2013安全評(píng)價(jià)師考試《綜合運(yùn)用》考點(diǎn)（9）

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引言

　　目前，國(guó)際石油價(jià)格仍處于高位，各國(guó)將能源消費(fèi)紛紛轉(zhuǎn)向天然氣，不少?lài)?guó)家準(zhǔn)備大量進(jìn)口天然氣。因此，對(duì)天然氣的海上運(yùn)輸工具--液化天然氣(LNG)船的需求量將顯著增加，對(duì)液化天然氣船舶管理的要求也越來(lái)越高。天然氣液態(tài)儲(chǔ)存是將經(jīng)過(guò)脫水、脫烴和脫酸等凈化處理的天然氣，在常壓下通過(guò)制冷降溫至-162℃左右進(jìn)行液態(tài)儲(chǔ)存。液態(tài)儲(chǔ)存天然氣可以將天然氣的體積縮小600多倍。【1】LNG在充注和儲(chǔ)存過(guò)程中，由于其中組分密度的不同，就有可能出現(xiàn)翻滾(rollover現(xiàn)象。發(fā)生翻滾現(xiàn)象時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備能力，應(yīng)該可以將汽化氣輸出，而事實(shí)上，由于這種汽化是在瞬間產(chǎn)生的，并且量極大，很難將其及時(shí)排出，這樣就會(huì)造成儲(chǔ)罐瞬間超壓，對(duì)設(shè)備造成損害，影響其使用壽命。所以，預(yù)防翻滾現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)保障船舶安全營(yíng)運(yùn)具有很大的意義。

　　1 翻滾現(xiàn)象及產(chǎn)生的原因

　　1.1 翻滾現(xiàn)象分析及分類(lèi)

　　翻滾現(xiàn)象是指兩層不同密度的LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)迅速上下翻動(dòng)混合，瞬間產(chǎn)生大量的汽化氣的現(xiàn)象。在發(fā)生翻滾現(xiàn)象時(shí)，罐內(nèi)LNG的汽化量為平時(shí)自然蒸發(fā)量的10～50倍，這樣將會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)的氣壓迅速上升并超過(guò)設(shè)定的安全壓力，使儲(chǔ)罐出現(xiàn)超壓現(xiàn)象。如果不及時(shí)通過(guò)安全釋放閥排放，就有可能造成貯槽的機(jī)械損傷，對(duì)設(shè)備造成損壞，同時(shí)大量排放蒸發(fā)氣，不僅造成經(jīng)濟(jì)上的損失，對(duì)環(huán)境也造成污染�！�2】

　　一般LNG的組分為氮?dú)�、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷、異戊烷。因產(chǎn)地不同，其成分可能略有變化。

　　翻滾從現(xiàn)象來(lái)看分成兩類(lèi)：①LNG貯罐在長(zhǎng)期貯存中，因其中較輕的組分(主要是N2和CH4)優(yōu)先蒸發(fā)，而自發(fā)形成翻滾現(xiàn)象。②LNG貯罐中原來(lái)留有液化天然氣，在充裝密度不同、溫度不同的新LNG一段時(shí)同(幾個(gè)小時(shí)甚至幾十天)后，突然產(chǎn)生翻滾的現(xiàn)象。【3～4】

　　翻滾是一種熱不穩(wěn)定性現(xiàn)象，這種熱不穩(wěn)定性是由密度變化引起的，其產(chǎn)生的必要條件是分層界面受到擾動(dòng)。界面擾動(dòng)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(xiàn)在流動(dòng)邊界層，因?yàn)榇颂幍牧鲃?dòng)最為活躍，但是由于邊界層流動(dòng)只局限在分界面附近，因此它對(duì)分層界面的直接破壞僅僅發(fā)生在流動(dòng)邊界層內(nèi)。除邊界層穿透破壞之外，上層液體的射流作用也會(huì)破壞分層循環(huán)流動(dòng)，因?yàn)樯蠈右后w的射流沖擊作用既可以直接破壞分層界面，又可通過(guò)“渦漩混合”不斷擴(kuò)大其破壞范圍。

　　也就是說(shuō)，LNG的翻滾實(shí)際上是一種劇烈蒸發(fā)的過(guò)程。在儲(chǔ)罐中，密度小的液體會(huì)集聚在密度大的液體之上，抑制了下層液體的揮發(fā)。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象時(shí)，由于上層LNG靜壓的抑制作用，使得外界傳人的熱量無(wú)法通過(guò)下層的LNG液體的蒸發(fā)而散失，導(dǎo)致下層LNG處于過(guò)飽和狀態(tài)，下層液體就會(huì)溫度升高，少量的N2就會(huì)首先汽化，破壞兩層液體的界面，使得LNG儲(chǔ)罐內(nèi)出現(xiàn)擾動(dòng)，也就是翻滾現(xiàn)象。如果儲(chǔ)罐內(nèi)上層的LNG密度大于下層，下層LNG突然上升，導(dǎo)致邊界層破壞，液體揮發(fā)，產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度上升，壓力也急劇上升，使翻滾現(xiàn)象進(jìn)一步加劇。

　　1.2 翻滾現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

　　(1)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG由于各組分密度不同，導(dǎo)致密度大的組分在下，密度小的組分在上，密度差會(huì)形成分層，有時(shí)即使僅差1 kg/m3也會(huì)分層，而分層是引發(fā)翻滾的第一步。有關(guān)資料介紹，如果儲(chǔ)罐內(nèi)LNG有兩層，當(dāng)其密度差為6.9kg/m3時(shí)，存放72h后就會(huì)產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象�！�1】

　　(2)LNG進(jìn)儲(chǔ)罐的溫度有細(xì)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(chǎn)生分層的現(xiàn)象。一般的，當(dāng)溫差為0.79 K時(shí)，存放72 h后將產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象。

　　(3)由于不同階段添加的LNG的組分不同，導(dǎo)致新日LNG的兩層液體密度不同，罐內(nèi)液體存在密度差，產(chǎn)生分層現(xiàn)象，在存儲(chǔ)和運(yùn)輸過(guò)程中就會(huì)有擾動(dòng)現(xiàn)象，劇烈的擾動(dòng)就是翻滾現(xiàn)象。

　　2 翻滾現(xiàn)象的預(yù)防

　　2.1 LNG分層的檢測(cè)

　　由于LNG分層是引發(fā)翻滾的前提，因此，在實(shí)際操作過(guò)程中如何檢測(cè)LNG分層非常重要。一般可以采取下列方法檢測(cè)LNG分層情況：

　　(1)沿LNG儲(chǔ)罐高度設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，間距可為2.8 m左右，一般當(dāng)溫差高達(dá)-14℃左右時(shí)，就有可能出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象。這時(shí)為防止翻滾事故，就應(yīng)該對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行冷卻。

　　(2)監(jiān)測(cè)新灌入的LNG與儲(chǔ)罐內(nèi)剩余LNG的密度差，也可以通過(guò)兩者的熱值差來(lái)監(jiān)測(cè)。如果差值較大，應(yīng)考慮出現(xiàn)翻滾的可能性。一般當(dāng)密度差達(dá)5 kg/m3時(shí)，就要引起注意，應(yīng)該采用進(jìn)行循環(huán)的方法來(lái)消除密度差。

　　(3)監(jiān)測(cè)LNG的蒸發(fā)速度。LNG分層會(huì)抑制LNG的蒸發(fā)速度，使得出現(xiàn)翻滾前的蒸發(fā)速度比通常情況下的蒸發(fā)速度低。采用壓力表監(jiān)測(cè)罐內(nèi)壓力時(shí)，大氣壓的變化會(huì)影響對(duì)LNG蒸發(fā)速度時(shí)監(jiān)測(cè)，可以采用絕對(duì)壓力監(jiān)測(cè)或記錄大氣壓的變化。

　　2.2 LNG分層和翻滾的預(yù)防

　　根據(jù)翻滾產(chǎn)生的機(jī)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(chǔ)存于不同的儲(chǔ)罐中。但這需要多個(gè)儲(chǔ)罐，使?fàn)I運(yùn)不僅經(jīng)濟(jì)，而且操作方便。

　　(2)充分?jǐn)嚢杷�有灌入�?chǔ)罐的LNG，消除密度差，防止LNG的分層。一般采用循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)(即用LNG泵由儲(chǔ)罐下部到上部打回流)的方法來(lái)使儲(chǔ)罐中的組分充分混合。

　　(3)控制灌入儲(chǔ)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(duì)于大型LNG儲(chǔ)罐，充分?jǐn)嚭捅容^困難。一旦發(fā)生LNG翻滾，汽化后的大量天然氣難以及時(shí)通過(guò)安全釋放閥排放。為了防止發(fā)生事故，設(shè)置安全釋放閥、放散火炬、回收壓縮系統(tǒng)等，防止LNG蒸發(fā)、翻滾造成儲(chǔ)罐超壓。一般同時(shí)采用上述兩個(gè)措施，并且盡量使一個(gè)儲(chǔ)罐僅用來(lái)儲(chǔ)存同一產(chǎn)地的LNG，控制其組分的變化范圍，從而防止LNG的翻滾現(xiàn)象。一般灌入儲(chǔ)罐的LNG的密度差盡量控制在15 kg/m3以?xún)?nèi)。

　　(4)選擇正確的充注方法。根據(jù)需要裝載的LNG與貨艙內(nèi)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(yīng)遵循以下原則①密度相近時(shí)，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(shí)，應(yīng)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(shí)，應(yīng)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(kāi)有一定數(shù)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(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了避免分層現(xiàn)象，在液化過(guò)程中，應(yīng)注意分析進(jìn)料天然氣組分，不要有較大的密度差(密度差應(yīng)盡量小于15 kg/m3)。否則采取LNG不進(jìn)儲(chǔ)罐，直接進(jìn)入汽化器。汽化后再輸?shù)酵饨绻芫W(wǎng)進(jìn)行循環(huán)的方式。進(jìn)液過(guò)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(guò)程也成為不同密度的LNG混合的過(guò)程，從而防止LNG分層，避免翻滾現(xiàn)象的產(chǎn)生。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　LNG罐船營(yíng)運(yùn)實(shí)踐表明，LNG在貨艙內(nèi)因液體組分的密度不同，造成LNG的劇烈混合蒸發(fā)，即“翻滾”的非穩(wěn)性現(xiàn)象。發(fā)生翻滾時(shí)，伴隨LNG大量蒸發(fā)，艙內(nèi)壓力迅速升高，對(duì)LNG船舶的安全產(chǎn)生很大的威脅。如果在發(fā)生翻滾現(xiàn)象時(shí)將儲(chǔ)罐的安全釋放閥打開(kāi)，就會(huì)造成大量天然氣放空，污染環(huán)境，影響LNG船營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性。因此對(duì)翻滾現(xiàn)象必須引起足夠重視，采取積極有效的方法加以防范。