液化天然气的储存与运输.docx
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液化天然气的储存与运输
液化天然气的储存与运输
在液化天然气（LNG）工业链中，LNG的储存和运输是两个重要环节。
无论资本负荷型液化装置还是调峰型装置，液化后的天然气都要储存在液化站内的储存罐或储存槽内。
在卫星型液化站和LNG接收站，都有一定数量和不同规模的储存罐和储存槽。
世界LNG贸易主要是通过海运，因此LND槽船是主要的运输工具。
从LNG接收站或卫星型装置，将LNG转运都需要LNG槽车。
天然气是易燃易爆的燃料，LNG的储存温度很底，对其储存设备和运输工具就提出了安全可靠、高效的严格要求。
LNG的储存
一.LNG储罐（槽）
1．LNG储罐分类
一般可按容量、隔热、形状及罐的材料进行分类。
（1）按容量分类
1小型储罐容量：
5～50m3,常用于燃气气化站，LNG汽车加注站等场合。
2中型储罐容量：
50～100m3,常用于卫星式液化装置、工业燃气气化站等场合。
3大型储罐容量：
100～100m3,常用于小型LNG生产装置。
4大型储槽容量：
10000～40000m3,常用于基本负荷和调峰型液化装置。
5特大型储槽容量：
40000～200000m3,常用于LNG接受站。
（2）按围护结构的隔热分类
1真空粉末隔热：
常见于小型LNG储罐。
2正压堆积隔热：
广泛应用于大中型LNG储罐和储槽。
3高真空多层隔热：
很少采用，限用于小型LNG储槽。
（3）按储罐（槽）的形状分类
1球型罐：
一般用于中小容量的储罐，但有些工程的大型LNG储槽也有采用球型的。
2圆柱形罐（槽）：
广泛用于各种容量的储罐和储槽。
（4）按罐（槽）的放置分类
1地上型。
2地下型。
包括如下三种形式：
半地下型，地下型，地下坑型。
（5）按罐（槽）的材料分类
1双金属：
指内罐和外壳均用金属材料。
一般内罐采用耐低温的不锈钢或铝合金。
如下表，列出常用的几中内罐材料。
材料
型号
许用应力（应用于平底储槽）/MPa
不锈钢
A240
155.1
铝
AA5052
49.0
AA5086
72.4
AA5083
91.7
5%Ni钢
A645
218.6
9%Ni钢
A553
218.6
外壳采用黑色金属。
目前采用较多的是压力容器用钢。
2预应力混凝土：
指大型储槽采用预应力混凝土外壳，而内筒采用低温的金属材料。
3薄膜型：
指内筒采用厚度为0.8～1.2mm的36Ni钢。
（6）按罐（槽）的围护结构分类
1单围护系统。
储存槽只有一个流体力学承载层，所以必须在储存槽周围留出一块安全空间。
2双围护系统。
3全封闭围护系统。
4薄膜型围护系统。
双围护系统、全封闭围护系统和薄膜型围护系统，都有可靠的流体力学承载层，所以就不必在储存槽周围留出一块空余空间，土地利用效率就高。
在薄膜型围护系统中，由于薄膜层不能承载，所以对外简体要求很高。
（P194）
1.LNG储罐（槽）的结构（P194）
1立体式LNG储罐
立体LNG储罐工艺流程图如下
A-单向阀B-防爆膜D-阻火器E1～E4-截止阀G-压力表阀H-液位计L1、L2-液位计阀M1-M6-放气阀MV-测满阀N-紧急切断阀Pr-增压器P1～P3-压力表R-连通阀S1～S3-安全阀S4-外壳爆破膜V1～V10-截止阀W-抽空阀
2立体式LNG子母型储罐
子母罐是指拥有多个（三个以上）子罐并联组成的内罐，以满足低温液体储存站大容量储液量的要求。
多只子罐并列组装在一个在型外罐（母罐）之中。
子罐通常为立式圆筒形，外罐为立式下底拱盖圆筒形。
由于外罐形状尺寸过大等原因，不耐外压而无法抽真空，外罐为常压罐。
隔热方式为粉末（珠光砂）堆积隔热。
子罐通常为压力容器制造厂制造完工后运抵现场吊装就位，外罐则加工成零部件运抵现场后，在现场组装。
单只子罐的几何容积通常在100～150m3之间。
单只子罐的容积不宜过大，过大会导致运输吊装困难。
子罐的数量通常为3～7只，因此可以组建300～1250m3的大型储槽。
3球型LNG储罐
低温液体球罐的内外罐均为球状。
工作状态下，内罐为内压力容器，外罐为真空外压容器。
夹层通常为真空粉末隔热。
球罐的内外球壳板在压力容器制造厂加工成形后，在安装现场组装。
球壳板的成形需要专用的加工工装保证成形，现场安装难度大。
4典型的全封闭围护系统LNG储槽
二.LNG储存中的安全问题
LNG在储存期间，无论隔热效果如何好，总要产生一定数量的蒸发气体。
储罐容纳这些气体的数量是有限的，当储罐内的工作压力达到允许最大值时，蒸发的气体继续增加，会使储罐内的压力上升，超过设计压力。
LNG储罐的压力控制对安全储存有非常重要的意义。
涉及到LNG的安全充注数量，压力控制与保护西听和储存的稳定性等诸多因素。
LNG储存安全技术主要有以下几个方面：
1）储罐材料。
材料的物理特性应适应在低温条件下工作，如材料在低温工作状态下的抗拉和抗压等机械强度、低温冲击韧性和热膨胀系数等。
2）LNG充注。
储罐的充注管路设计应考虑在顶部和地部均能冲灌，这样能防止LNG产生分层，或消除已经产生的分层现象。
3）储罐的地基。
应能经受得起与LNG直接接触的低温，在意外情况下万一LNG产生漏泻或溢出，LNG与地基直接接触，地基应不会损坏。
4）储罐的隔热。
隔热材料必须是不可燃的，并有足够的牢度，能承受消防水的冲击力。
当火蔓延到容器外壳时，隔热层不应出现熔化或沉降，隔热效果不应迅速下降。
5）安全保护系统。
储罐的安全防护系统必须可靠，能实现对储液位、压力的控制和报警，必要时应该有多级保护。
1.LNG储罐的充注条件
对于任何需要充注LNG或其他可燃介的储罐（或管路），如果储罐（或管路）中是空气，不能直接输入LNG，需要对储罐（或管路）进行惰化处理，避免形成天然气一空气的混合物。
如储罐（包括管路系统）在首次充注LNG之前和LNG储罐在需要进行内部检修时，修理人员进去作业之前，也不能直接将空气充入充满天然气气氛的储罐内，而是在停止使用以后，先向储罐内充入惰化气体，然后再充入空气。
操作人员方能进入储罐内检修。
惰化的目的是要用惰性气体将储罐和管路系统内的空气或天然气置换出来，然后才能充注可燃介质。
储罐在首次充注LNG之前，必须经过惰化处理，惰化处理是将惰性气体置换储罐内的空气，使罐内的气体中的含量达到安全的要求。
用于惰化的惰性气体，可以是氮气、二氧化碳等。
通常可以用液态氮或液态二氧化碳来产生惰性气体。
LNG船上则设置惰性气体发生装置。
通常采用变压吸附、氨气裂解和燃油燃烧分离等方法制取惰性气体。
表中列出了常见的痰气制取方法。
常见的氮气制取方法
制取方法
原料
氮气的体积分数（%）
空气低温分离
空气
99.5以上
膜分离
空气
99.0
变压吸附分离
空气
99.0
氨气裂解
氨气
99.4
燃油燃烧分离
燃油
99.7
充注LNG之前，好有必要用LNG蒸气将储罐中的惰化气体置换出来，这个过程称为纯化。
具体方法是用气化器将LNG气体气化并加热至常温状态，然后送入储罐，将储罐中的惰化气体置换出来，使储罐中不存在其他气体。
纯化工作完成之后，方可进入冷却降温和LNG的加注过程。
为了使惰化效果更好，惰化时需要考虑惰性气体密度与储罐内空气或可燃气体的密度，以确定正确的送气部位。
天然气各组分与空气的相对密度见下表：
天然气各组分与空气的相对密度
介质名称
相对分子质量
相对密度（以空气为基准）
着火温度/℃
燃烧范围（%）
甲烷
16
0.55
632
5～15
乙烷
30
1.04
472
3～12.5
丙烷
44
1.52
492
2.2～9.5
丁烷
58
2.01
408
1.9～8.5
有关LNG的管路等设备也同样需要进行惰化处理，处理方法是一样的。
有关LNG储罐的惰化流程见图所示：
2.LNG储罐的最大充装容量
低温液化气体储罐必须留有一定空间，作为介质受热膨胀之用，不得将储罐充满。
充灌低温液体的数量与介质特性，与设计的工作压力有关，LNG储罐的最大充注量对安全储存有着非常密切的关系。
考虑到液体受热后的体积将会膨胀，可能引起液位超高，而液位超高容易引起LNG溢出，因此，必须留有一定的空间。
究竟留多大空间，需要根据储罐安全排放阀的设定压力和充注时LNG的具体情况来确定。
根据图8-2，可查出LNG最大充装量。
如果LNG储罐的最大许用工作压力为0.48MPa,充装时的压力为0.14MPa，根据图8-2查得最大装填容积是储罐有效容积的94.3%。
LNG充灌数量主要通过储罐内的液位来控制。
在LNG储罐中设置了液位指示装置，是观测储罐内部液位的“眼睛”，对储罐的安全至关重要。
LNG储罐应当装备有二套独立的液位测量装置。
在选择测量装置时，应考虑密度变化对液位的影响。
液位计的更换应在不影响储罐正常运行的情况下进行。
以保证随时可以对储罐内的液位进行检测。
除了液位测量装置以外，储罐还应装备高液位报警器，使操作人员有充足的时间停止充注，不致于使液位超过允许的最大液位高度。
报警器应安装在操作人员能够听到的地方。
NFPA59A规定：
对于容量比较小的储罐（265m3以下），允许装备一个液位测试阀门来代替高液位报警器，通过人工手动的方法来控制，当液位达到液位测试阀门时，手动切断进料。
3.LNG储罐的压力控制
LNG储罐内部压力控制是最重要的防护措施之一，必须控制在允许的压力范围之内。
罐内压力过高或过低（出现负压），对储罐都是潜在的危险。
影响储罐压力的因素很多，诸如热量进入引起液体的蒸发、充注期间液体的快速闪蒸、大气压下降或错误操作，都可能引起罐内压力上升。
另外，如果以非常快的速度从储罐向外排液或抽气，有可能使罐内形成负压。
LNG储罐内压力的形成主要上一液态天然气受热引起蒸发所致，过多的蒸发气体（BOG）会使储罐内的压力上升。
必须有可靠的压力控制装置和保护装置来保障储罐的安全。
使储罐内的压力在允许范围之内。
在正常操作时，压力控制装置将储罐内过多的蒸发气体输送到供气管网、再液化系统或燃料供应系统。
但在蒸发气体聚增或外部无法消耗这些蒸发气体的意外情况下，压力安全保护装置应能自动开启，将蒸发气体送到火炬燃烧或放空。
因此，LNG储罐的安全保护装置必须具备足够的排放能力。
此外，有些储罐还应安装有真空安全装置。
真空安全装置能感受储罐内的压力和当地的大气压，能够判断罐内是否出现真空。
如果出现真空，安全装置应能及时地向储罐内部补充LNG蒸汽。
安全保护装置（安全阀）不仅用与LNG储罐的防护，在LNG系统中，LNG管路、LNG泵、气化器等所有可能产生超压的地方，都应该安装足够的安全阀。
安全阀的排放能力应满足设计条件下的排放要求。
（参见P307）
4.间歇泉和水锤现象
如果储罐底部有很长的而且充满LNG竖直管路，由于管内流体受热，管内的蒸发气体可能会定期得产生LNG突然喷发。
产生这种突然喷发的原因，是由于管路蒸发的气体不能及时地上升到液面，温度不断升高，气体的密度减小，当气体产生浮力足以克服LNG液柱高度产生的压力时，气体会突然喷发。
气体上升时，将管路中的液体也推倒储罐内，由于这部分气体温度比较高，上升时与液体进行热交换，液体大量的闪蒸。
使储罐内的压力迅速升高。
如果竖直管路的底部又是比较长的水平管路，这种现象更为严重。
在管内液体被推到储罐过程中，管内部分空间被排空，储罐中的液体迅速补充到管内，又重新开始气泡的积聚，过一段时间后，再次形成喷发。
这种间歇式的喷发，称为间歇泉现象。
储罐内的压力骤然上升，有可能导致安全阀的开启。
因此，储罐底部竖直管路比较长时，有可能出现间歇泉。
上面提及的系统被周期性的减压和增压，则该处形成液体不断地排空和充注。
管路中产生的甲烷蒸气被重新注入的液体冷凝。
形成水锤现象，产生很大的瞬间高压。
这种高压有可能造成管路中垫圈和阀门损坏。
三.LNG储存中的分层与涡旋
1.涡旋现象
液化天然气储运过程中，会发生一种被成为涡旋（rollover）的非稳性现象。
涡旋是由于向已装有LNG的低温储槽中充注新的LNG液体，或由于LNG中的氮优先蒸发而使储槽内的液体发生分层（stratification）。
分层后的各层液体在储槽周壁漏热的加热下，形成各自独立的自然对流循环。
该循环使各层液体的密度不断发生变化，当相邻两层液体的密度近似相等时，两个液层就会发生强烈混合，从而引起储槽内过热的液化天然气大量蒸发引发事故。
2．分层与涡旋现象的机理
（1）自然对流与分层由于分层是导致涡旋的直接原因，首先应该了解分层形成的条件。
研究表明，如果液体储罐内的瑞利数Ra大于2000，则罐内液体的自然对流会使分层现象不可能发生。
瑞利数的定义为
Ra=
通常，一个装满LNG的储槽内的Ra数的数量级在10^15，远远大于可能导致分层的Ra数。
这样，LNG中较强的自然循环很容易发生，这种循环使液体的温度保持均匀。
从侧壁进入储槽的热量，导致壁面附近的边界层被加热。
边界层沿壁上得时，其速度和厚度都增大。
在接近壁面上端时，边界层厚度有几厘米，速度在0.6～1.2m/s,正好处于紊流区域。
由于从壁面吸收了热量，运动边界层内的液体在达到顶部时，其温度略高于主流液体，平均高出的温度约0.6K。
流体在到达表面前没有出现蒸气，即使到达表面也没有明显的沸腾，因为温度驱动力太小，不足以形成气泡。
一部分热流体到达表面时发生蒸发，罐内温度继续与设定的压力保持平衡。
自然对流循环相当强烈，导致储槽内液体置换一次只需10～20h。
这与液体的老化过程的时间相比是非常短暂的。
一旦储槽内LNG混合均匀，它就不会自然发生分层。
然而，如果由于充注而人为形成了分层的话，全面混合就被抑制了。
（2）老化由于LNG是一种多组分混合物，在储存过程中，各组分的蒸发量比例会与初始时LNG中的组分比例不相同，导致LNG的组分和密度改变的过程，受液体中初始氮含量的影响很大。
由于氮是LNG中挥发性最强的组分，它将比甲烷和其它重碳氢化合物更先蒸发。
如果初始氮含量较大，老化LNG的密度将随时间减小。
在大多数情况下，氮含量较小，老化LNG的密度会因甲烷的蒸发而增大。
因此，在储槽充注前，了解储槽内和将要充注的两种LNG的组成是非常重要的。
因为层间液体密度差是分层和后继涡旋现象的关键，所以应该清楚地了解液体成分和温度对LNG密度的影响。
与在气压力平衡的LNG混合物的液体温度是组分的函数。
如果LNG混合物包含重碳氢化合物（乙烷、丙烷等），随着重组分的增加，LNG的高发热值、密度、饱和温度等都将增大。
如果液体在高于大气压力下储存，则温度随压力的变化大约是压力每增加6.895kPa，温度上升1K；温度每升高1K，对应液体体积膨胀0.36%。
（3）涡旋涡旋这一术语用于描述这样一种现象，即在出现液体温度或密度分层的低温容器中，底部液体由于漏热而形成过热，在一定条件下迅速到达表面并产生大量蒸气的过程。
涡旋现象通常出现在多组分液化气体中，似乎没有迹象表明在近乎纯净的液体中会发生密度分层现象。
在半充满的LNG储槽内，充入密度不同的LNG时会形成分层。
造成原有LNG与新充入LNG密度不同的原因有：
LNG产地不同使其组分不同；原有的LNG与新充入LNG的温度不同；原有LNG由于才化使用其组分发生变化。
虽然老化过程本身导致分层的可能性不大（只有在氮的体积分数大于1%时才有必要考虑这种可能），但原有LNG发生的变化使得储槽内液体在新充入LNG时形成分层。
当不同密度的层存在时，上部较轻的层可正常对流，并通过身气相空间的蒸发释放热量。
但是，如果在下层由浮力驱动的对流太弱，不能使较重的下层液体穿透分界面达到上层的话，下层就只能处于一中内部对流模式。
上、下两层对流独立进行，直到两层间密度足够接近时发生快速混合，下层被抑制的蒸发量释放出来。
往往同时伴随有表面蒸发率的骤增，大约可大达到正常情况下蒸发率的250倍。
蒸发率的突然上升，会引起储槽内压力超过其安全设计压力，给储槽的安全运行带来严重威胁，即使不引发严重事故，至少也会导致大量天然气排空，造成严重浪费。
分析表明，很小的密度差就可导致涡旋的发生。
LNG成分改变对起密度的影响比液体温度改变的影响大。
一般来说，储槽底部较薄的一层重液体不会导致严重问题，即储槽压力不会因涡旋而有大的变化。
反之，储槽上部较薄的一层轻液体会导致涡旋的后果非常严重。
影响两层液体密度达到相等的时间的因素有：
上层液体因蒸发发声的成分变化；层间热质传递；底层的漏热。
蒸发气体的组成与上层LNG不一样，除非液体是纯甲烷。
如果LNG由饱和甲烷和某些重碳氢化合物组成，蒸发气体基本上是纯甲烷。
这样，上层液体的密度会随时间增大，导致两层液体密度相等。
如果LNG中有较多的氮，则这一过程会被延迟，因此氮先于甲烷蒸发，而氮的蒸发导致液体密度减小。
在计算是如忽略氮的影响，会使计算出的涡旋发生时间提前。
下部更重的层不上层更热且富含重烃。
从这层向上层的传热，加快上层的蒸发并使其密度增大。
层间的质量传递较热量传递更为缓慢，但由于甲烷向上层以及重烃向下层扩散，这一过程也有助于两层的密度均等。
最后，从与下层液体接触的罐壁传入的热量在该层聚集。
如果这一热量大于其向上层的传热量，则该层的温度回逐渐升高，密度也因热膨胀而减小。
如果这一热量小于其向上层的传热量，则该层将趋于变冷，这将使分层更为稳定，并推迟涡旋的发生。
2.涡旋预防的技术措施
（1）防止分层的方法
1不同产地、不同气源的LNG分开储存，可避免因密度差而引起的LNG分层。
2根据需储存的LNG与储槽内原有的LNG密度的差异，选择正确的充注方法，可有效地防止分层。
充注方法的选择一般应遵守以下原则：
密度相近时一般底部充注；将轻质LNG充注到重质LNG储槽中时，宜底部充注；将重质LNG充注到轻质LNG储槽中时，宜顶部充注。
3使用混合喷嘴和多孔充注，可使充注的新LNG和原有的LNG分布充分混合，从而避免分层。
（2）分层的探测与消除
可以通过测量LNG储槽内垂直方向上的温度和密度开确定是否存在分层。
一般情况下，当分层液体之间的温差大于0.2K，密度大于0.5Kg/m3时，即认为发生了分层。
探测到确已形成分层后，可采用内部搅拌或输出部分液体的方法开消除分层。
为防止分层和涡旋，LNG储槽内一般都设计了一个专门的搅拌器，以破坏LNG稳定分层。
但内部搅拌会引起蒸发量的增加。
实践表明，快速输出部分液体是一种较好的消除分层的方法。
LNG的运输
一.液化天然气船
1.LNG船运在LNG工业链中的作用
LNG运输船是为载运在大气压力下沸点为-163℃的大中LNG货物的专用船舶。
这类船目前的标准载货量在13～15万m3之间。
一般他们的船龄在25～30年。
2.LNG货舱的围护系统
LNG货舱的汽化率的高低取决于货舱的漏热性能。
不同的货物围护系统采用不同的隔热方式。
目前有三种货物围护系统，即法国的GazTransport、Techigaz（GTT型）；挪威的MossRosenberg（MOSS型）及日本的SPB型。
GTT型是薄膜舱，MOSS型是球形舱，SPB型是棱形舱。
（参见P203）
3.各种LNG船的建造量
到1990年，各种LNG船的建造情况见下表：
各国各型液化天然气船建造量
建造国
独立角型
薄膜型
薄膜型
独立球形
其他型
总计
万m3
艘
万m3
艘
万m3
艘
万m3
艘
万m3
艘
万m3
艘
法国
20
218.9
9
71
2
3
31
292.9
美国
3
38.3
3
38
10
126.4
16
202.7
日本
4
176.5
14
176.5
挪威
7
61.3
7
61.3
瑞典
4
40.9
4
40.9
德国
2
25.2
5
1.2
7
26.4
比利时
1
13.1
1
13.1
意大利
3
12.3
3
12.3
英国
2
5.5
2
5.5
西班牙
1
4
1
0.5
1
4.5
总计
9
60.1
25
272.9
12
109
33
389.4
8
4.7
87
836.1
4.典型LNG船货舱分布（P213）
二.LNG槽车
由于LNG接收站或工业性液化装置储存的LNG，一般由LNG槽车载运到各地，供居民燃气或工业燃气用。
LNG载运状态一般是常压，所以其温度为112K的低温。
LNG又是易燃、易爆的介质，载运中的安全可靠是至关重要的。
1.LNG槽车的隔热方式
槽车采用合适的隔热方式，以确保高效、安全地运输。
用于LNG槽车隔热主要有三种型是式：
①真空粉末隔热；②真空纤维隔热；③高真空多层隔热。
选择哪一种隔热型式的原则是经济高效、隔热可靠、施工简单。
由于真空粉末隔热具有真空度要求不高、工艺简单、隔热效果较好的特点，往往选用。
其制造工艺上积累较丰富的经验。
3．LNG槽车的安全设计
LNG安全设计主要包含两个方面：
防止超压和消除燃烧的可能性（禁火、禁油、消除静电）。
防止槽车超压的手段主要是设置安全阀、爆破片等超压泄放装置。
根据低温领域的运行经验在储罐上必须有两套安全阀在线安装的双路系统，并设一个转换。
当其中一路安全阀需要更换或检修时，转换、变换到另一路上，而不妨碍工作，并维持最少一套安全阀系统在线使用。
在低温系统中，安全阀由于冻结而不能及时开启所造成的危险应引起重视。
安全阀冻结大多是由于阀门内漏，低温介质不断通过阀体而造成的。
一般通过目视检查安全阀是否结冰或结霜来判断。
一旦发现这种情况，应及时拆下安全阀排除内漏故障。
为了运输安全。
在有的槽车上，除了安全阀和爆破片外，还设有公路运输泄放阀。
4.LNG槽车的输液方式
LNG槽车输液方式：
压力输送（自增压输液）和泵送液体
5.LNG槽车容量的大型化和列车化
6.LNG槽车运行高速化
7.LNG槽车实例
1.主要技术特性
（1）主要技术参数
（2）隔热方式及隔热性能指标
（3）选材
（4）车型选择
2.结构简介
半挂LNG运输车结构见图
1-牵引车2-外筒安全装置3-外筒（16MnR）4-绝热层真空纤维5-内筒（OCr18Ni9）6-操作箱7-仪表，阀门，管路系统8-THT9360型半挂车底架
主要结构有：
引汽车及半挂车架，储槽，整车。
3.流程简介
下图为槽车工艺流程图
其主要系统有：
进排液系统，进排气系统，自增压系统，吹扫置换系统，紧急截断装置与气控系统，安全系统，抽空系统，测满分析取样系统
3.槽车的安全设计简介
针对LNG的易燃易爆特点，设计有以下安全措施：
（1）紧急截断控制措施通过控制阀可以在操作箱内或汽车底盘前部实施气动控制
（2）易熔塞
（3）阻火器
（4）吹扫置换系统
（5）导静电接地及灭火装置
当我被上帝造出来时，上帝问我想在人间当一个怎样的人，我不假思索的说，我要做一个伟大的世人皆知的人。
于是，我降临在了人间。
我出生在一个官僚知识分子之家，父亲在朝中做官，精读诗书，母亲知书答礼，温柔体贴，父母给我去
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