许 俊

（合肥燃气集团有限公司，安徽 合肥 230075）

浅析LNG储罐回流管间歇泉现象

许 俊

（合肥燃气集团有限公司，安徽 合肥 230075）

通过合肥某燃气公司一座5000m3LNG（液化天然气）低温常压储罐，在LNG低温泵预冷期间回流管和储罐压力出现波动的间歇泉现象[1]，进行实验验证和成因分析，并就控制回流管间歇泉喷发现象的发生提出控制措施，以供燃气同行对照参考。

间歇泉现象；实验验证；成因分析；主要危害；控制措施

1 引言

合肥某燃气公司一座LNG储罐是高19m、水容积为5000m3低温常压储罐，主要由罐体、低温泵和连接管线等组成。采用的是裸露无保冷的离心式低温泵，在低温泵输送LNG前必须对泵和回流管线进行预冷至-156℃左右方可启泵。自投入运行以来，发现每次低温泵在进行低温预冷的过程中，会间歇性地发生储罐压力瞬间上升的现象，据资料显示此种现象叫作间歇泉现象。为了进一步探究间歇泉成因和规避其危害，下面将通过一次具体实验来验证和分析该现象，同时就控制间歇泉现象的发生提出一种预冷工艺改进措施。

2 间歇泉现象验证和成因分析

2.1 LNG储罐系统简化模型

为便于叙述，根据LNG低温泵预冷流程，将工艺简化成图1所示，实验过程中对泵后回流管线水平段压力P1与LNG储罐压力P2两处压力点，以及泵后预冷温度T进行在线记录。

图1　LNG储罐简化流程图

2.2 间歇泉实验验证

下面将通过一次具体实验来验证符合条件的LNG储罐存在间歇泉现象，具体实验过程如图1。第一步：缓慢打开LNG储罐出液阀，将低温LNG液体缓慢引入低温泵，-160℃LNG立即与泵和前后管道进行换热形成BOG气体，通过回流调节阀及时将BOG排入储罐中，经复热器复热被压缩机增压输入城市管网，保持P2稳定；第二步：调大泵后回流阀开度，使储罐中LNG液体缓慢灌满低温泵和管线，T缓慢下降实现预冷，直到T降至-156℃左右，此时P1始终显示在18kPa左右；第三步：为保持 T在-156℃左右使低温泵处于低温待启动状态，全开回流阀，使得回流管线竖直段 LNG液面和储罐中LNG液面齐平。

图2　间歇泉现象实验过程参数曲线

如图2所示：前面三步结束约50分钟之后，P1开始逐渐上升至35kPa后又迅速降至20kPa左右，此过程P2和T基本不变；随即P1又开始逐渐上升至120kPa左右陡然降回17kPa，这时储罐内发生第一次喷发闪蒸现象，P2明显上升约1.5kPa，T在P1喷射前缓慢上升约2℃、喷发后又快速下降至-156℃，整个过程周期约11分钟。之后连续重复上述间歇喷发过程现象，直到LNG低温泵启动运行。由此可验证该LNG储罐在低温泵预冷过程后期的确存在间歇泉喷发现象。

2.3 间歇泉成因分析

结合该LNG储罐现场管道设计安装现状，以图1 LNG储罐简化流程进行间歇泉喷发现象的成因分析。由于现场低温泵回流管线水平段较长，储罐液位较高，管道保温不良等因素作用下，在低温泵预冷后期，当泵后回流管线中充满较高液位的LNG低温液体时，管内LNG受热蒸发成BOG(蒸发气体)无法及时上升到液面以上，便在回流水平管内聚集，推动水平管内LNG液体液面升高。当聚集的BOG气体不足，无法克服回流竖直管 LNG液柱高度产生的压力时，不会发生LNG喷发现象；随着温度T不断升高，BOG气体聚集增多、密度减小，使得BOG气体产生的浮力足以克服竖直管内LNG液柱高度产生压力时[2]，BOG气体会上升并和回流管内温度较低的LNG液体大量换热，同时将LNG推至储罐喷发闪蒸，产生大量气体，共同造成LNG储罐内罐压力P2迅速上升，与此同时P1迅速下降，回流管内被储罐内新的LNG液体灌满，使得T温度迅速下降。重新进入下一次间歇泉的形成、喷发过程。由此可见，间歇泉的形成主要由以下三个因素共同作用所致：（1）裸露的低温泵和保温不良的回流管道，使得LNG液体受热蒸发成BOG气体；（2）较长的水平回流管线为BOG气体大量聚集提供空间，水平管线越长喷发现象越严重；（3）较高的LNG液位产生的液柱压力使得BOG气体不能及时上升到液面以上，被压缩机及时抽走，液位越高喷发导致的参数变化幅度越大。

3 间歇泉现象的危害

根据间歇泉喷发实验过程可知，其形成和喷发是自发的，完全不受人为控制，其至少造成如下两方面危害。一是储罐的压力骤然上升，引起安全联锁动作或安全阀开启放散，严重的可能造成储罐内罐超压破裂，产生设备和人身安全事故；二是储罐系统被周期性的减压和增压，对低温管道和阀门将造成周期性疲劳，以致损坏泄漏，同时也造成BOG压缩机进口压力的波动等危害。

4 间歇泉现象控制措施

间歇泉现象存在诸多危害，根据成因分析，可从两个方面进行控制。一方面是抑制BOG气体的产生和聚集，通过强化管道保温、缩短回流水平管线的长度等措施进行控制。另一方面在管道受热产生BOG气体后，只要及时导出管道内产生的BOG气体，就能防止间歇泉的发生。前者受到设计、保温材料等限制，实施难度较大；经过具体运行实践，后者通过预冷工艺的改进，可有效控制间歇泉的生成。具体如图 3所示：

图3　LNG长距离预冷工艺流程图

按照及时导出BOG气体的思路，将LNG低温泵预冷分为两个阶段，第一阶段是储罐区低温泵和管线的预冷，直到回流调节阀全开，回流管线LNG液面和储罐液面齐平；第二阶段是储罐区至装卸台输液管线的预冷，如图3，打开泵后出液阀，利用回流管线内液柱压力，将管内低温LNG液体和部分BOG气体压送至输液管线，通过装卸台气相压力调节阀控制预冷速度。低温泵回流水平管线和输液管线中预冷产生的BOG气体均通过装卸台气相管线，被BOG压缩机加压回收。值得注意的是预冷过程中要严格监控装卸台温度，一般保持-120℃左右，过低可能导致LNG液体窜入气相管线，使得LNG储罐BOG回收系统阻塞。通过这一控制措施，LNG储罐间歇泉现象被有效遏制，如图4所示，对比图2，泵后回流管线压力因BOG气体很难大量聚集波动明显较弱，泵后温度波动幅度也显著减弱，最重要的是回流管线不再喷发，LNG储罐压力不再波动，大大保证了储罐的安全。

图4　预冷工艺改进后的预冷过程参数曲线

5 结语

随着清洁能源LNG不断推广使用，LNG储罐容量越来越大，LNG的储运安全是一个不容的问题。本文通过对间歇泉喷发现象探究和所采取的控制措施，为在建和新建LNG储罐的设计、安装提供的一定的参考。为现有的同类型LNG储罐和预冷工艺，在防止间歇泉现象方面提供了一种有效控制措施，以供借鉴。

[1] 顾安忠,鲁雪生,汪荣顺,等.液化天然气技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2] 孔珑.工程流体力学[M].北京:中国电力出版社,2014.

Analysis on the phenomenon of the intermittent spring of the LNG storage tank

By a Gas Co in Hefei, a 5000m3LNG (liquefied natural gas) in low temperature atmospheric storage tank, LNG low temperature precooling pump during reflux pipe and tank pressure fluctuation geysering phenomenon [1], carried out experiments and analysis of causes, and control the reflux tube geyser eruption phenomenon puts forward the control measures to gas for peer reference.

Intermittent spring phenomenon; experimental verification; cause analysis; main harm; control measures

TE626

A

1008-1151(2016)09-0048-02

2016-08-13

许俊（1985－），男，安徽合肥人，合肥燃气集团有限公司助理工程师，从事LNG液化生产、储运。