浅析城市LNG应急调峰储罐翻滚安全运行管理_王洋.pdf

9城市燃气 2022/12 总第 574 期燃气技术Gas Technology王 洋，沈思阳，许 俊合肥燃气集团有限公司浅析城市LNG应急调峰储罐翻滚安全运行管理摘要：随着近年来我国LNG行业的快速发展，LNG储罐安全生产运行成为沿海LNG接收站和城市LNG应急调峰站的核心研究方向，LNG储罐由于存在低温、火灾等危险，因而属于重大危险源，一旦发生分层与翻滚事故，后果不堪设想。本文从LNG储罐翻滚方面的具体现象、预防和控制等安全运行管理着手分析，主要阐述翻滚产生的原因、危险性以及有效防范和控制措施等，对比合肥市所在区域LNG储罐安全运行方面与行业内其他先进技术的区别，提出有关LNG储罐生产运行安全监管方案，为LNG储罐的安全管理和平稳运行提供有效建议和思路。关键词：LNG行业；LNG储罐；调峰；翻滚；安全管理doi:10.3969/j.issn.1671-5152.2022.12.0021 LNG行业背景目前LNG已成为全球能源行业供给的重要来源和供给增量，2021年，中国进口LNG达8 140万t，超过日本成为全球最大的液化天然气（LNG）进口国，标志着自20世纪70年代初以来，中国首次成为全球最大LNG进口国，日本退居第二。全球最大的LNG供货国是澳大利亚，达8 300万t；其次是卡塔尔，LNG供应量为8 130万t；美国位居第三，LNG供应量达到7 360万t1。随着中国社会经济的不断发展，对天然气等重要能源的利用程度和需求不断上升，LNG行业的发展拉动能源增长的动力，优化我国传统的能源结构，有效解决能源供应安全、生态环境保护的双重问题，根据最新国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标的建议，国家对于经济绿色转型发展、改善环境质量以及提高资源利用率等方面提出具体要求，中国目前正在规划和实施的沿海LNG项目达到60个，集中分布在广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、辽宁等地。天然气的液化、存储、运输、接收以及气化等环节都是LNG产业链中主要的组成部分，而存储LNG是其中最重要的环节之一，LNG储罐是LNG接收站和LNG调峰站非常关键的核心设备，LNG的存储需要在低温常压的环境中进行，其温度通常被设计为-165左右，由于LNG液体的物理特性和化学特性直接决定着LNG储罐安全管理的重要性，那么LNG分层导致的LNG储罐翻滚现象是储罐安全运行管理巨大的潜在危机，所以加强对LNG储罐防翻滚的安全保护措施才能提升储罐本质安全，从源头上控制和降低储罐运行风险，避免重大事故的发生。2 LNG储罐翻滚现象 2.1LNG翻滚现象LNG分层是LNG存储生产运行过程中的普遍现王 洋等浅析城市LNG应急调峰储罐翻滚安全运行管理10城市燃气 2022/12 总第 574 期燃气技术Gas Technology象，其主要原因是由于不同气源地的LNG组分不同，由此导致LNG的密度不同。当不同密度的LNG在同一储罐中存储时，就可能出现分层现象，且储罐直径越大，分层现象就越严重2。通常LNG发生分层主要有两种情况：一是LNG储罐长时间静止存储；二是不同气源卸入同一储罐内。其中后者发生分层现象较为常见和频繁。LNG储罐一旦发生分层如果不及时消除，内部的热量将不能通过BOG及时排出，那么就会导致更为严重的后果，即LNG储罐翻滚。它发生的主要原因就是在储罐分层的情况下，热量集聚到一定程度，储罐内密度不同的LNG上下剧烈混合后，LNG储罐内平衡被破坏造成大量LNG快速蒸发释放，大量气体放散浪费，更为严重的是如若得不到及时排空降压，会导致储罐压力急剧上升甚至引起储罐爆裂等严重后果，对储罐安全存储非常不利。2.2LNG翻滚原因分析2.2.1 密度差异储罐中的LNG是以甲烷为主的液态混合物，在长期储存中，由于密度的差异使得重组分下降，轻组分上升，从而形成密度差带来分层的后果，且密度差异愈大，所引发的分层趋势越明显，诱发翻滚的可能性就愈大。数据显示，如果储罐内两层LNG时，密度差仅为6.9 kg/m3时3，存放72h就会产生翻滚。2.2.2 氮含量差异由于在LNG的组分中氮的沸点最低，则会先于其他组分蒸发，但是氮的分子量大于甲烷，使得下部的氮受热气化，无法挥发出LNG表面，从而加速下部密度下降的趋势，因此LNG中的氮含量增多会使得LNG储罐翻滚可能性增大。2.2.3 温度差异由于运输过程的差异无法保证LNG储罐装卸时温度的一致，实际上造成LNG密度的不同，温度越低的LNG密度越大，温度越高的LNG密度越小4，此时容易产生LNG分层，温差较大时，若不及时处理存放72h就会产生翻滚现象。LNG翻滚是一种强烈的蒸发过程，由于组分的密度差异、温度差异或氮含量差异引发分层形成的液体瞬间混合的现象。储罐底部是密度大的液体，顶部是密度小的液体。底部液体承受顶部液体的重力，压力增大，蒸发温度也随着提高，LNG具有一定程度的过冷度，使得底部液体蒸发速度较上部慢的多5。由于罐底温度高，底部液体获得热量，密度逐渐减小，当减小到小于上部液体密度时，分层的状态将被打破，平衡破坏导致最终形成翻滚。3 LNG防翻滚预防和控制为防止LNG储罐翻滚的现象产生，应将不同气源分开注入储存，避免因密度差引起LNG分层，不同产地、不同气源的LNG储存时应采用不同的装卸操作6。目前合肥区域城市LNG调峰场站LNG储罐除罗集门站设有E+H防翻滚监测系统软件外，其他场站可以通过储罐内温度差以及密度情况判断储罐分层情况，分析和选择储罐存储以及搅拌方式，实施密切监视，积极预防分层，通过搅拌技术消除分层，具体包括LNG储罐罐表系统监测技术、LNG卸车过程防分层技术以及LNG储罐分层回流搅拌技术等最新技术应用，及时消除LNG翻滚带来的超压放散安全隐患，保证LNG储罐存储安全以及周边环境安全。3.1LNG储罐罐表系统监测技术精准的监测系统是有效预防和控制LNG储罐翻滚现象的关键，目前合肥区域最新LNG城市调峰站罗集门站的罐表系统由LTD密度计、伺服液位计、温度计、32组热电阻以及测量软件等设备组成。LNG储罐日常运行过程中，通过罐表系统过程监测技术，可测量储罐液位、温度以及密度实时监测储罐的动态变化，每天设定的定时分层检测报警装置，可将准确信息第一时间反馈给工艺操作人员，帮助操作人员及时判断储罐内部情况并及时采取处置措施解决问题。3.2LNG卸车过程防分层技术LNG储罐卸车过程中，对于开始进液后槽车的密度和温度通过质量流量计进行实时观测，并与LNG储罐内现有液体的密度和温度进行对比，运用实施精确灵活的进液技术，宜遵循以下原则：（1）当二者温度相近，两部分LNG密度差距较小时，储罐采用上下进液阀门可同时打开进液。（2）当二者温度相近，槽车内LNG密度较小时，采用下进液方式进行储罐内罐底部进液。（3）当二者温度相近，槽车内LNG密度较大11城市燃气 2022/12 总第 574 期燃气技术Gas Technology时，可采用上进液方式通过储罐顶部阀门进液。（4）当二者温度不同，密度差较小时，根据温度差选择上下进液方式进液，一般以上进液为主，同时密切关注储罐温度和压力变化。通过LNG进液过程防分层技术，可以对LNG储罐形成有利的自然循环，一定程度上有效预防LNG储罐发生分层的频次，在分层形成的源头实施了有效管控。3.3LNG储罐分层回流搅拌技术利用罐表系统监测到LNG储罐出现分层报警后，必须及时采取必要的措施消除储罐内LNG密度和温度差，防止分层现象的持续所引起翻滚导致储罐安全问题。目前采用低温泵回流搅拌技术消除分层现象，主要是利用罐内装车泵将LNG从储罐底部抽出，再通过储罐顶部工艺管线跨接至LNG卸车上进液管线回到储罐液面以上，使储罐内LNG组分充分混合，简要操作如下：（1）回流搅拌前现场检查低温泵管线跨接、安全阀状态以及BOG回收系统、消防系统、ESD系统等系统是否处于正常状态，同时检查低温泵状态，罐顶气动阀门是否开关正常，观察LTD密度分布以及储罐内部温度分布情况。（2）开启BOG压缩机回收系统，并根据储罐液位，计算确定搅拌流量和搅拌时间，设定低温泵出液气动阀和回流气动阀开度、频率后启动低温泵运行，观察出口压力和预冷回流系统温度，并将循环流量控制至额定流量上下运行，低温泵运行期间，注意低温泵各重要参数变化，同时注意储罐压力，温度分布变化。（3）观察储罐各层温度差情况并利用LTD梯度运行测量密度分布得出是否均匀，如均匀则分层报警消除，方可关闭低温泵，搅拌前后温度差距较为明显，表明LNG储罐分层现象在低温泵搅拌回流后得到有效控制。4 城市LNG应急调峰储罐安全运行现状4.1LNG储罐安全运行管理要求对于LNG储罐的常态运行，合肥区域内合肥燃气集团公司生产运行部门下属所辖各LNG调峰场站监控班组负责LNG储罐日常运行监控工作，每2小时完成1次LNG储罐数据记录与现场巡检的工作，每周开展1次LNG储罐的全面检查，每月开展1次2次关于LNG储罐的重大危险源的安全综合检查，每半年开展1次关于LNG储罐的重大危险源现场处置预案演练以及LNG储罐的防雷接地检测，每年进行1次关于LNG储罐的重大危险源专项应急预案演练以及每年组织1次LNG储罐沉降检测，同时针对上述关于LNG储图1LTD罐表系统监测系统王 洋等浅析城市LNG应急调峰储罐翻滚安全运行管理12城市燃气 2022/12 总第 574 期燃气技术Gas Technology罐的关键检测与演练活动予以详细记录与针对性分析，保障LNG调峰装置中关键核心装置LNG储罐的良好运行。定时现场巡检内容主要包括LNG储罐外罐管壁结霜与储罐罐底混凝土冷凝水等现象，对于阀门等储罐连接处存在的跑冒滴漏进行排查处理，巡检中如遇突发事故按重大危险源现场应急处置预案冷静处理，结合生产控制DCS系统数据显示、FGS消防报警数据显示以及ESD紧急停车系统的应急方式，对LNG 储罐进行有效持续的监测，并以数据分析判断储罐运行状况；目前合肥市域各调峰站以储罐运行为核心设计各项功能，包括DCS、FGS、ESD等主要控制系统，辅以新建在投使用的LTD密度监测系统、低温泵控制系统以及视频监控系统等，对LNG储罐进行全方位、立体式、数字化监测运行状况7。4.2LNG储罐安全管理系统功能分类要求4.2.1 生产控制系统（DCS）鉴于DCS系统的全面功能，LNG储罐的监控功能主要体现在液位、压力、温度以及密度监测测量显示报警等，其中温度分布显示是对于LNG储罐关键核心数据，各温度测量点分布于储罐内罐筒体表面、内罐底板内表面以及夹层内，通过温度分析可直接判断储罐分层现象，当调峰站设有如E+H防翻滚软件时，通过LTD密度计、温度计以及液位计直接上传软件电脑后通信至DCS主控制器操作站显示，可通过两种系统手段直接同时在线判断分层报警；另外，由设计系统压力液位安全快速联锁控制是对储罐的重要保护手段，不同液位与压力对应不同阶段联锁控制，新建调峰站的LNG储罐压力液位联锁位于ESD最高级别系统内部，高于DCS生产控制系统，紧急情况下使用ESD系统对储罐实施快速有效的保护。4.2.2 火灾报警及气体检测系统（FGS）FGS火灾报警及气体检测系统包括可燃气体浓度监测、火焰探测、液相温度泄漏监测、手动报警装置以及消防系统，LNG储罐区域包括两座集液池、排水泵以及用于LNG泄漏覆盖的泡沫发生系统，同样包括储罐顶部和四周外围的喷淋系统，储罐干粉灭火系统设于储罐罐顶，用于对储罐放散管处隔绝灭火，消防系统是FGS系统最关键的安全操作系统，对储罐安全生产运行影响极大，LNG储罐发生紧急泄漏着火情况下，第一时间启动消防喷淋与泡沫系统是最安全有效的处置方式。4.2.3 紧急停车系统（ESD）ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立图2LNG储罐低温泵控制系统13城市燃气 2022/12 总第 574 期燃气技术Gas Technology于DCS集散控制系统，安全级别高于DCS。作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS系统，而直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护。目前合肥燃气集团罗集门站10 000m3LNG储罐将安全联锁控制设计于SIS系统中的ESD系统，主要根据储罐气相压力数值进行联锁设计，涉及阀门包括储罐上下进液阀、储罐BOG进出阀、储罐放空补气阀以及低温泵出口和回流阀等，最高级别直接发出联锁信号，这是对储罐较为有效的保护方式，同时，ESD系统中另一项直接功能是对全站生产运行紧急停车控制，所以对于ESD系统操作人员严禁非紧急状态下触碰ESD紧急停车按钮，保障系统安全运行。5 结论目前LNG发展正处于高速发展时期，LNG储罐的安全运行管理尤为重要，通过对LNG储罐最常见的分层导致的翻滚现象分析反映出安全风险无处不在，我们必须高度关注和重视其所带来的巨大安全隐患，虽然合肥市域运行的各LNG城市调峰场站已具备相关先进的安全保护系统和监测分析功能，足以保障LNG储罐运行状况下的安全平稳，但是对于生产运行技术人员来说，尚需更加深入剖析和解决调峰站运行LNG储罐存在的重要安全风险，为下一步对标合肥市域以外LNG行业内最先进LNG低温技术打下坚实基础。参考文献1 王萍，曹学文，彭文山，等.大型LNG储罐储液分层特性对翻滚的影响分析J.石油工程建设，2015，41（4）:1-6.2 施宇航.液化天然气（LNG）储运的安全技术及管理措施J.石化技术，2016，23（7）:250.3 张天路.浅谈LNG储罐翻滚现象及防止方法J.科技展望，2016，26（09）:184.4 孙福涛，蒲亮，齐迪.大型LNG储罐分层破坏及翻滚过程的数值研究J.低温工程，2017（1）:47-53.5 赵晓丹，张增刚.LNG储罐中储液分层密度差对翻滚的影响J.煤气与热力，2018，38（12）:B18-B21.6 曲顺利，李玉星，李政龙，等.大型LNG储罐翻滚的影响因素J.油气储运，2015，34（3）:258-261.7 范琳.液化天然气储罐仪表设计探讨J.石油化工自动化，2013，49（3）:14-16.王 洋等浅析城市LNG应急调峰储罐翻滚安全运行管理工程信息2022年11月3日，江苏省发展改革委对江苏沿海输气管道淮安储气库支线段项目做了核准批复。该项目是江苏省“十四五”石油天然气发展专项规划中的重要支线，不仅能满足省重点工程苏盐井神张兴储气库注采需求，还具备提高江苏沿海输气管道淮安储气库支线段获核准江苏省储气调峰能力、优化淮安地区输气管网布局功能。主要建设内容为新建DN700mm高压天然气管线14.78km及一座分输站，设计输气能力为 1 800万m3/d，总投资约2.8亿元。（本刊通讯员供稿）