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228 童囱油气储运技术交流研讨舍论文纂 液化天然气储存安全技术 李玉星 冯叔初 (石油大学(华东)储运工程系) 一、储罐中液化天然气的状态及预防分层的方法 1．自发混合 液化天然气罐中可能出现分层或者层化单元，单元内液体的密度是均匀的，但是底层的密 度与顶层的密度不同。因此，罐热传导、层与层之间的热量和物质的交换及液体表面的蒸发等 因素使各层之间能量趋于均匀，并最终混合，这种自发混合通常称为涡旋。如果底部层液体在 一定的压力下是过热状态，可能会引起蒸发率的突然升高。 在有些情况下，这种突然的、大规模的蒸发可引起罐中压力的突然升高，并开启安全阀，造 成大量天然气放空，白白损失。如果储罐容量太小，可能损坏储罐的内壁。 2．罐中液化天然气的分层机理 液化天然气是一种多组分混合物，其温度和组分的变化会引起密度的变化，不同密度的 LNG在储存时可能会因密度差异而发生分层现象。根据引起密度差异的原因的不同，可以把 分层分为两种：充注引起的分层和由于氮优先蒸发引起的自发分层。 (1)由充注引起的分层 当已经装有液化天然气的储罐继续灌装不同密度的液化天然气时，可能出现两种液体不 混合的现象，从而导致分层。如果密度较大的液体在罐的底部，则这种分层是稳定的。当灌装 是从罐底部分进行的，并且灌入的液体密度大于已经存于罐内液体的密度时；或者从顶部灌 装，而且所装密度小于管内液体密度时，都会出现这种分层现象。观察表明：分层发生后，层与 层相对稳定。在液体中出现各自独立的自然对流循环(如图1所示)。物质和能量的交换通过层 与层之间的交界面对流进行。 LNG是低温液体，故在储存过程中，热量不可避免地从储槽周壁及底壁渗入。被顶层吸收 的热量一部分通过气体的蒸发散去，其余部分则被该层液体吸收，使该层液体的温度升高；而 底层吸收的热量则只能通过与顶层之间的界面传给顶层液体，这时就有可能发生两种情况：第 一种情况为，两液层之间的温度差异较小，通过界面传递的热量小于液体吸收的热量，底层液 体被加热，第二种情况为两液层之问的温差较大，通过界面传递的热量大于液体吸收的热量， 底层液体被冷却。图2示意了这两种情况下两液层的温度和密度随时间的变化。两种情况下， 硬层液体的温度都升高，密度也随时间而增加，在第一情况时，底层温度增加较快，密度降低， 当上下层密度近似相等时，分层界面消失，发生涡旋和液层的混合}在第二情况时，底层液体的 温度降低，发生涡麓释藏层撬合的时间就要推迟到顶层液体的密度也增加到与底层液层密度 液化天然气储存安宝技术 229 近似相等之时。 圈1 LNG储槽内分层后形成相互独立的自然循环 图2液层温度与密度艟时间的变化 当两个单元的液体密度大体相等时，交界面消失。两层混合。这种混合的速度非常快，称为 涡旋。并且经常伴随储罐中液化天然气蒸发率的突然升高。 由于LNG是一种低温液体，储存时一般处于过热状态。内部积聚了大量的热量，液层的迅 速混合加快了液体内流动。为积聚的热量通过表面蒸发提供了条件，所以LNG发生祸旋时，往 往同时伴随有表面蒸发率的骤增，并表现在储槽内压力骤升和蒸汽流量的大幅度增加。 涡旋形成的机理比较复杂，综合有关涡旋研究认为：(1)储槽周壁形成边界层，底层边界 层密度降低后上升穿透上边界层，并与之混合上升到液面t(2)分层面之间受到扰动形成动态 不稳定，产生液体波，液体波的产生有利于混合I(3)分层液体之间存在一中间层，中间层可能 影响混合过程。研究认为，涡旋是一种起因于热过程的热不稳定性现象，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。有关涡旋的实验研究也证实了这一 结论。 。+ ， L|NG储槽可分为3种基本类型，基本负荷塑出口暂存储槽、高峰负荷型储槽及终端装置。 230 宝国油气健运技术交流研讨盒论文集 这3种储槽都可能发生分层而引起涡旋，但各有其特点。基本负荷型出口暂存储槽，用于液体 设备靠近天然气源，其特点为，液体在储