选择在最优充满率，既可充分利用储罐的容积进行存储，也具有较长的安全存储时间，为整个站场的运行赢得较大的弹性操作时间。

5 LNG组分要求

国际上对LNG组分有着明确的要求，尤其是明确要求LNG中氮含量不能太高，否则一方面由于氮不会燃烧而影响LNG气化后天然气的热值，另一方面高含氮量对LNG储罐的安全存储有着较大的威胁。

含氮量较高的LNG在储罐内存储的安全存储时间较短，要避免其在储罐内长时间的存储，尽快外输，以免引发分层与翻滚，一般要求LNG组分含氮量（摩尔分数）不大于5%。对LNG组分的要求见表3。

表3 LNG组分要求

6 结论

本文分别从五个方面对储罐储液分层与翻滚的预防进行分析，详细描述了在各个阶段对分层与翻滚的预防措施，具有一定的实际生产意义。对储罐的设计建造以及在运营中的安全措施都具有一定指导价值。

（1）在LNG储罐设计建造方面，要严格按照储罐的设计和建造标准来执行；在储罐的保冷性能计算时以当地夏季最高的温度为准，确保储罐在服役期间保冷性能较好；要做好储罐的热胶保护系统和保冷设计，保冷材料的选择要满足LNG储罐的特殊需求。

（2）在LNG储罐投产准备方面，主要从储罐的干燥置换入手来预防罐内LNG的分层与翻滚。干燥置换不仅对储罐的内罐空间进行干燥置换，还需对内外罐环形空间的保温材料、罐底保冷层进行干燥置换并达到要求标准，排尽保冷材料中的水分等导热系数高的杂质，确保保冷材料的保冷性能。

（3）在LNG储罐运行监测方面，要时刻对储罐内的温度、密度、压力、液位、易燃易爆气体浓度进行检测；对于存储时间较长的LNG可采用罐内潜液泵对罐内液体定期搅拌避免分层。

（4）在LNG船舶接卸方面，尽量使罐内液体的充满率处于最优充满率上下，而且要避免不同密度、温度等的新旧LNG的混装，可采用倒罐的方法避免新旧LNG的混装；另外根据液位高度和新旧LNG的密度关系来选择上进液口或下进液口充装方式。

（5）在LNG组分方面，要严格控制LNG组分中的含氮量，一般要求LNG组分中氮的摩尔分数不大于5%。