摘要：液化天然气（LNG）在存储过程中易产生分层和涡旋现象，本书对其原因及机理进行了深入分析，得出液化天然气分层是产生的涡旋现象的直接原因，并提出防止LNG 分层和涡旋现象的设计措施和营运措施。

液化天然 Ξ （Liquefied Natural Gas，简称LNG）是一种多组分混合物，其主要成分为甲烷（含量通常 75% 以上）和少量的乙烷、丙烷、丁烷等烃类和氮气等非烃类物质，是在常压下深冷至液化状态并储存在绝热储罐中的液态天然 G_o LNG 的主要物理性质如下表：

表1 LNG 主要物理参数

①101.325kPa、15.6℃状态下的热值。

1、LNG 的特点（1）储存温度低、压力低

LNG 临界温度-82.57°C，临界压力 4.1MPa_⨀ 。在大型固定储罐中多采用低温常压储存方式（约-162℃，约0.1MPa），操作压力稍高于常压，这类储罐容积大、承压能力低，适用于LNG 接收站等大量储存场景。在移动及小型储罐中采用低温低压力储存（约-157～-161.5℃，约1.0MPa），这种储罐容积小，承压能力不高，适用于 LNG 加气站、气化站及交通运输储罐。

（2）液态与气态体积比大

NG 的密度大约是气态天然气的600 倍，即1 体积LNG 能转化为624.5 体积的气态天然气。

（3）具有可燃性

LNG 一般环境条件下爆极限为 5%～15% ，天然气与空气的混合云团中，天然气含量在此范围内遇到点火源则可能产生燃烧。游离云团中的天然气处于低速燃烧状态（大约为 0.3m/s） ），云团内形成的压力低于5kPa，一般不会造成很大的爆炸危害，但若周围空间有限，云团内部有可能形成较高的压力波。

2、LNG 储存现象

（1）LNG 蒸发气（BOG）

LNG 中甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的沸点分别为-161.5℃、-88.6℃、-42.1℃、-0.5℃，氮气沸点为-196℃，液化气体的密度分别为 0.42g/ml 、0.45g/ml、 0.51g/ml 、0.58g/ml，液氮密度为 0.81g/ml 。LNG 作为一种沸腾液体大量存放在绝热储罐中，任何传导至储罐中的热量均将导致蒸发气的产生。当LNG 储罐内的压力降至其沸点压力以下时，部分液体产生蒸发，余下的液体温度将降到此时压力下的新沸点。LNG 蒸发时，首先是最低沸点为-196℃的氮气气化，其次是沸点为-161.5℃的甲烷从液体中气化出来，随着储罐温度的升高，乙烷、丙烷等烃类逐次蒸发出来，LNG 闪蒸气体的组分和剩余液体的组分不一样。

NG 蒸发气（BOG）温度较低，一般比空气重，当甲烷温度大于一103°C 时，密度才比空气轻。

（2）翻滚现象

LNG 存储过程中，由于 LNG 老化导致LNG 组分和密度发生变化，或因新注入的 LNG 与储罐底部储存的 LNG 密度不同造成 LNG 产生分层。在每个分层内部液体密度是均匀的，但是底部液体的密度大于上层液体的密度。

随着热量输入到储罐中而产生层间的传热、传质及液体表面的蒸发，层间的密度将达到均衡并且最终混为一体，这种自发的混合称之为涡旋。

当底部液体的温度过高，由于上层 LNG 静压的抑制作用，使得下层的LNG 蒸发气（罐底和罐壁漏热造成）不能及时蒸发，使下层LNG 处于过饱和状态，随着蒸汽饱和程度的积累，形成大量蒸气泡上升到液体表面逸出，这种剧烈蒸发的现象称为LNG 翻滚。LNG 翻滚造成蒸发速度快且量大，产生大量GOG，如安全放散系统不能及时排出，将造成储罐超压，甚至因内压过大而产生开裂、爆炸事故。

（3）快速相变现象

当两种温差极大（热液体温度比冷液体沸点温度高1.1 倍时）的液体接触时，冷液温度上升快，表面层温度超过自发成核温度（液体中出现气泡），过冷液体将通过复杂的链式反应机制在短时间内蒸发，或以爆炸似的速率产生蒸气，即出现快速相变（Rapid Phase Transition，RPT）现象。

当LNG 与水接触时，这种称为快速相变（RPT）的现象就会发生。尽管不发生燃烧，但是这种现象具有爆炸的所有特征。

3、LNG 分层与涡旋机理

（1）老化

LNG 是一种多组分混合物，在存储过程中，随着不同组分的蒸发，造成与初始时LNG 中的组分比例不相同，导致LNG 的组分和密度发生变化，这一过程称为老化（weathering）。若 LNG 液体中含氮量较大，由于氮是LNG中挥发性最强的组分，它将比甲烷和其他重碳氢化合物更先蒸发，老化后的LNG 密度将随时间的增加而减小；对于含氮量较小的LNG，甲烷较和其他重碳氢化合物更先蒸发，老化后的LNG 密度随时间的增加而增大。

LNG 液体组分和温度对 LNG 密度影响很大，与大气压力平衡的LNG 混合物的液体温度是组分的函数。随着LNG 液体的老化，LNG 液体混合物包含重碳氢化合物（乙烷、丙烷等）增加，LNG 的高发热值、密度、饱和温度等都将增大。液体在高于大气压存储状态下，温度随压力的变化关系为：约压力每增加6.895kPa，温度上升1K；体积随温度的变化关系为：温度每升高 1K，对应液体体积膨胀 0.36%. 。

（2）自然对流

自然对流（natural convection）是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的，指的是流体内部由于各部分温度不同而造成的相对流动。对流是流体的主要传热方式。

储罐内 LNG 流体雷诺数 Re 大于2000 时，则罐内液体的自然对流不会发生分层现象。储罐内 LNG 流体雷诺数Re 的定义为：

式中，ρ——密度；

cp——比定压热容；

β——体积热膨胀系数；

ν 运动黏度；

λ——热导率；

a— —热扩散率；

g— —重力加速度；

T——温度；

h——液体深度。

通常，一个装满LNG 的储罐内的Re 的数量级约为1015，远远大于可能导致分层的 Re 数。

从侧罐壁进入储罐的热量，导致壁面附近的边界层被加热。液体或气体中，较热的部分上升，较冷的部分下降，循环流动，互相掺和，这样LNG 中较强的自然对流循环很容易发生，这种循环使液体的温度保持均匀（见图1）。边界层沿壁面上行时，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LNG 从罐壁吸收了热量，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。在自然对流循环状态下，储罐内液体置换一次只需10～20h，一旦储罐内LNG 混合均匀，LNG 密度趋向均匀，不会自然发生分层。

图1 LNG 未分层的自然对流模型 图2 LNG 分层后的自然对流模型

（3）分层与涡旋现象

随着LNG 蒸发气在LNG 上层液体表面上发生，造成上下组分、温度不同，由于层间的密度差造成储罐中LNG 分层。另外在半充满的 LNG 储罐内，充入密度不同的LNG 时也会形成分层。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LNG 与新充人LNG 的温度不同；原有LNG 由于老化使其组分发生变化。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，使得储罐内液体在新充入LNG 时形成了分层。

在 LNG 液体温度或密度分层的低温容器中，会发生一种被称为“涡旋”（rollover）的非稳性现象，即由于罐底或罐壁漏热形成过热LNG，在一定条件下过热LNG 迅速到达表面并产生大量蒸气的过程。

LNG 中各组分的差异使储罐内 LNG 液体发生分层（stratification），分层后的各层液体在储罐周壁漏热的加热下，形成各自独立的自然对流循环。上部较轻的层可正常对流，并通过向气相空间的蒸发释放热量。下层由浮升力驱动的对流弱，不能使较重的下层液体穿透分界面达到上层的话，下层就只能处于一种内部对流模式。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LNG 受热后过饱和状态的甲烷蒸发气迅速上升到LNG 表面上空蒸发生成涡旋现象，即翻滚现象。

一般来说，LNG 成分对其密度的影响远比液体温度对其密度的影响大。分析表明：很小的密度差就可导致涡旋的发生，剧烈的涡旋现象将导致翻滚的发生。

4、LNG 分层与涡旋的控制

翻滚的发生往往同时伴随有表面蒸发率的骤增，大约可达正常情况下蒸发率的250 倍。蒸发率的突然上升，会引起储罐内压力超过其安全设计压力，给储罐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，形成严重浪费。固在LNG 储存过程中，必须控制好LNG 分层与涡旋现象的发生，一般从设计及营运两方面采取措施。

（1）设计措施：

①LNG 密度监测

在 LNG 储罐内上下层不同部分安装在线密度检测仪，监视不同层的 LNG 密度，使密度差尽量控制在 6.9kg/Ω m3 以内，一旦密度数值超出此极限，便考虑采取其他营运措施。

②LNG 温度监测

在 LNG 储罐壁内侧，设置多个测温点，垂直间距不大于 2m，检测不同部位的LNG 温度。一般当温差高达14℃左右时，就有出现翻滚的可能性。一旦温度数值超出此极限，便考虑采取其他营运措施，或检查此部位罐体绝热层是否损坏。

③ 储罐绝热措施

设计采用优质保温结构的LNG 储罐如双层结构储罐，减少外部热量传入，降低分层风险。

④ 安全装置

LNG 储罐顶层设计压力传感器和紧急排放阀，用以实时监测储罐上空的压力，当罐体上空出现压力异常时可人工排放超压气体，防止罐体超压。并根据规范要求设置安全释放阀、放散火炬等，防止储罐因内压过大而产生开裂或爆炸的严重事故。

（2）营运措施

①氮含量控制

使用高精度的组分分析仪检查不同来源地的 LNG 液体氮含量，严格按照《液化天然气》（GBT 38753）规范将液氮摩尔分数在1%以下。

②分别贮存

防止分层的方法之一即将密度不同的 LNG 储存于不同的储罐中。如使一个储罐来储存同一产地的LNG，控制其组分的变化范围。一般灌入储罐的LNG 的密度差尽量控制在 15kg/m3 以内。但这需要多个储罐，营运不经济，操作也不方便。

③选择正确充装方式

营运过程中，认真检查、检测新注入LNG 与原存液体的温度差和密度差，选择合适的充装方式。如轻LNG液体从罐底进料，重LNG 液体从罐顶进料；高温 LNG 液体从罐底进料，低温 LNG 液体从罐顶进料，或两者结合使用。

④ 采用循环泵强制循环

对于LNG 气化站、储配站和加注站等使用小型LNG 储罐，一般采用置于罐外的LNG 专用潜液泵进行循环，即使用泵抽出储罐下层液体再从储罐上部灌入的方法；对于大型LNG 储罐，一般采用置于储罐内的LNG 专用潜液泵使液体从底至顶，采用打回流的方法来使储罐中的组分充分混合，消除密度差，防止 LNG 的分层。

综上分析，涡旋现象的发生源于 LNG 储存，LNG 分层的发生源于LNG 储罐内或新旧两种LNG 液体的温度和密度差，固在营运过程中，要采取各种措施，防止同一LNG 储罐中的温度和密度产生差异，防止LNG 储存分层。

参 考 文 献

1 顾安忠，液化天然气技术，第2 版.机械工业出版社

2 严铭卿，燃气工程设计手册，中国建筑工业出版社

3 林文胜，顾安忠，可燃液化气体储运安全性研究现状.天然气工业，2001

4 鲁雪生，汪顺华，关于LNG 安全贮存的若干问题.深冷技术，2000 年第6 期

5 占小跳，液化天然气储存中的安全问题及应对措施.水运科学研究，2006 年3 月第1 期

6 廖伦丰，液化天然气储存过程中危险性及预防措施.石化技术，2021 年6 月第6 期

7 李东涛，大型LNG 储罐充注防翻滚技术研究.天津大学，2022 年12 月第1 期