LNG儲(chǔ)罐液位及泄放設(shè)計(jì)

陳銳瑩，姜夏雪，張 晨，安東雨，衣 鵬

(中海石油氣電集團(tuán)，北京 100028)

LNG儲(chǔ)罐的主要功能是接卸及儲(chǔ)存由LNG運(yùn)輸船運(yùn)來的LNG，利用外輸系統(tǒng)輸送至下游用戶。

一般大型的陸地接收終端會(huì)建造LNG全容儲(chǔ)罐。其基本結(jié)構(gòu)是，內(nèi)罐頂部為開放式結(jié)構(gòu)，材料為9%Ni；內(nèi)罐頂部吊頂材質(zhì)為鋁合金板，與罐頂下方拉桿連接。混凝土外罐由鋼筋混凝土承臺(tái)、后張拉式混凝土罐壁、鋼筋混凝土罐頂組成，罐底承臺(tái)與罐壁、罐壁與罐頂均采用剛性連接。儲(chǔ)罐基礎(chǔ)為高架空樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。內(nèi)外罐間的環(huán)狀空間和懸掛的內(nèi)吊頂均使用絕熱材料進(jìn)行保冷。為確保儲(chǔ)罐的安全性，所有穿過儲(chǔ)罐氣體密封面的管道均位于罐頂，以減少內(nèi)罐發(fā)生嚴(yán)重泄露的風(fēng)險(xiǎn)；在罐底設(shè)有架空式支撐平臺(tái)，以防止基礎(chǔ)或土壤凍結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生。

其大致工藝是，每座儲(chǔ)罐上均配備兩條進(jìn)料管線，分別將LNG送到內(nèi)罐頂部和底部。進(jìn)料模式取決于儲(chǔ)存及卸料的LNG規(guī)格。儲(chǔ)罐內(nèi)LNG外輸是通過低壓泵進(jìn)行的。低壓泵安裝在儲(chǔ)罐泵井內(nèi)，并完全浸沒在LNG中。罐頂管道將所有的低壓泵連通，使其可以并聯(lián)操作。儲(chǔ)罐罐頂連接到共用的BOG總管，以便在卸料操作期間收集/置換BOG，保持儲(chǔ)罐壓力的平衡。

1 液位計(jì)算

儲(chǔ)罐液位是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，可以通過其的計(jì)算初步確定內(nèi)罐的高度，可以通過其的控制防止儲(chǔ)罐過量進(jìn)料。根據(jù)規(guī)范GB51156的要求儲(chǔ)罐“從最高操作液位上升至高高液位的時(shí)間不宜小于10 min，達(dá)到高高液位時(shí)應(yīng)聯(lián)鎖關(guān)閉入口閥門”[1]。規(guī)范中只規(guī)定了高高液位的要求，并未對(duì)低低液位設(shè)計(jì)給出規(guī)定，因此在儲(chǔ)罐液位設(shè)計(jì)中還應(yīng)結(jié)合罐內(nèi)低壓泵的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體原則如下：

不可操作液位(LALLL)應(yīng)綜合考慮低壓泵的氣蝕余量以及儲(chǔ)罐罐底的不可操作區(qū)域來進(jìn)行設(shè)定；外輸關(guān)停液位(LALL)為在LALLL的基礎(chǔ)上考慮進(jìn)行5 min的最大外輸后，儲(chǔ)罐下降的液位；最小操作液位(LAL)為在LALL的基礎(chǔ)上考慮進(jìn)行10 min的最大外輸后，儲(chǔ)罐下降的液位；最大操作液位(LAH)為在LAL的基礎(chǔ)上考慮儲(chǔ)罐的凈容積進(jìn)行設(shè)定；進(jìn)料關(guān)停液位(LAHH)為在LAH的基礎(chǔ)上考慮進(jìn)行10 min的最大進(jìn)料后，儲(chǔ)罐上升的液位；最大設(shè)計(jì)液位(LAHHH)為在LAHH的基礎(chǔ)上考慮進(jìn)行5 min的最大進(jìn)料后，儲(chǔ)罐上升的液位。

圖1 液位計(jì)算的示意圖

2 泄放計(jì)算

高壓或低壓都可能對(duì)任意設(shè)備或系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害。尤其，LNG的特性是溫度低、易揮發(fā)，在不考慮安全系統(tǒng)作用的情況下，即便少量的熱滲入都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)終端處于極度危險(xiǎn)的狀態(tài)。因此，終端的安全操作只有靠對(duì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控，防止危險(xiǎn)條件的產(chǎn)生，才能保證設(shè)備和系統(tǒng)一直處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

終端操作的基本原則是“無名火”，因此，可燃?xì)怏w只有在處于下列情況時(shí)才允許釋放：1)引發(fā)嚴(yán)重危險(xiǎn)工況；2)主要設(shè)備進(jìn)行試車、維修或停運(yùn)。

因此在進(jìn)行壓力泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)[2]，應(yīng)考慮極端工況所產(chǎn)生的最大泄放量。

2.1 壓力安全閥(PSV)計(jì)算

PSV被安裝在儲(chǔ)罐罐頂，主要用于其超壓保護(hù)，一般在配置數(shù)量時(shí)應(yīng)遵從N+1備用原則，在泄放量計(jì)算時(shí)，主要根據(jù)規(guī)范GB51156附錄A的要求工況進(jìn)行計(jì)算，規(guī)范中規(guī)定應(yīng)按工況可能的組合進(jìn)行計(jì)算，但沒有明確規(guī)定組合工況。經(jīng)過分析，在PSV泄放量的計(jì)算中可考慮以下三種假設(shè)工況組合，并選取其中最大泄放量進(jìn)行PSV設(shè)計(jì)。

假設(shè)一：充裝時(shí)置換及閃蒸，以及泵冷循環(huán)帶入的熱量；

假設(shè)二：大氣壓降低，以及控制閥失靈；

假設(shè)三：翻滾，以及泵冷循環(huán)帶入的熱量。

其它特殊工況的組合，例如外部火災(zāi)的組合工況不予考慮，主要是因?yàn)檫@些工況發(fā)生的概率很低，且相互獨(dú)立。

常規(guī)計(jì)算一般決定假設(shè)工況為工況三，主要由于儲(chǔ)罐中LNG的翻滾會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)瞬間產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣使儲(chǔ)罐出現(xiàn)超壓現(xiàn)象，如不及時(shí)通過安全閥排放，就可能造成儲(chǔ)罐的機(jī)械損傷，帶來經(jīng)濟(jì)上的損失、環(huán)境污染甚至造成安全事故[3]。

2.2 真空安全閥(VSV)計(jì)算

VSV被安裝在儲(chǔ)罐罐頂，主要用于其負(fù)壓保護(hù)，一般在配置數(shù)量時(shí)應(yīng)遵從N+1備用原則，在吸入量計(jì)算時(shí)，主要根據(jù)規(guī)范GB51156附錄A的要求工況進(jìn)行計(jì)算，規(guī)范中規(guī)定應(yīng)按工況可能的組合進(jìn)行計(jì)算，但沒有明確規(guī)定組合工。經(jīng)過分析，在VSV吸入浪的計(jì)算中可以考慮以下假設(shè)工況組合，通過其進(jìn)行VSV設(shè)計(jì)。

假設(shè)：大氣壓升高，泵抽出最大流量，以及蒸發(fā)氣壓縮機(jī)抽出最大流量。

同時(shí)，VSV在設(shè)計(jì)流量應(yīng)考慮空氣進(jìn)入儲(chǔ)罐后，溫度將降至-165℃，空氣中的水將發(fā)生冷凝。

2.3 熱力安全閥(TSV)計(jì)算

TSV被安裝在部分低溫液體管道上。這些低溫管道中易積存液體，低溫液體不斷從環(huán)境中吸收熱量，發(fā)生熱膨脹進(jìn)而出現(xiàn)超壓，可利用TSV，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行超壓保護(hù)。

TSV不需要設(shè)置維修備用閥，因?yàn)樵谄渚S修工作進(jìn)行時(shí)，可以將該管道與相鄰系統(tǒng)連通，避免低溫液體管道發(fā)生阻塞。

TSV均連接到泄放總管中，其設(shè)定壓力值應(yīng)確保，被保護(hù)管道系統(tǒng)內(nèi)最低標(biāo)高的管段不會(huì)超壓。

TSV的材料應(yīng)適用于極端操作條件和緊急情況下的入口和出口溫度。其中熱量輸入值計(jì)算，其中熱量輸入計(jì)算主要參考GB/T 8175中的相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算[4]，TSV泄放量可依據(jù)API521中的相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算[5]。

3 結(jié)論

LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力為-1～29 kPaG，設(shè)計(jì)溫度為-165℃，因此在LNG儲(chǔ)罐工藝設(shè)計(jì)時(shí)，液位及泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的。根據(jù)上述確定的設(shè)計(jì)方法，可以確定LNG儲(chǔ)罐液位設(shè)定點(diǎn)，可以計(jì)算LNG儲(chǔ)罐的泄放量及吸入量，配置相應(yīng)的PSV、VSV和TSV來對(duì)其進(jìn)行壓力安全保護(hù)。