2016年安全評價師《基礎知識》輔導講義(1)
發布時間：2016-09-08 共1頁
引言
目前，國際石油價格仍處于高位，各國將能源消費紛紛轉向天然氣，不少國家準備大量進口天然氣。因此，對天然氣的海上運輸工具--液化天然氣(LNG)船的需求量將顯著增加，對液化天然氣船舶管理的要求也越來越高。天然氣液態儲存是將經過脫水、脫烴和脫酸等凈化處理的天然氣，在常壓下通過制冷降溫至-162℃左右進行液態儲存。液態儲存天然氣可以將天然氣的體積縮小600多倍。LNG在充注和儲存過程中，由于其中組分密度的不同，就有可能出現翻滾(rollover現象。發生翻滾現象時，根據現有設備能力，應該可以將汽化氣輸出，而事實上，由于這種汽化是在瞬間產生的，并且量極大，很難將其及時排出，這樣就會造成儲罐瞬間超壓，對設備造成損害，影響其使用壽命。所以，預防翻滾現象的發生，對保障船舶安全營運具有很大的意義。
1 翻滾現象及產生的原因
1.1 翻滾現象分析及分類
翻滾現象是指兩層不同密度的LNG在儲罐內迅速上下翻動混合，瞬間產生大量的汽化氣的現象。在發生翻滾現象時，罐內LNG的汽化量為平時自然蒸發量的10～50倍，這樣將會導致儲罐內的氣壓迅速上升并超過設定的安全壓力，使儲罐出現超壓現象。如果不及時通過安全釋放閥排放，就有可能造成貯槽的機械損傷，對設備造成損壞，同時大量排放蒸發氣，不僅造成經濟上的損失，對環境也造成污染。
一般LNG的組分為氮氣、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷、異戊烷。因產地不同，其成分可能略有變化。
翻滾從現象來看分成兩類：①LNG貯罐在長期貯存中，因其中較輕的組分(主要是N2和CH4)優先蒸發，而自發形成翻滾現象。②LNG貯罐中原來留有液化天然氣，在充裝密度不同、溫度不同的新LNG一段時同(幾個小時甚至幾十天)后，突然產生翻滾的現象。
翻滾是一種熱不穩定性現象，這種熱不穩定性是由密度變化引起的，其產生的必要條件是分層界面受到擾動。界面擾動既包括“邊界層穿透”，也包括界面的“渦旋混合”。分層界面的破壞首先出現在流動邊界層，因為此處的流動最為活躍，但是由于邊界層流動只局限在分界面附近，因此它對分層界面的直接破壞僅僅發生在流動邊界層內。除邊界層穿透破壞之外，上層液體的射流作用也會破壞分層循環流動，因為上層液體的射流沖擊作用既可以直接破壞分層界面，又可通過“渦漩混合”不斷擴大其破壞范圍。
也就是說，LNG的翻滾實際上是一種劇烈蒸發的過程。在儲罐中，密度小的液體會集聚在密度大的液體之上，抑制了下層液體的揮發。當儲罐內的LNG出現明顯的分層現象時，由于上層LNG靜壓的抑制作用，使得外界傳人的熱量無法通過下層的LNG液體的蒸發而散失，導致下層LNG處于過飽和狀態，下層液體就會溫度升高，少量的N2就會首先汽化，破壞兩層液體的界面，使得LNG儲罐內出現擾動，也就是翻滾現象。如果儲罐內上層的LNG密度大于下層，下層LNG突然上升，導致邊界層破壞，液體揮發，產生劇烈擾動，儲罐內的溫度上升，壓力也急劇上升，使翻滾現象進一步加劇。
1.2 翻滾現象產生的原因
(1)儲罐內LNG由于各組分密度不同，導致密度大的組分在下，密度小的組分在上，密度差會形成分層，有時即使僅差1 kg/m3也會分層，而分層是引發翻滾的第一步。有關資料介紹，如果儲罐內LNG有兩層，當其密度差為6.9kg/m3時，存放72h后就會產生翻滾現象。
(2)LNG進儲罐的溫度有細微變化，引起LNG的密度稍有變化，溫度高的LNG密度較小，溫度低的LNG密度較大，密度小的液體上浮，密度大的液體在下，產生分層的現象。一般的，當溫差為0.79 K時，存放72 h后將產生翻滾現象。
(3)由于不同階段添加的LNG的組分不同，導致新日LNG的兩層液體密度不同，罐內液體存在密度差，產生分層現象，在存儲和運輸過程中就會有擾動現象，劇烈的擾動就是翻滾現象。
2 翻滾現象的預防
2.1 LNG分層的檢測
由于LNG分層是引發翻滾的前提，因此，在實際操作過程中如何檢測LNG分層非常重要。一般可以采取下列方法檢測LNG分層情況：
(1)沿LNG儲罐高度設置測溫點，間距可為2.8 m左右，一般當溫差高達-14℃左右時，就有可能出現翻滾現象。這時為防止翻滾事故，就應該對儲罐進行冷卻。
(2)監測新灌入的LNG與儲罐內剩余LNG的密度差，也可以通過兩者的熱值差來監測。如果差值較大，應考慮出現翻滾的可能性。一般當密度差達5 kg/m3時，就要引起注意，應該采用進行循環的方法來消除密度差。
(3)監測LNG的蒸發速度。LNG分層會抑制LNG的蒸發速度，使得出現翻滾前的蒸發速度比通常情況下的蒸發速度低。采用壓力表監測罐內壓力時，大氣壓的變化會影響對LNG蒸發速度時監測，可以采用絕對壓力監測或記錄大氣壓的變化。
2.2 LNG分層和翻滾的預防
根據翻滾產生的機理，可以采取以下方法防止LNG分層和翻滾：
(1)分別貯存。這是防止分層的較好方法，即將密度不同的LNG儲存于不同的儲罐中。但這需要多個儲罐，使營運不僅經濟，而且操作方便。
(2)充分攪拌所有灌入儲罐的LNG，消除密度差，防止LNG的分層。一般采用循環泵進行循環(即用LNG泵由儲罐下部到上部打回流)的方法來使儲罐中的組分充分混合。
(3)控制灌入儲罐LNG組成成分的密度變化范圍，盡可能減小組分的密度差。
對于大型LNG儲罐，充分攪和比較困難。一旦發生LNG翻滾，汽化后的大量天然氣難以及時通過安全釋放閥排放。為了防止發生事故，設置安全釋放閥、放散火炬、回收壓縮系統等，防止LNG蒸發、翻滾造成儲罐超壓。一般同時采用上述兩個措施，并且盡量使一個儲罐僅用來儲存同一產地的LNG，控制其組分的變化范圍，從而防止LNG的翻滾現象。一般灌入儲罐的LNG的密度差盡量控制在15 kg/m3以內。
(4)選擇正確的充注方法。根據需要裝載的LNG與貨艙內原有的LNG密度有差異，正確選擇充注方法，可有效地防止分層。充注方法的選擇一般應遵循以下原則①密度相近時，一般底部充注。②將密度小的LNG充注到密度大的LNG貨艙中時，應該采用底部充注的辦法。③將密度大的LNG充注到密度小的LNG貨艙中時，應該采用頂部充注的辦法。④采用多孔管充注。多孔管即在充液管上開有一定數目的小孔，使用多孔管充注可使充注的新LNG和原有的LNG充分混合，從而壁面分層。
根據經驗，為了避免分層現象，在液化過程中，應注意分析進料天然氣組分，不要有較大的密度差(密度差應盡量小于15 kg/m3)。否則采取LNG不進儲罐，直接進入汽化器。汽化后再輸到外界管網進行循環的方式。進液過程中，選擇將溫度較低的LNG從罐頂部灌入。將溫度較高的LNG從罐底部灌入，使充液過程也成為不同密度的LNG混合的過程，從而防止LNG分層，避免翻滾現象的產生。
3 結束語
LNG罐船營運實踐表明，LNG在貨艙內因液體組分的密度不同，造成LNG的劇烈混合蒸發，即“翻滾”的非穩性現象。發生翻滾時，伴隨LNG大量蒸發，艙內壓力迅速升高，對LNG船舶的安全產生很大的威脅。如果在發生翻滾現象時將儲罐的安全釋放閥打開，就會造成大量天然氣放空，污染環境，影響LNG船營運的經濟性。因此對翻滾現象必須引起足夠重視，采取積極有效的方法加以防范。
