大型LNG储罐高液位运行安全分析与管理研究

(中海石油气电集团有限责任公司,北京 100028)

1 研究背景

LNG储罐是LNG接收站内投资最大的核心单体设备，其稳定、安全运行是整个接收站正常运行乃至地方能源安全保障的重要前提。然而，某LNG项目储罐液位高度过去2个月中绝大多数时间都在30m以上的高液位状态下运行(见图1)，近一个月更是持续运行在高液位，在9月初更是创造了33.16m的最高液位，距离高液位报警33.85m只有0.69m的高差，距离34.07m的高高液位报警联锁关断只有不到1m的高度差。

LNG储罐液位持续，长期高液位运行提高了安全隐患发生风险，例如液位误报警、储罐超压、翻滚事故等[1-4]。本文结合我国项目实际运营情况对LNG储罐高液位运行可能存在的安全隐患进行了多方面分析并提出储罐高液位运行工况的建议。

图1 某项目LNG储罐2个月储罐液位

2 高液位运行安全分析

2.1 高液位运行更容易出现分层引发翻滚风险

翻滚是液化天然气生产储运中出现的一种危害较大的事故，LNG储罐持续高液位运行提升了发生罐内液体"翻滚"的后果且增加翻滚发生的概率。液化天然气翻滚产生的主要原因是罐内液体分层[5-6]。储罐长期高液位运行，壁面及罐底吸热量较大，容易造成沿储罐高度方向密度差，出现分层而导致翻滚；且高液位运行时，储罐往往要容纳两个甚至多个气源地的LNG，也容易发生分层导致翻滚。翻滚一旦发生，储罐将在短时间内产生大量蒸发气(BOG)，其BOG蒸发量为正常情况下的100多倍[7-11]，可能使储罐超压而损坏，而蒸发量有时罐内液量的函数，将会造成更大的的经济损失。

储罐液位较高时对翻滚的产生有三方面影响：

(1)高液位运行时，储罐可能会容纳更多的几种不同组分和密度的LNG，且高液位时罐内泵循环混合LNG的效果有限，造成储罐内LNG分层且上下两层更易形成独立的循环。

(2)液位较高时，上下层中间的分界层向下移动的空间较大，容易形成较大的翻滚事故。

(3)高液位运行，使LNG沿高度方向受热面积大，造成上层蒸发更加剧烈，下层热量积聚更加迅速，加剧了由分层到翻滚的过程；一旦发生翻滚下层释放的热量产生的蒸发气量将十分巨大，导致储罐和接收站产生较大的压力波动。

国外LNG项目运维历史中，发生多起"翻滚"事故案例：1971年意大利Le Spezia，SNAM的LNG终端接收站S-1储罐内装有有两种密度的LNG，处于中高液位。在为时1.25h的翻滚中，有136.2吨的LNG气化后从储罐中泄放出来，高峰期的蒸发率是正常时的100多倍，储罐压力超过设计压力；1993年英国曼彻斯特Partington的LNG调峰站的储罐在充装前存液17266t，已经处于中高液位。充装后68t储罐发生翻滚。卸料后初始58t，共有160t的LNG蒸发，而在两小时的翻滚中，由于储罐压力的快速上升，有150t的LNG被排放到大气中。

综合分析这历史事故，虽然导致翻滚的直接因素是操作不当，使高密度液体位于罐底的分层，但不可忽视的是LNG高液位将会增加翻滚产生BOG的量，且在LNG液位较高的储罐更容易出现翻滚情况

2.2 接收站气相系统容易超压

储罐高液位运行，造成储罐气相空间偏小，整个系统BOG容纳能力降低。且高液位运行时产生的蒸发气(BOG)量较低液位时大(罐壁漏热产生的BOG量占整个储罐吸热产生BOG量的40%，高液位时储罐吸热产生的BOG量比低液位时高约30%～40%)。因此高液位运行下；一方面，BOG产生量因热输入的增加而增大；另一方面，储罐的BOG的气相空间有限，接收站气相系统的缓冲能力严重不足。

基于HYSYS软件搭建某接收站4座16万m3LNG储罐的动态仿真模型，模拟13200m3/h卸料速率下依次进行4座储罐的卸料操作，同时以14.7t/h的BOG系统处理能力处理期间产生的BOG，监测期间主要工艺数据，例如，4座LNG储罐压力、液位高度、BOG压缩机处理能力等工艺参数可知。在进行1-3座储罐卸料操作时，储罐气相空间起到很好的缓冲作用，但在第四座储罐的卸料时，系统的压力逼近接收站系统的泄放压力。

图2 四座罐接替卸料监测图

从图2中各做储罐的压力曲线与各储罐的液位高度可知，全速卸料期间，整个系统的BOG产生量增加，参与卸料储罐的压力明显高于其他储罐，尤其是卸料刚开始时，BOG产生量达到峰值。当接收站储存系统LNG液位低时，对于BOG产生的峰值波动有一定的缓冲能力，也减少了BOG压缩机的负担；但当接收站储存系统LNG液位高时，其气相空间大大减小，缓冲功能减弱，增加了BOG处理系统的负担，在卸船等BOG产生量波动较大的工况下，容易发生超压事故。

3 高液位运行管理

3.1 密度控制

每座LNG储罐均设有LTD连续监测仪表，用于连续监测仪表主要协助操作人员确定储罐内部的分层情况。以某16万方LNG储罐为例，在LTD测量液位范围中的相邻测点最大温差超过0.3℃或最大密度差超过0.8 kg/m3，操作人员应当对储罐中的LNG进行消除分层的操作。

我国部分接收站LNG储罐LTD检测系统仅具备检测数据监测功能，缺少分层报警的设计考虑。此类型的分层检测系统对LNG接收站工艺操作的"新人"来讲尤为重要，现场操作"新人"难以快速采取合适的措施，增加了此风险的后果。增加LNG分层报警，可更好的进行储罐LNG分层的控制，有利于LNG储罐尤其是在高液位情况下的风险管理。

3.2 监测控制

持续高液位运行时，储罐液位容易在数分钟之内触发高报警和高高报警(一般接收站项目液位由高报警至高高报警为5min)。LNG储罐液位的设定由低到高共分为六级，其中与高液位有关的设定一般有如下三层：

(1)最大操作液位(LAH)的设定是为在LAL的基础上考虑储罐的净容积进行设定，满足储罐罐容的设计要求。

(2)进料关停液位(LAHH)：综合考虑储罐罐顶进料阀门关闭响应时间和操作人员响应时间，LAHH为在LAH的基础上考虑进行一定时间(一般项目设计为5或15min)的最大进料后，储罐上升的液位。由于储罐过充会对储罐结构产生影响，严重还会造成LNG溢出，所以该信号通常接入ESD系统。

(3)最大设计液位(LAHHH)：综合考虑储罐罐顶进料阀门关闭响应时间，LAHHH为在LAHH的基础上考虑进行一定时间(一般为5或15min)的最大进料后，储罐上升的液位。

除了以上的液位设定外，通常在LAHHH之上还应保证一定安全高度， EN14620中最小安全超高为300mm[12]。LNG储罐液位高度报警示意图见图3。

图3 LNG储罐液位高度报警示意图

在全速卸料的情况下，16万m3LNG储罐的液位每小时升高2m，如卸料期间的液相波动或ESDV阀门关闭中出现严重的卡死问题，则操作人员对液位报警的反应时间大大缩短，难以避免储罐卸料过量的问题。

4 结论

通过以上分析，储罐液位操作建议如下：

(1)LNG储罐应尽量避免长期连续运行在高液位工况，以减少上述提及的安全隐患，保证接收站运行的本质安全。

(2)储罐高液位运行时要通过LTD严格监控罐内密度及温度查，防范罐内液体产生分层，避免罐内液体形成翻滚的条件。建议避免将具有显著密度差异的LNG存放在同一储罐中储存；如监测到的分层情况，应及时采取泵循环的操作，尽快消除分层现象；如可行，建议增加LNG分层报警。

(3)储罐高液位运行时，操作人员应尤其注意监控液位高报警，在信息沟通和人员配置上应保持快速响应的状态，在基于将不同密度LNG分罐储罐的方案或密度差异允许的情况下，优先考虑下进料的操作方案。

(4)当卸船量较大时，要保证储罐留有合适的气相空间，建议尽量在卸料前降低接收站气相系统压力；卸料期间将LNG平均分配到各个储罐储罐中，避免单个储罐液位过高的情况。