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基于靜電防護的LNG加注躉船管道條件限定分析

文檔作者：黃朝霞文檔來源：中國船級社		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年04月29日
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第43卷第6期
2014年12月
船海工程
SHIP&amp;amp;0CEAN ENGINEERING
V01．43 No．6
Dec．2014
DOI：10．3963／j．issn．1671—7953．2014．06．009
基于靜電防護的LNG加注躉船管道條件限定分析
黃朝霞
(中國船級社武漢規(guī)范研究所，武漢430022)
摘要：分析LNG輸送管道內(nèi)靜電的形成原理，從靜電防護的角度出發(fā)，闡述LNG加注過程中由于靜電
的作用對輸送管道的內(nèi)徑、長度和管內(nèi)流速的限制要求參考國內(nèi)外關于燃油類產(chǎn)品安全流速的有關規(guī)定，
提出適合LNG加注需求的輸送管道內(nèi)徑和流速的約束條件，給出LNG加注躉船管道靜電防治的建議。
關鍵詞：LNG加注躉船；輸送管道；靜電防護；安全流速
中圖分類號：u674．13 文獻標志碼：A 文章編號：167l一7953(2014)06枷38—04
我國已有多艘船舶已經(jīng)或正在進行LNG作
為動力燃料的改建，LNG在船上的廣泛使用，促
進了LNG加注站點的部署，LNG加注站的部署需
要結合加注效率考慮。以長江上500 m3的加注
躉船為例，如果為20 m3的燃料罐加氣，假設加注
時間為1 h，1 d只能加10～15艘船。如每艘船滿
功率運行6 d，1座加注站可以供應的船舶為60～
90艘。如若長江水系船舶總數(shù)的10％完成改造
(1．3萬條)，則需要建立約140座500 m3規(guī)模的
加注躉船?？梢?，加注時間的長短影響著水上
LNG應用的供求關系。在管道內(nèi)徑一定的情況
下，提高加注效率就必須從管道流速人手。但是，
諸如靜電和壓力等多種因素決定了管道流速不可
能無限制提高，特別是靜電的影響尤為關鍵。因
此，研究在預防靜電危害發(fā)生的前提下確定安全
的流速上限，不僅是提高加注效率的有效途徑，而
且反過來又影響著管道內(nèi)徑大小的設計。為此，
從靜電防護的角度出發(fā)，分析輸送管道的內(nèi)徑、長
度和管內(nèi)流速在LNC加注過程中對靜電生成的
影響，得出管道內(nèi)徑和流速的限制條件。通過對
國內(nèi)外關于燃油類產(chǎn)品安全流速的有關規(guī)定進行
研究分析，提出適合LNc加注需求的輸送管道內(nèi)
徑和流速的約束條件。
收稿日期：2014—04—28
修回日期：2014—06—05
資助項目：中華人民共和國海事局、國家能源局研究
項目
第一作者簡介：黃朝霞(1983一)，女，博士，工程師
研究方向：船舶電氣
E-mail：huangzhaoxia@(、cs．o昭．cn
1 LNG輸送管道內(nèi)靜電的形成
影響靜電產(chǎn)生的因素有很多，如物體周圍的
溫度和濕度、摩擦力大小、物體的電阻率等。LNG
富含甲烷(cH。)，屬于烴類液體，影響其帶電量的
因素如下1。
1)流速。管道內(nèi)靜電量與流速的1．75次方
成正比。
2)管道內(nèi)徑和長度。管道內(nèi)靜電量與管道內(nèi)徑
的0．75次方成正比，且隨著管道長度增加而增加。
3)電導率。實驗證明，電導率在100 pS／m
左右的液體，液體最易產(chǎn)生并積累靜電，而LNG
的電導率在1～100 pS／m L2。。
4)雜質(zhì)。實驗證明，少量雜質(zhì)的存在會顯著
增加靜電量，但是過多雜質(zhì)會不利于電荷的積累。
5)管道工藝。絕緣材料的管道，顯然容易聚
積靜電，即使接地也無明顯效果；粗糙的管道內(nèi)壁，
使LNG與管道的接觸面積增大，也易于聚積靜電。
2 基于靜電防護的LNG管道條件
限定
導致靜電危險的3個基本進程有①電荷分
離；②電荷儲集；③靜電放電。液體流過管道、油
類裝入油艙的初始擾動等都會產(chǎn)生液體電荷分離
過程；液體電導率低于50 pS／m時被認為是靜電
儲集體，實際上，只要電導率足夠低，就會有電荷
儲集；過強的靜電場在其周圍電阻突降時，儲集的
電荷突發(fā)重組，就會產(chǎn)生“電暈”“刷形放電”和
“火花”等靜電放電現(xiàn)象。
LNG流通管道就會產(chǎn)生電荷分離，其電導率
在1～100 ps／m之間，足夠儲集可能引起靜電危
161
萬方數(shù)據(jù)
第6期船海工程第43卷
害的電荷，若儲集了足夠的電荷，靜電放電現(xiàn)象又
無法絕對避免?？紤]LNG液化過程中雜質(zhì)分離
較好，而管道材料和內(nèi)壁平滑度等工藝也是固定
的，因此，可以控制的預防靜電危害的因素只有管
道長度、LNG流速以及管道內(nèi)徑。
2．1靜電對管道長度的限制
管道長度對靜電的影響，根據(jù)文獻[3]中觀
點，完全不帶電的液體在管道中流通時，起電和泄
放電是同時存在的，初始時由于電荷少，起電快，
泄放電慢，隨著管路電荷的增加，起電量和泄放電
量趨于平衡，管路中形成穩(wěn)定的沖擊電流。
該沖擊電流，與管道長度L的近似數(shù)學關系
滿足
L
，=1TD，；·r"(1一e—i) (1)
式中：．，?！痣婋娏髅芏龋谄骄魉偌耙欢l
件下為常量；
D——管道內(nèi)徑；
丁——液體的時間常數(shù)；
"——液體平均流速。
不同刊下的沖擊電流，與管道長度￡的近
似關系曲線，見圖l。圖中各量只表示數(shù)值關系，
不代表實際物理意義。
圖l不同∥對應的沖擊電流J與管道長度L
的近似關系曲線
由沖擊電流，與管長L的數(shù)學關系來看，在
起電過程中，沖擊電流隨著管道長度以指數(shù)形式增
加，趨于飽和，且飽和值與管長無關。當￡=3刪
時，電流可達飽和值的95％，此時的￡稱為飽和距
離。因此，實際中的管道長度，限于實際距離等條
件不可能無限短，當其接近或者超過飽和距離后，
沖擊電流趨近飽和，調(diào)節(jié)靜電量的能力非常有限。
2．2靜電對管道流速的限制
參照表1、表2目前國際、國內(nèi)對于各種油類
防靜電的標準，LNG的管道流速應該至少應符合
以下限制。
1)初始流速低于1 m／s。這主要從以下三方
面考慮①液艙開始裝載時，水與油類的混合存在
最大的可能性，油水混合物構成最大的潛在靜電
162
表1國內(nèi)有關標準關于燃油類產(chǎn)品安全流速的有關規(guī)定
國內(nèi)標準流速要求
GBl2158一鐵路槽車：”≤0．8／D；汽車罐車：口
1990防止靜電事≤0．5／D。在注油管未浸入液面前，
故通用導則其流速應限制在1瑚／s以內(nèi)
GBl3348---_92
液體石油產(chǎn)品靜
電安全規(guī)程
GBl6994—
1997油品碼頭安
全技術基本要求
SH／713 108—
2000煉油廠全廠
性工藝及熱力管
道設計規(guī)范
中國石油化工
集團公司職業(yè)安
全衛(wèi)生管理制度
(1995)
裝油初速度不大于1 In／s，當人口管
浸沒后，可提高速度，但100 mm管徑不
大于9 In／s；150 mm管徑不大于7 n∥s
防靜電設計方法、措施和管理參考
GBl3348和GBl2158
電導率小于50 ps／m時，初始流速
小于4 ln／s，汽車罐車滿足"≤0．5／
D，鐵路罐車滿足口≤O．8／D，且最大
流速低于7瑚／s
電導率大于50 ps／m時，或安裝了
靜電消除器時，流速不得大于10∥s
甲、乙類液體進入貯罐和槽車時，
初流速不得大于1 In／s，當人口管浸
沒200 mm后可提高流速，最高不得
超過6 n∥s
黛藏勢爹裝囂勰麓
技術要求
3叫8
表2國外有關標準關于燃油類產(chǎn)品安全流速的有關規(guī)定
國際標準流速要求瓣麓一淵薯蘸黼搿
妻茹翟。：囂囂∥一水平是
靜電安全指南導電率在100 ps／m以下最大值7 rn／s
1988(日本) 導電率在100 ps／m以上最大值10Ⅱ／s
在往各個油艙裝油的最初階段，支碼霎霎鎏薯言油蓑||蠢||霉囂冀塞燃流速提高到最大許可值
萬方數(shù)據(jù)
基于靜電防護的LNG加注躉船管道條件限定分析——黃朝霞
來源；②初始的進油口低油速可以將油類進入液
艙造成的攪動和激濺降到最低，有助于減少靜電
荷的產(chǎn)生；③初始的進油口低油速可以使油霧的
形成降到最低，油霧極易儲集電荷，導致可燃性大
氣。
2)管徑條件允許時，最大流速低于7 n∥s。
油船靜電防范的既往操作和經(jīng)驗表明，只要流速
低于7 n∥s，潛在的危險發(fā)生可能性就極小。雖
然也有相當數(shù)量的行業(yè)文件認為7 H∥s的速度只
是預防性的限制值，但是實際各種因素復雜，無法
精確得到安全的更高流速，因此，出于LNG燃料
的安全考慮，在管徑允許的條件下，最大流速不得
超過7 n∥s的安全經(jīng)驗流速。
根據(jù)以上分析，可以確定LNG加注過程的安
全流速控制方案，見圖2。
圖2 LNG加注過程的安全流速控制方案
2．3靜電對管道內(nèi)徑設計的影響
設計管道內(nèi)徑，必須綜合考慮流速和加注
LNG的容積速率。容積速率就是單位時間內(nèi)加
注的LNG液體體積。
根據(jù)表2中《APl2003—199l防止靜電、閃電
和雜散電流引燃的措施》《GBl2158—1990防止
靜電事故通用導則》和《s彤r13108—2000煉油廠
全廠性工藝及熱力管道設計規(guī)范》規(guī)定的流速限
制。
鐵路槽車為
口≤0．8／D (2)
式中："——流速，m／s；
D——管徑(直徑)，m。
汽車罐車為
"≤0．5／D (3)
根據(jù)表2中《Asl020一1970南澳大利亞靜電
規(guī)范》對于非導電烴的帶電安全水平的流速限制：
穢2≤0．64／D (4)
LNG液體的容積速率為
y=0．25盯D2∥ (5)
表3～表5為按式(1)～(4)的約束條件計算
200 mm以內(nèi)的常用管徑在允許最大流速下對應
的容積速率。內(nèi)河船以鄂州的3 100 t散貨船為
例，LNG儲罐容器是15 m3，目前國內(nèi)潛液泵排量
最大為20 m3／h，根據(jù)表中數(shù)據(jù)，此3種限制條件
下的加注均可以在30 min內(nèi)完成。
表3 v≤O．8／D時管道流速和容積速率
管徑D允許最大流速容積速率k。容積速率％。
／mm F／(m·s。) ／(m·s一1) ／(m·h一1)
表4 v≤0．5／D時管道流速和容積速率
管徑D允許最大流速容積速率y?容積速率K。
／mm F／(m·s-1) ／(m·s 1) ／(m·h一1)
表5 v2≤O．64／D時管道流速和容積速率
為更精確分析3個約束條件對管徑的影響，
以D=100 mm，LNG加注容積速率”=100 m3／h
為例，此時所需的最小流速‰。=3．54 H∥s。定義
約束條件下的速度裕量”，=”?一穢mm。穢。。為約
束條件下的最大速度。速度裕量可以轉(zhuǎn)化為更高
的加注效率或相應的管徑設計范圍。
1)根據(jù)式(2)的限制條件”≤0．8／D=8 n∥s，
取上限秒≤7 In／s，速度裕量∥，=3．46 In／s。
2)根據(jù)式(3)限制條件穢≤0．5／D=5—n／s，速
度裕量為∥，=1．46 n∥s。
3)根據(jù)式(4)限制條件，口2≤o_彬D=2．53 In／s，
速度裕量為穢，=1．0l H∥s。
因此，在保證安全的前提下，約束條件式(2)
可以提供最大的速度裕量，式(3)可以提供較好
163
萬方數(shù)據(jù)
第6期船海工程第43卷
的速度裕量，式(4)所能提供的速度裕量最少。
根據(jù)以上分析，在保證LNG加注容積速率的
前提下，對于管徑的設計，必要時可以以犧牲速度
裕量來換取更寬廣的設計范圍。在實際設計中，
考慮加注躉船LNG儲罐較大，儲罐的形狀和尺寸
減弱了靜電場，躉船接受槽車充裝LNG管道的管
徑范圍可依據(jù)式(2)來設計；而躉船的加注LNG
管道的管徑范圍可依據(jù)式(3)來設計；在更為嚴
格的靜電條件下，可參考式(4)來設計。
至此，對于確定的LNG加注量K，則對LNG
燃料動力船的加注過程的總時間r可以大致由
下式確定。
0．25訂D2·"l·fl+
0．25丌D2·口?-(71一￡1)=V， (4)
式中：f．——1 n∥s流速對應的時間；
”。。，——最大流速，秒l=1 n∥s；
D——管徑。
3 建議
由于LNG擁有與油類物質(zhì)接近的電導率，
LNG加注時其他針對管道防靜電對策可以參考
油類防靜電標準。
1)加注時，保證加注管頭浸沒在LNG液面以
下，以免發(fā)生飛濺現(xiàn)象。
2)避免使用小直徑的連接管，加注管最好使
用金屬管，且保證接地。
3)當增大泵的功率提高加注速度時，要相應
增大加注管的直徑或增加加注管根數(shù)，以避免單
管流速過高。
4)實踐證明，采用T形、錐形、45。斜口形加
注管頭，可以減輕從氣罐頂部加注時的沖擊，從而
有效降低氣罐內(nèi)液面的靜電電位。
5)加注結束后，不能使用壓縮空氣來清除加
注管內(nèi)的殘液，防止形成可燃混合氣體。
參考文獻
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版社，1992．
[2]何茂權．液化天然氣儲運系統(tǒng)風險評價[D]．上海：同
濟大學，2007．
[3]趙航宇．船一岸安全電氣連接新技術研究[D]．上海：
匕海海運學院，2001．
LNG Bunkering Pontoon Pipeline Conditions Limit Analvsis Based
on Electrostatic Protection
HUANG Zhao-試a
(Wuhan Rules and Research Institue，China Classification Society，Wuhan 430022，China)
Abstract：‘I’he fonTling principle of electrosta“c in the LNC pipeline is analyzed． The limit requirements of inner diameter，
length of pipeline and LNG now velocity due to electI’ostatic effects are expounded． By I℃fbrencing the relevant provisions of the
safety velocity of fhel pmducts，the constraint conditions of the pipeline diameter and flow velocity for LNG bunkering demand are
put
forward． Some
suggestions
of
prevention and control of elecfmsfa“c for UVG bunke“ng pontoon pipes are西ven．
Key words：LNG bunkering pontoon，transfer line，prevention and control of electrosta“c，safety velocity
(上接第92頁)
Numerical Studv on Eff6cts of Fuel Oil Heat Pipes
Layout upon Preheating Process
CAI Lin，TUo Ai-li，XIN Yu，ZHANG Jian-ping
(China Ship Development and Des唔n Center，wuhan430064，China)
Abstract：In order fo study the efkcts of fhel oil heat pipes layout upon the preheating pmcess，the now preheating now
field of fuel oil tank is calculated by CFD method．Three schemes of single mw pipe—line amngement，two row and integrated ar—
mngement are simulated． The，nS equations for unsteady oil now field are set up． Based on Boussinesq§appmxima“on the natu—
ral convection caused by buoyancy lift and heat transfbr through the side wall is considered． The result shows that integrated ar—
rangement tend to be more stable with better preheating effect．
Key words：fuel oil heating；CFD；natural convection；temperature dist“bution．

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