液化天然气运输中的翻滚现象及预防

　　摘要：就液化天然气运输过程中产生翻滚现象的原因及其机理作简要介绍，指自翻滚现象的主要原因是液化天然气中的组分出现分层而造成部分组分迅速汽化，同时提出防止翻滚的一些方法。

　　0 引言

　　目前，国际石油价格仍处于高位，各国将能源消费纷纷转向天然气，不少国家准备大量进口天然气。因此，对天然气的海上运输工具--液化天然气(LNG)船的需求量将显著增加，对液化天然气船舶管理的要求也越来越高。天然气液态储存是将经过脱水、脱烃和脱酸等净化处理的天然气，在常压下通过制冷降温至-162℃左右进行液态储存。液态储存天然气可以将天然气的体积缩小600多倍。【1】LNG在充注和储存过程中，由于其中组分密度的不同，就有可能出现翻滚(rollover现象。发生翻滚现象时，根据现有设备能力，应该可以将汽化气输出，而事实上，由于这种汽化是在瞬间产生的，并且量极大，很难将其及时排出，这样就会造成储罐瞬间超压，对设备造成损害，影响其使用寿命。所以，预防翻滚现象的发生，对保障船舶安全营运具有很大的意义。

　　1 翻滚现象及产生的原因

　　1.1 翻滚现象分析及分类

　　翻滚现象是指两层不同密度的LNG在储罐内迅速上下翻动混合，瞬间产生大量的汽化气的现象。在发生翻滚现象时，罐内LNG的汽化量为平时自然蒸发量的10～50倍，这样将会导致储罐内的气压迅速上升并超过设定的安全压力，使储罐出现超压现象。如果不及时通过安全释放阀排放，就有可能造成贮槽的机械损伤，对设备造成损坏，同时大量排放蒸发气，不仅造成经济上的损失，对环境也造成污染。【2】

　　一般LNG的组分为氮气、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷。因产地不同，其成分可能略有变化。

　　翻滚从现象来看分成两类：①LNG贮罐在长期贮存中，因其中较轻的组分(主要是N2和CH4)优先蒸发，而自发形成翻滚现象。②LNG贮罐中原来留有液化天然气，在充装密度不同、温度不同的新LNG一段时同(几个小时甚至几十天)后，突然产生翻滚的现象。【3～4】

　　翻滚是一种热不稳定性现象，这种热不稳定性是由密度变化引起的，其产生的必要条件是分层界面受到扰动。界面扰动既包括“边界层穿透”，也包括界面的“涡旋混合”。分层界面的破坏首先出现在流动边界层，因为此处的流动最为活跃，但是由于边界层流动只局限在分界面附近，因此它对分层界面的直接破坏仅仅发生在流动边界层内。除边界层穿透破坏之外，上层液体的射流作用也会破坏分层循环流动，因为上层液体的射流冲击作用既可以直接破坏分层界面，又可通过“涡漩混合”不断扩大其破坏范围。

　　也就是说，LNG的翻滚实际上是一种剧烈蒸发的过程。在储罐中，密度小的液体会集聚在密度大的液体之上，抑制了下层液体的挥发。当储罐内的LNG出现明显的分层现象时，由于上层LNG静压的抑制作用，使得外界传人的热量无法通过下层的LNG液体的蒸发而散失，导致下层LNG处于过饱和状态，下层液体就会温度升高，少量的N2就会首先汽化，破坏两层液体的界面，使得LNG储罐内出现扰动，也就是翻滚现象。如果储罐内上层的LNG密度大于下层，下层LNG突然上升，导致边界层破坏，液体挥发，产生剧烈扰动，储罐内的温度上升，压力也急剧上升，使翻滚现象进一步加剧。

　　1.2 翻滚现象产生的原因

　　(1)储罐内LNG由于各组分密度不同，导致密度大的组分在下，密度小的组分在上，密度差会形成分层，有时即使仅差1 kg/m3也会分层，而分层是引发翻滚的第一步。有关资料介绍，如果储罐内LNG有两层，当其密度差为6.9kg/m3时，存放72h后就会产生翻滚现象。【1】

　　(2)LNG进储罐的温度有细微变化，引起LNG的密度稍有变化，温度高的LNG密度较小，温度低的LNG密度较大，密度小的液体上浮，密度大的液体在下，产生分层的现象。一般的，当温差为0.79 K时，存放72 h后将产生翻滚现象。

　　(3)由于不同阶段添加的LNG的组分不同，导致新日LNG的两层液体密度不同，罐内液体存在密度差，产生分层现象，在存储和运输过程中就会有扰动现象，剧烈的扰动就是翻滚现象。

　　2 翻滚现象的预防

　　2.1 LNG分层的检测

　　由于LNG分层是引发翻滚的前提，因此，在实际操作过程中如何检测LNG分层非常重要。一般可以采取下列方法检测LNG分层情况：

　　(1)沿LNG储罐高度设置测温点，间距可为2.8 m左右，一般当温差高达-14℃左右时，就有可能出现翻滚现象。这时为防止翻滚事故，就应该对储罐进行冷却。

　　(2)监测新灌入的LNG与储罐内剩余LNG的密度差，也可以通过两者的热值差来监测。如果差值较大，应考虑出现翻滚的可能性。一般当密度差达5 kg/m3时，就要引起注意，应该采用进行循环的方法来消除密度差。

　　(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。采用压力表监测罐内压力时，大气压的变化会影响对LNG蒸发速度时监测，可以采用绝对压力监测或记录大气压的变化。

　　2.2 LNG分层和翻滚的预防

　　根据翻滚产生的机理，可以采取以下方法防止LNG分层和翻滚：

　　(1)分别贮存。这是防止分层的较好方法，即将密度不同的LNG储存于不同的储罐中。但这需要多个储罐，使营运不仅经济，而且操作方便。

　　(2)充分搅拌所有灌入储罐的LNG，消除密度差，防止LNG的分层。一般采用循环泵进行循环(即用LNG泵由储罐下部到上部打回流)的方法来使储罐中的组分充分混合。

　　(3)控制灌入储罐LNG组成成分的密度变化范围，尽可能减小组分的密度差。

　　对于大型LNG储罐，充分搅和比较困难。一旦发生LNG翻滚，汽化后的大量天然气难以及时通过安全释放阀排放。为了防止发生事故，设置安全释放阀、放散火炬、回收压缩系统等，防止LNG蒸发、翻滚造成储罐超压。一般同时采用上述两个措施，并且尽量使一个储罐仅用来储存同一产地的LNG，控制其组分的变化范围，从而防止LNG的翻滚现象。一般灌入储罐的LNG的密度差尽量控制在15 kg/m3以内。

　　(4)选择正确的充注方法。根据需要装载的LNG与货舱内原有的LNG密度有差异，正确选择充注方法，可有效地防止分层。充注方法的选择一般应遵循以下原则①密度相近时，一般底部充注。②将密度小的LNG充注到密度大的LNG货舱中时，应该采用底部充注的办法。③将密度大的LNG充注到密度小的LNG货舱中时，应该采用顶部充注的办法。④采用多孔管充注。多孔管即在充液管上开有一定数目的小孔，使用多孔管充注可使充注的新LNG和原有的LNG充分混合，从而壁面分层。

　　根据经验，为了避免分层现象，在液化过程中，应注意分析进料天然气组分，不要有较大的密度差(密度差应尽量小于15 kg/m3)。否则采取LNG不进储罐，直接进入汽化器。汽化后再输到外界管网进行循环的方式。进液过程中，选择将温度较低的LNG从罐顶部灌入。将温度较高的LNG从罐底部灌入，使充液过程也成为不同密度的LNG混合的过程，从而防止LNG分层，避免翻滚现象的产生。

　　3 结束语

　　LNG罐船营运实践表明，LNG在货舱内因液体组分的密度不同，造成LNG的剧烈混合蒸发，即“翻滚”的非稳性现象。发生翻滚时，伴随LNG大量蒸发，舱内压力迅速升高，对LNG船舶的安全产生很大的威胁。如果在发生翻滚现象时将储罐的安全释放阀打开，就会造成大量天然气放空，污染环境，影响LNG船营运的经济性。因此对翻滚现象必须引起足够重视，采取积极有效的方法加以防范。

　　参考文献：

　　[1]游立新.液化天然气的分层和祸旋及防止措施[J].石油与天热气化工，1999，20(3)：21-25 .

　　[2]姚峰.浅谈LNG在长期储存中的翻滚现象[J].上海煤气，2001(3)：16-18 .

　　[3]周伟国，阮应君，藤记颖.液化天然气储罐中的翻滚现象及预防措施[J].煤气与热力，2002，22(4)：294-296 .

　　[4]李品友，顾安忠.液化天然气船液货翻滚及其预防[J].上海海运学院学报，1999，20(2)：