大型LNG儲罐高液位運行如何管理安全1、研究背景LNG儲罐是LNG接收站內(nèi)投資最大的核心單體設(shè)備，其穩(wěn)定、安全運行是整個接收站正常運行乃至地方能源安全保障的重要前提。然而，某LNG項目儲罐液位高度過去2個月中絕大多數(shù)時間都在30m以上的高液位狀態(tài)下運行(見圖1)，近一個月更是持續(xù)運行在高液位，在9月初更是創(chuàng)造了33.16m的最高液位，距離高液位報警33.85m只有0.69m的高差，距離34.07m的高高液位報警聯(lián)鎖關(guān)斷只有不到1m的高度差。LNG儲罐液位持續(xù)，長期高液位運行提高了安全隱患發(fā)生風(fēng)險，例如液位誤報警、儲罐超壓、翻滾事故等。結(jié)合我國項目實際運營情況對LNG儲罐高液位運行可能存在的安全隱患進(jìn)行了多方面分析并提出儲罐高液位運行工況的建議。2、高液位運行安全分析2.1高液位運行更容易出現(xiàn)分層引發(fā)翻滾風(fēng)險翻滾是液化天然氣生產(chǎn)儲運中出現(xiàn)的一種危害較大的事故，LNG儲罐持續(xù)高液位運行提升了發(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。儲罐長期高液位運行，壁面及罐底吸熱量較大，容易造成沿儲罐高度方向密度差，出現(xiàn)分層而導(dǎo)致翻滾；且高液位運行時，儲罐往往要容納兩個甚至多個氣源地的LNG，也容易發(fā)生分層導(dǎo)致翻滾。翻滾一旦發(fā)生，儲罐將在短時間內(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，可能使儲罐超壓而損壞，而蒸發(fā)量有時罐內(nèi)液量的函數(shù)，將會造成更大的的經(jīng)濟(jì)損失。儲罐液位較高時對翻滾的產(chǎn)生有三方面影響:(1)高液位運行時，儲罐可能會容納更多的幾種不同組分和密度的LNG，且高液位時罐內(nèi)泵循環(huán)混合LNG的效果有限，造成儲罐內(nèi)LNG分層且上下兩層更易形成獨立的循環(huán)。(2)液位較高時，上下層中間的分界層向下移動的空間較大，容易形成較大的翻滾事故。(3)高液位運行，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)致儲罐和接收站產(chǎn)生較大的壓力波動。國外LNG項目運維歷史中，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儲罐內(nèi)裝有有兩種密度的LNG，處于中高液位。在為時1.25h的翻滾中，有136.2噸的LNG氣化后從儲罐中泄放出來，高峰期的蒸發(fā)率是正常時的100多倍，儲罐壓力超過設(shè)計壓力；1993年英國曼徹斯特Partington的LNG調(diào)峰站的儲罐在充裝前存液17266t，已經(jīng)處于中高液位。充裝后68t儲罐發(fā)生翻滾。卸料后初始58t，共有160t的LNG蒸發(fā)，而在兩小時的翻滾中，由于儲罐壓力的快速上升，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高液位將會增加翻滾產(chǎn)生BOG的量，且在LNG液位較高的儲罐更容易出現(xiàn)翻滾情況。2.2接收站氣相系統(tǒng)容易超壓儲罐高液位運行，造成儲罐氣相空間偏小，整個系統(tǒng)BOG容納能力降低。且高液位運行時產(chǎn)生的蒸發(fā)氣(BOG)量較低液位時大(罐壁漏熱產(chǎn)生的BOG量占整個儲罐吸熱產(chǎn)生BOG量的40%，高液位時儲罐吸熱產(chǎn)生的BOG量比低液位時高約30%～40%)。因此高液位運行下；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m3LNG儲罐的動態(tài)仿真模型，模擬13200m3/h卸料速率下依次進(jìn)行4座儲罐的卸料操作，同時以14.7t/h的BOG系統(tǒng)處理能力處理期間產(chǎn)生的BOG，監(jiān)測期間主要工藝數(shù)據(jù)，例如，4座LNG儲罐壓力、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座儲罐卸料操作時，儲罐氣相空間起到很好的緩沖作用，但在第四座儲罐的卸料時，系統(tǒng)的壓力逼近接收站系統(tǒng)的泄放壓力。從圖2中各做儲罐的壓力曲線與各儲罐的液位高度可知，全速卸料期間，整個系統(tǒng)的BOG產(chǎn)生量增加，參與卸料儲罐的壓力明顯高于其他儲罐，尤其是卸料剛開始時，BOG產(chǎn)生量達(dá)到峰值。當(dāng)接收站儲存系統(tǒng)LNG液位低時，對于BOG產(chǎn)生的峰值波動有一定的緩沖能力，也減少了BOG壓縮機(jī)的負(fù)擔(dān)；但當(dāng)接收站儲存系統(tǒng)LNG液位高時，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)生量波動較大的工況下，容易發(fā)生超壓事故。3、高液位運行管理3.1密度控制每座LNG儲罐均設(shè)有LTD連續(xù)監(jiān)測儀表，用于連續(xù)監(jiān)測儀表主要協(xié)助操作人員確定儲罐內(nèi)部的分層情況。以某16萬方LNG儲罐為例，在LTD測量液位范圍中的相鄰測點最大溫差超過0.3℃或最大密度差超過0.8kg/m3，操作人員應(yīng)當(dāng)對儲罐中的LNG進(jìn)行消除分層的操作。我國部分接收站LNG儲罐LTD檢測系統(tǒng)僅具備檢測數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，缺少分層報警的設(shè)計考慮。此類型的分層檢測系統(tǒng)對LNG接收站工藝操作的"新人"來講尤為重要，現(xiàn)場操作"新人"難以快速采取合適的措施，增加了此風(fēng)險的后果。增加LNG分層報警，可更好的進(jìn)行儲罐LNG分層的控制，有利于LNG儲罐尤其是在高液位情況下的風(fēng)險管理。3.2監(jiān)測控制持續(xù)高液位運行時，儲罐液位容易在數(shù)分鐘之內(nèi)觸發(fā)高報警和高高報警(一般接收站項目液位由高報警至高高報警為5min)。LNG儲罐液位的設(shè)定由低到高共分為六級，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)上考慮儲罐的凈容積進(jìn)行設(shè)定，滿足儲罐罐容的設(shè)計要求。(2)進(jìn)料關(guān)停液位(LAHH):綜合考慮儲罐罐頂進(jìn)料閥門關(guān)閉響應(yīng)時間和操作人員響應(yīng)時間，LAHH為在LAH的基礎(chǔ)上考慮進(jìn)行一定時間(一般項目設(shè)計為5或15min)的最大進(jìn)料后，儲罐上升的液位。由于儲罐過充會對儲罐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，嚴(yán)重還會造成LNG溢出，所以該信號通常接入ESD系統(tǒng)。(3)最大設(shè)計液位(LAHHH):綜合考慮儲罐罐頂進(jìn)料閥門關(guān)閉響應(yīng)時間，LAHHH為在LAHH的基礎(chǔ)上考慮進(jìn)行一定時間(一般為5或15min)的最大進(jìn)料后，儲罐上升的液位。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儲罐液位高度報警示意圖見圖3。在全速卸料的情況下，16萬m3LNG儲罐的液位每小時升高2m，如卸料期間的液相波動或ESDV閥門關(guān)閉中出現(xiàn)嚴(yán)重的卡死問題，則操作人員對液位報警的反應(yīng)時間大大縮短，難以避免儲罐卸料過量的問題。4、總結(jié)通過以上分析，儲罐液位操作建議如下:(1)LNG儲罐應(yīng)盡量避免長期連續(xù)運行在高液位工況，以減少上述提及的安全隱患，保證接收站運行的本質(zhì)安全。(2)儲罐高液位運行時要通過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存放在同一儲罐中儲存；如監(jiān)測到的分層情況，應(yīng)及時采取泵循環(huán)的操作，盡快消除分層現(xiàn)象；如可行，建議增加LNG分層報警。(3)儲罐高液位運行時，操作人員應(yīng)尤其注意監(jiān)