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大型LNG儲(chǔ)罐高液位運(yùn)行如何管理安全

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能源情報(bào)按:安全是能源行業(yè)的基礎(chǔ),安全大過(guò)天。11月2日,國(guó)家管網(wǎng)接手一個(gè)月的北海LNG接收站儲(chǔ)罐起火,在業(yè)內(nèi)形成很大影響。


據(jù)廣西北海市鐵山港區(qū)委員會(huì)宣傳部微信公眾號(hào)消息,11月2日11時(shí)45分許,國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北海液化天然氣有限責(zé)任公司位于鐵山港區(qū)的LNG接收站碼頭2#罐罐前平臺(tái)管線在施工時(shí)發(fā)生著火,火勢(shì)于11點(diǎn)55分得到控制撲滅。經(jīng)連續(xù)搜救,截至目前,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的9人中,有5人死亡,1人失聯(lián),3人重傷正在全力救治中。


安全運(yùn)營(yíng),要時(shí)刻警醒。



文/張晨 王沛 王亞群 楊春艷 孫亞娟,中海石油氣電集團(tuán),山東化工

 

1研究背景

 

LNG儲(chǔ)罐是LNG接收站內(nèi)投資最大的核心單體設(shè)備,其穩(wěn)定、安全運(yùn)行是整個(gè)接收站正常運(yùn)行乃至地方能源安全保障的重要前提。然而,某LNG項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐液位高度過(guò)去2個(gè)月中絕大多數(shù)時(shí)間都在30m以上的高液位狀態(tài)下運(yùn)行(見(jiàn)圖1),近一個(gè)月更是持續(xù)運(yùn)行在高液位,在9月初更是創(chuàng)造了33.16m的最高液位,距離高液位報(bào)警33.85m只有0.69m的高差,距離34.07m的高高液位報(bào)警聯(lián)鎖關(guān)斷只有不到1m的高度差。

 

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LNG儲(chǔ)罐液位持續(xù),長(zhǎng)期高液位運(yùn)行提高了安全隱患發(fā)生風(fēng)險(xiǎn),例如液位誤報(bào)警、儲(chǔ)罐超壓、翻滾事故等。本文結(jié)合我國(guó)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況對(duì)LNG儲(chǔ)罐高液位運(yùn)行可能存在的安全隱患進(jìn)行了多方面分析并提出儲(chǔ)罐高液位運(yùn)行工況的建議。

 

2高液位運(yùn)行安全分析

 

2.1高液位運(yùn)行更容易出現(xiàn)分層引發(fā)翻滾風(fēng)險(xiǎn)

 

翻滾是液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)中出現(xiàn)的一種危害較大的事故,LNG儲(chǔ)罐持續(xù)高液位運(yùn)行提升了發(fā)生罐內(nèi)液體"翻滾"的后果且增加翻滾發(fā)生的概率。液化天然氣翻滾產(chǎn)生的主要原因是罐內(nèi)液體分層。儲(chǔ)罐長(zhǎng)期高液位運(yùn)行,壁面及罐底吸熱量較大,容易造成沿儲(chǔ)罐高度方向密度差,出現(xiàn)分層而導(dǎo)致翻滾;且高液位運(yùn)行時(shí),儲(chǔ)罐往往要容納兩個(gè)甚至多個(gè)氣源地的LNG,也容易發(fā)生分層導(dǎo)致翻滾。翻滾一旦發(fā)生,儲(chǔ)罐將在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣(BOG),其BOG蒸發(fā)量為正常情況下的100多倍,可能使儲(chǔ)罐超壓而損壞,而蒸發(fā)量有時(shí)罐內(nèi)液量的函數(shù),將會(huì)造成更大的的經(jīng)濟(jì)損失。

 

儲(chǔ)罐液位較高時(shí)對(duì)翻滾的產(chǎn)生有三方面影響:

 

(1)高液位運(yùn)行時(shí),儲(chǔ)罐可能會(huì)容納更多的幾種不同組分和密度的LNG,且高液位時(shí)罐內(nèi)泵循環(huán)混合LNG的效果有限,造成儲(chǔ)罐內(nèi)LNG分層且上下兩層更易形成獨(dú)立的循環(huán)。

 

(2)液位較高時(shí),上下層中間的分界層向下移動(dòng)的空間較大,容易形成較大的翻滾事故。

 

(3)高液位運(yùn)行,使LNG沿高度方向受熱面積大,造成上層蒸發(fā)更加劇烈,下層熱量積聚更加迅速,加劇了由分層到翻滾的過(guò)程;一旦發(fā)生翻滾下層釋放的熱量產(chǎn)生的蒸發(fā)氣量將十分巨大,導(dǎo)致儲(chǔ)罐和接收站產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)。

 

國(guó)外LNG項(xiàng)目運(yùn)維歷史中,發(fā)生多起"翻滾"事故案例:

 

1971年意大利LeSpezia,SNAM的LNG終端接收站S-1儲(chǔ)罐內(nèi)裝有有兩種密度的LNG,處于中高液位。在為時(shí)1.25h的翻滾中,有136.2噸的LNG氣化后從儲(chǔ)罐中泄放出來(lái),高峰期的蒸發(fā)率是正常時(shí)的100多倍,儲(chǔ)罐壓力超過(guò)設(shè)計(jì)壓力;1993年英國(guó)曼徹斯特Partington的LNG調(diào)峰站的儲(chǔ)罐在充裝前存液17266t,已經(jīng)處于中高液位。充裝后68t儲(chǔ)罐發(fā)生翻滾。卸料后初始58t,共有160t的LNG蒸發(fā),而在兩小時(shí)的翻滾中,由于儲(chǔ)罐壓力的快速上升,有150t的LNG被排放到大氣中。

 

綜合分析這歷史事故,雖然導(dǎo)致翻滾的直接因素是操作不當(dāng),使高密度液體位于罐底的分層,但不可忽視的是LNG高液位將會(huì)增加翻滾產(chǎn)生BOG的量,且在LNG液位較高的儲(chǔ)罐更容易出現(xiàn)翻滾情況。

 

2.2接收站氣相系統(tǒng)容易超壓

 

儲(chǔ)罐高液位運(yùn)行,造成儲(chǔ)罐氣相空間偏小,整個(gè)系統(tǒng)BOG容納能力降低。且高液位運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣(BOG)量較低液位時(shí)大(罐壁漏熱產(chǎn)生的BOG量占整個(gè)儲(chǔ)罐吸熱產(chǎn)生BOG量的40%,高液位時(shí)儲(chǔ)罐吸熱產(chǎn)生的BOG量比低液位時(shí)高約30%~40%)。因此高液位運(yùn)行下;一方面,BOG產(chǎn)生量因熱輸入的增加而增大;另一方面,儲(chǔ)罐的BOG的氣相空間有限,接收站氣相系統(tǒng)的緩沖能力嚴(yán)重不足。

 

基于HYSYS軟件搭建某接收站4座16萬(wàn)m3LNG儲(chǔ)罐的動(dòng)態(tài)仿真模型,模擬13200m3/h卸料速率下依次進(jìn)行4座儲(chǔ)罐的卸料操作,同時(shí)以14.7t/h的BOG系統(tǒng)處理能力處理期間產(chǎn)生的BOG,監(jiān)測(cè)期間主要工藝數(shù)據(jù),例如,4座LNG儲(chǔ)罐壓力、液位高度、BOG壓縮機(jī)處理能力等工藝參數(shù)可知。在進(jìn)行1-3座儲(chǔ)罐卸料操作時(shí),儲(chǔ)罐氣相空間起到很好的緩沖作用,但在第四座儲(chǔ)罐的卸料時(shí),系統(tǒng)的壓力逼近接收站系統(tǒng)的泄放壓力。

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從圖2中各做儲(chǔ)罐的壓力曲線與各儲(chǔ)罐的液位高度可知,全速卸料期間,整個(gè)系統(tǒng)的BOG產(chǎn)生量增加,參與卸料儲(chǔ)罐的壓力明顯高于其他儲(chǔ)罐,尤其是卸料剛開(kāi)始時(shí),BOG產(chǎn)生量達(dá)到峰值。當(dāng)接收站儲(chǔ)存系統(tǒng)LNG液位低時(shí),對(duì)于BOG產(chǎn)生的峰值波動(dòng)有一定的緩沖能力,也減少了BOG壓縮機(jī)的負(fù)擔(dān);但當(dāng)接收站儲(chǔ)存系統(tǒng)LNG液位高時(shí),其氣相空間大大減小,緩沖功能減弱,增加了BOG處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),在卸船等BOG產(chǎn)生量波動(dòng)較大的工況下,容易發(fā)生超壓事故。

 

3高液位運(yùn)行管理

 

3.1密度控制

 

每座LNG儲(chǔ)罐均設(shè)有LTD連續(xù)監(jiān)測(cè)儀表,用于連續(xù)監(jiān)測(cè)儀表主要協(xié)助操作人員確定儲(chǔ)罐內(nèi)部的分層情況。以某16萬(wàn)方LNG儲(chǔ)罐為例,在LTD測(cè)量液位范圍中的相鄰測(cè)點(diǎn)最大溫差超過(guò)0.3℃或最大密度差超過(guò)0.8kg/m3,操作人員應(yīng)當(dāng)對(duì)儲(chǔ)罐中的LNG進(jìn)行消除分層的操作。

 

我國(guó)部分接收站LNG儲(chǔ)罐LTD檢測(cè)系統(tǒng)僅具備檢測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能,缺少分層報(bào)警的設(shè)計(jì)考慮。此類(lèi)型的分層檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)LNG接收站工藝操作的"新人"來(lái)講尤為重要,現(xiàn)場(chǎng)操作"新人"難以快速采取合適的措施,增加了此風(fēng)險(xiǎn)的后果。增加LNG分層報(bào)警,可更好的進(jìn)行儲(chǔ)罐LNG分層的控制,有利于LNG儲(chǔ)罐尤其是在高液位情況下的風(fēng)險(xiǎn)管理。

 

3.2監(jiān)測(cè)控制

 

持續(xù)高液位運(yùn)行時(shí),儲(chǔ)罐液位容易在數(shù)分鐘之內(nèi)觸發(fā)高報(bào)警和高高報(bào)警(一般接收站項(xiàng)目液位由高報(bào)警至高高報(bào)警為5min)。LNG儲(chǔ)罐液位的設(shè)定由低到高共分為六級(jí),其中與高液位有關(guān)的設(shè)定一般有如下三層:

 

(1)最大操作液位(LAH)的設(shè)定是為在LAL的基礎(chǔ)上考慮儲(chǔ)罐的凈容積進(jìn)行設(shè)定,滿(mǎn)足儲(chǔ)罐罐容的設(shè)計(jì)要求。

 

(2)進(jìn)料關(guān)停液位(LAHH):綜合考慮儲(chǔ)罐罐頂進(jìn)料閥門(mén)關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間和操作人員響應(yīng)時(shí)間,LAHH為在LAH的基礎(chǔ)上考慮進(jìn)行一定時(shí)間(一般項(xiàng)目設(shè)計(jì)為5或15min)的最大進(jìn)料后,儲(chǔ)罐上升的液位。由于儲(chǔ)罐過(guò)充會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,嚴(yán)重還會(huì)造成LNG溢出,所以該信號(hào)通常接入ESD系統(tǒng)。

 

(3)最大設(shè)計(jì)液位(LAHHH):綜合考慮儲(chǔ)罐罐頂進(jìn)料閥門(mén)關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間,LAHHH為在LAHH的基礎(chǔ)上考慮進(jìn)行一定時(shí)間(一般為5或15min)的最大進(jìn)料后,儲(chǔ)罐上升的液位。

 

除了以上的液位設(shè)定外,通常在LAHHH之上還應(yīng)保證一定安全高度,EN14620中最小安全超高為300mm。LNG儲(chǔ)罐液位高度報(bào)警示意圖見(jiàn)圖3。

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在全速卸料的情況下,16萬(wàn)m3LNG儲(chǔ)罐的液位每小時(shí)升高2m,如卸料期間的液相波動(dòng)或ESDV閥門(mén)關(guān)閉中出現(xiàn)嚴(yán)重的卡死問(wèn)題,則操作人員對(duì)液位報(bào)警的反應(yīng)時(shí)間大大縮短,難以避免儲(chǔ)罐卸料過(guò)量的問(wèn)題。

 

4結(jié)論

 

通過(guò)以上分析,儲(chǔ)罐液位操作建議如下:

 

(1)LNG儲(chǔ)罐應(yīng)盡量避免長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行在高液位工況,以減少上述提及的安全隱患,保證接收站運(yùn)行的本質(zhì)安全。

 

(2)儲(chǔ)罐高液位運(yùn)行時(shí)要通過(guò)LTD嚴(yán)格監(jiān)控罐內(nèi)密度及溫度查,防范罐內(nèi)液體產(chǎn)生分層,避免罐內(nèi)液體形成翻滾的條件。建議避免將具有顯著密度差異的LNG存放在同一儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存;如監(jiān)測(cè)到的分層情況,應(yīng)及時(shí)采取泵循環(huán)的操作,盡快消除分層現(xiàn)象;如可行,建議增加LNG分層報(bào)警。

 

(3)儲(chǔ)罐高液位運(yùn)行時(shí),操作人員應(yīng)尤其注意監(jiān)控液位高報(bào)警,在信息溝通和人員配置上應(yīng)保持快速響應(yīng)的狀態(tài),在基于將不同密度LNG分罐儲(chǔ)罐的方案或密度差異允許的情況下,優(yōu)先考慮下進(jìn)料的操作方案。

 

(4)當(dāng)卸船量較大時(shí),要保證儲(chǔ)罐留有合適的氣相空間,建議盡量在卸料前降低接收站氣相系統(tǒng)壓力;卸料期間將LNG平均分配到各個(gè)儲(chǔ)罐儲(chǔ)罐中,避免單個(gè)儲(chǔ)罐液位過(guò)高的情況。