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