丙烷低溫常壓雙金屬全容儲罐安全保護(hù)系統(tǒng)的定量分析計算

周元欣 孟凡鵬 梁 勇 劉家鑫 位世榮

（中國石油天然氣管道工程有限公司）

符 號 說 明

A——儲罐橫截面積，m2；

A′——小孔通流截面面積，m2；

Aw——單座儲罐受外部火災(zāi)影響的濕表面積，m2；

Cq——短孔流量系數(shù)，取0.82；

Din——儲罐內(nèi)罐內(nèi)徑，取47.2m；

dp′/dt——大氣壓變化速率，取2kPa/h；

f——計算系數(shù)；

F——環(huán)境因子；

hw——與火焰接觸的濕表面積高度，m；

H——單座儲罐的吸熱量，kW；

HC3——低溫丙烷最高液位，取31m；

HDOME——儲罐拱頂高度，取11.45m；

HShell——儲罐內(nèi)罐罐壁高度，取32.56m；

L——液體汽化潛熱，kJ/kg；

m——由小孔長徑比決定的指數(shù)，取0.6；

MCP——單臺BOG壓縮機(jī)的處理能力，kg/h；

N——同時受火災(zāi)影響的儲罐數(shù)量；

NCP——BOG壓縮機(jī)的工作臺數(shù)；

NP——單座丙烷儲罐罐內(nèi)泵工作臺數(shù)；

NTank——丙烷儲罐的數(shù)量；

p——火炬壓力控制閥開啟時儲罐的絕對壓力，Pa（A）；

pOA——補(bǔ)氣閥開啟時儲罐內(nèi)絕對壓力，Pa（A）；

pS0——儲罐漏熱導(dǎo)致的過飽和壓力，Pa；

pS1——儲罐漏熱和大氣壓降低導(dǎo)致的過飽和壓力，Pa；

qv——小孔泄漏體積流量，m3/h；

QP——罐內(nèi)輸送泵最大流量，m3/h；

RDOME——穹頂所在球的半徑，取40m；

t——大氣壓變化計算時間，取1h；

VA1——因大氣壓升高引起的儲罐真空量，m3/h；

VAG——大氣壓降低罐內(nèi)氣體膨脹產(chǎn)生的每座丙烷儲罐的BOG體積流量，m3/h；

VC——單個儲罐真空量，m3/h；

VC3——儲罐的液相容積，取5×104m3；

VCP——壓縮機(jī)抽出BOG的最大流量，m3/h；

Vout——每座丙烷低溫常壓儲罐泵抽出的最大流量，m3/h；

VT——儲罐氣相體積，m3；

WAG——大氣壓降低罐內(nèi)氣體膨脹產(chǎn)生的BOG質(zhì)量流量，kg/h；

WAL——大氣壓降低罐內(nèi)液體閃蒸產(chǎn)生的BOG質(zhì)量流量，kg/h；

Wfire——外部火災(zāi)引起的丙烷儲罐的BOG量，kg/h；

Wfire′——單座儲罐產(chǎn)生的BOG量，kg/h；

Whole——小孔泄漏導(dǎo)致丙烷儲罐環(huán)隙超壓的BOG質(zhì)量流量，kg/h；

WHA——儲罐漏熱和大氣壓降低罐內(nèi)液體閃蒸產(chǎn)生的BOG質(zhì)量流量之和，kg/h；

WL——卸船工況下的BOG總量，kg/h；

WRollover——翻滾工況下BOG汽化量，kg/h；

WT——單座丙烷儲罐的環(huán)境漏熱BOG質(zhì)量流量，kg/h；

WV——補(bǔ)氣閥補(bǔ)氣流量，kg/h；

WVfail——補(bǔ)氣閥失靈引起的儲罐超壓泄放量，kg/h；

Δp——小孔兩端壓差（此處取最高液位31m時的兩端壓差），Pa；

ρAG——大氣壓降低導(dǎo)致罐內(nèi)氣體膨脹時產(chǎn)生的丙烷BOG氣體密度，kg/m3；

ρBOG——BOG氣體密度，kg/m3；

ρC3——低溫丙烷密度，取581kg/m3；

ρgas——補(bǔ)氣的氣體密度，kg/m3；

η——丙烷儲罐的日蒸發(fā)率，取0.08%/d，即3.33×10-3%/h。

在我國沿海地區(qū)，丙烷、丁烷及液化石油氣等液化烴的儲存規(guī)模不斷擴(kuò)大。 目前，常見的液化烴地上儲存工藝有低溫常壓儲存和常溫帶壓儲存。類似于LNG接收站的低溫常壓儲罐，液化烴的低溫常壓儲罐也得到了廣泛的應(yīng)用［1］，如：1997年江蘇太倉華能-阿莫科第1個建成的兩座3.1萬立方米低溫丙烷、丁烷儲罐，1998年深圳華安8萬立方米低溫丙烷、 丁烷儲罐，2006年寧波臺塑集團(tuán)的8萬立方米丙烯儲罐，2012年寧波海越新材料的12萬立方米丙烷儲罐［2，3］。隨著設(shè)計和施工技術(shù)的成熟，低溫常壓儲罐的罐容也在向大型化發(fā)展。 相對于常溫帶壓儲存，低溫常壓儲存技術(shù)的優(yōu)勢在于單罐儲存容量更大、 節(jié)省項(xiàng)目用地、儲存壓力低、安全性能較高。

對于液化烴低溫常壓儲罐，雖然目前應(yīng)用也比較多，但是國家尚未出臺專門針對丙烷、LPG等液化烴低溫儲罐設(shè)計和建造的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［4］。低溫常壓儲罐的工藝系統(tǒng)設(shè)置復(fù)雜，對工藝設(shè)備和材料的要求較高， 隨著單罐罐容大型化的發(fā)展，對低溫常壓儲罐安全泄放系統(tǒng)的設(shè)計要求也更高。 筆者針對某項(xiàng)目中的兩座5萬立方米丙烷低溫常壓雙金屬全容儲罐（以下簡稱儲罐）的安全泄放系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行探討。

1 丙烷低溫儲存系統(tǒng)的工藝流程

丙烷低溫常壓儲存系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

圖1 丙烷低溫常壓儲存系統(tǒng)的工藝流程

來自運(yùn)輸船的低溫丙烷（組分：乙烷2.0wt%、丙烷95.6wt%、異丁烷2.4wt%）在丙烷低溫常壓儲罐中儲存。 下游球罐需要丙烷時，低溫丙烷經(jīng)罐內(nèi)泵的加壓，由加熱器加熱到常溫后送至常溫帶壓球罐存儲。 低溫丙烷在卸船前，采用預(yù)冷循環(huán)方式預(yù)冷卸船總管。 低溫丙烷存儲過程中產(chǎn)生的丙烷蒸發(fā)氣體（BOG）通過BOG壓縮機(jī)撬的增壓和冷卻后成為液體，丙烷凝液接收罐接收的液體輸送到常溫帶壓球罐或經(jīng)閃蒸節(jié)流返回低溫儲罐。

丙烷低溫常壓儲罐常規(guī)壓力調(diào)節(jié)由BOG壓縮機(jī)系統(tǒng)控制， 通過調(diào)節(jié)BOG壓縮機(jī)抽取BOG的氣體量，保證儲罐壓力在正常范圍波動。 BOG壓縮機(jī)這種壓力調(diào)節(jié)控制方式主要用于處理儲罐系統(tǒng)正常工況下的BOG氣體量，如儲罐吸熱后的日蒸發(fā)、大氣壓改變及物料的進(jìn)出等工況。

由于BOG壓縮機(jī)的處理量有限，對于儲罐系統(tǒng)的非正常超壓工況，如火災(zāi)、翻滾及內(nèi)罐泄漏等，丙烷低溫常壓儲罐設(shè)置有兩級超壓安全保護(hù)系統(tǒng)。 第1級超壓安全保護(hù)系統(tǒng)通過BOG總管上的火炬壓力控制閥排放至火炬系統(tǒng)， 第2級通過儲罐罐頂設(shè)置的安全閥密閉排放至火炬系統(tǒng)。

丙烷低溫常壓儲罐還設(shè)置有兩級負(fù)壓安全保護(hù)系統(tǒng)，用于保護(hù)儲罐在大氣壓升高、物料過分抽吸時不會出現(xiàn)負(fù)壓。 第1級負(fù)壓安全保護(hù)系統(tǒng)由常溫帶壓球罐的丙烷高壓氣體通過丙烷低溫儲罐罐頂?shù)难a(bǔ)氣閥調(diào)壓之后對儲罐進(jìn)行補(bǔ)氣，第2級通過低溫丙烷儲罐罐頂?shù)恼婵瞻踩y由空氣直接進(jìn)行補(bǔ)氣。

2 儲罐安全保護(hù)系統(tǒng)定量分析計算

丙烷低溫常壓雙金屬全容儲罐屬于全冷凍式液化烴儲罐，國內(nèi)尚無針對低溫液化烴儲罐超壓泄放計算的規(guī)范。筆者依據(jù)API 2000［5］，分別對儲罐在不同工況下的BOG氣體量分析計算，并對可能的工況組合分析計算。 在定量分析的基礎(chǔ)上，為儲罐安全閥、真空安全閥和火炬系統(tǒng)的設(shè)計提供參數(shù)。

2.1 工況定量分析計算

2.1.1 儲罐漏熱BOG量

因環(huán)境漏熱引起的單座丙烷儲罐的BOG量WT的計算式為：

計算得到單座丙烷儲罐環(huán)境漏熱BOG量WT為968kg/h。

2.1.2 卸船BOG量

卸船時，由于船方擔(dān)心岸上儲罐的蒸發(fā)氣返回船艙會污染船側(cè)的物料，所以不考慮儲罐的蒸發(fā)氣返回船艙，卸船時產(chǎn)生的蒸發(fā)氣全部由BOG壓縮機(jī)處理。 當(dāng)卸船速率為2 400m3/h時， 利用HYSYS軟件進(jìn)行模擬，得到卸船工況下的BOG總量（包括卸船時的體積置換量、BOG閃蒸量、管路系統(tǒng)吸熱汽化量和兩座儲罐漏熱BOG量）WL為16 206kg/h。

因此卸船工況下，為了維持丙烷儲罐壓力穩(wěn)定，BOG壓縮機(jī)需要處理的BOG量為16 206kg/h。

2.1.3 大氣壓變化引起的BOG排放量

當(dāng)丙烷儲罐的壓力等于最大的操作壓力15kPa時， 大氣壓迅速下降會引起丙烷儲罐內(nèi)氣相空間超壓，從而導(dǎo)致BOG總管的火炬壓力控制閥（開啟壓力15.5kPa）打開，使BOG超壓氣體排出。 計算大氣壓下降引起的BOG排放量時，假設(shè)兩座丙烷儲罐均為20%液位， 儲罐在該液位對應(yīng)的蒸發(fā)量為滿罐蒸發(fā)量的50%。 環(huán)境大氣壓取值101.325kPa。

5萬立方米丙烷儲罐氣相體積VT的計算式為：

單座丙烷儲罐由于大氣壓降低引起的BOG排放量WA的計算式為：

5萬立方米丙烷儲罐由于大氣壓降低BOG排放量主要參數(shù)的計算結(jié)果如下：

a. 大氣壓降低導(dǎo)致的氣體膨脹。儲罐絕對壓力p=116825Pa（A），儲罐氣相體積VT=61019m3，因氣體膨脹導(dǎo)致的BOG體積流量VAG=1045m3/h，大氣壓降低導(dǎo)致罐內(nèi)氣體膨脹時產(chǎn)生的丙烷BOG氣體密度ρAG=2.629kg/m3，因氣體膨脹導(dǎo)致的BOG質(zhì)量流量WAG=2746kg/h。

b. 大氣壓降低導(dǎo)致罐內(nèi)液體閃蒸。計算系數(shù)f=2.55E-05，儲罐橫截面積A=1750m2，20%液位時單座丙烷儲罐環(huán)境漏熱產(chǎn)生的BOG 質(zhì)量流量WT（50%）=484.17kg/h，儲罐漏熱導(dǎo)致的過飽和壓力pS0=1062Pa， 儲罐漏熱和大氣壓降低導(dǎo)致的過飽和壓力pS1=3062Pa， 儲罐漏熱和大氣壓降低罐內(nèi)液體閃蒸產(chǎn)生的BOG 質(zhì)量流量之和WHA=1987kg/h， 大氣壓降低導(dǎo)致罐內(nèi)液體閃蒸產(chǎn)生的BOG質(zhì)量流量WAL=1503kg/h。

a、b兩部分的BOG排放量之和WA=4249kg/h。則兩座5萬立方米丙烷低溫常壓儲罐大氣壓降低引起的BOG排放量為8 489kg/h。

2.1.4 罐環(huán)隙空間超壓

根據(jù)API 2000［5］，對于雙金屬全容罐，需要考慮內(nèi)罐泄漏到環(huán)隙空間汽化超壓的情況，規(guī)范中假設(shè)在罐內(nèi)壁第1節(jié)圈板上有一個直徑為20mm的孔，將該孔的泄漏量作為計算罐環(huán)隙空間超壓的依據(jù)。

5萬立方米丙烷儲罐內(nèi)壁第1節(jié)圈板厚度約為30mm， 此工況下小孔泄漏適用于短孔泄漏計算模型，則小孔泄漏體積流量qv的計算式為：

根據(jù)短孔泄漏計算模型計算得到小孔泄漏體積流量qv=76.52m3/h。

小孔泄漏導(dǎo)致丙烷儲罐環(huán)隙超壓的BOG質(zhì)量流量Whole的計算式為：

由丙烷液體密度計算得到Whole=44460kg/h。

2.1.5 外部火災(zāi)

考慮兩座相鄰丙烷儲罐因外部火災(zāi)引起的BOG排放量。 受外部火災(zāi)影響，單座儲罐的吸熱量H的計算式為：

根據(jù)API 2000［5］，對于大型儲罐，與火焰接觸的濕表面積高度hw為9.15m?？紤]火災(zāi)發(fā)生在兩座儲罐中間，每座儲罐有一半的表面積受到火災(zāi)影響，因此，單座儲罐受外部火災(zāi)影響的濕表面積Aw的計算式為：

受外部火災(zāi)影響，單座儲罐的BOG產(chǎn)生量Wfire′的計算式為：

外部火災(zāi)引起的丙烷儲罐的BOG量Wfire的計算式為：

兩座相鄰丙烷儲罐因外部火災(zāi)引起的BOG排放量主要參數(shù)的計算結(jié)果為：儲罐內(nèi)罐內(nèi)徑Din=47.2m， 與火焰接觸的濕表面積高度hw=9.15m， 單座罐濕表面積Aw=678m2， 環(huán)境因子F=0.03，單座罐吸熱量H=447kW，液體汽化潛熱L=431kJ/kg，單座罐產(chǎn)生BOG量Wfire′=3734kg/h，同時受火災(zāi)影響的儲罐數(shù)量N=2， 外部火災(zāi)引起的BOG產(chǎn)生量Wfire=7468kg/h。

2.1.6 補(bǔ)氣閥失靈故障開

丙烷低溫常壓儲罐的最大補(bǔ)氣量按3種工況進(jìn)行組合計算： 罐內(nèi)輸送泵抽出最大流量工況、BOG壓縮機(jī)抽出最大流量工況和大氣壓升高工況。

在罐內(nèi)輸送泵抽出最大流量工況下，每座丙烷低溫常壓儲罐泵抽出的最大流量Vout的計算式為：

每座儲罐設(shè)置兩臺罐內(nèi)輸送泵， 一用一備，罐內(nèi)輸送泵的最大流量為500m3/h， 因此Vout=500m3/h。

在BOG壓縮機(jī)抽出最大流量工況下，根據(jù)卸船時的BOG量，設(shè)置兩臺低溫丙烷BOG壓縮機(jī)，兩用零備，每臺壓縮機(jī)的處理能力為9 600kg/h。 則壓縮機(jī)抽出BOG的最大流量VCP為：

每座儲罐因BOG壓縮機(jī)抽氣引起的真空量VC為：

由于考慮兩座丙烷儲罐的BOG處理量，因此NTank取2。

在大氣壓升高的工況下，當(dāng)儲罐壓力等于儲罐最小操作壓力時，大氣壓升高會導(dǎo)致低溫丙烷儲罐內(nèi)氣體壓縮從而形成負(fù)壓，補(bǔ)氣閥打開對儲罐進(jìn)行補(bǔ)氣（開啟壓力為4.5kPa）。 依據(jù)API 2000［5］，取大氣壓變化速率為2kPa/h。 考慮到兩座液化烴儲罐不可能全部處于最低液位，按兩座丙烷儲罐均為20%液位計算大氣壓升高引起的儲罐真空量VA1，即：

補(bǔ)氣閥流量的計算。 在丙烷儲罐壓力較低時， 首先通過第1級負(fù)壓保護(hù)系統(tǒng)的補(bǔ)氣閥進(jìn)行補(bǔ)氣。 補(bǔ)氣閥流量考慮1.1倍余量，則補(bǔ)氣閥的補(bǔ)氣流量為：

5萬立方米丙烷低溫常壓儲罐補(bǔ)氣閥流量計算輸入數(shù)據(jù)及計算結(jié)果如下：

a. 罐內(nèi)泵抽出引起的真空量。泵抽出最大流量Vout=500m3/h。

b. BOG壓縮機(jī)抽出引起的真空量。 BOG氣體密度ρBOG=2.252kg/m3，壓縮機(jī)抽出BOG最大流量VCP=8526m3/h，每個儲罐真空量VC=4263m3/h。

c. 大氣壓升高引起的真空量。 儲罐氣相體積VT=61019m3，因大氣壓升高引起的儲罐真空量VA1=1153m3/h。

d. 補(bǔ)氣閥流量。 補(bǔ)氣的氣體密度ρgas的值為2.136kg/m3，補(bǔ)氣閥補(bǔ)氣流量WV=13900kg/h。

補(bǔ)氣閥失靈引起的儲罐超壓泄放量。 按照一個儲罐的補(bǔ)氣閥失靈來考慮儲罐超壓泄放量，由于控制閥門在最大流量時的開度一般不大于80%， 因此按照1.25倍的閥門最大流量來計算補(bǔ)氣閥失靈引起的儲罐超壓泄放量。 一個補(bǔ)氣閥失靈引起的儲罐超壓泄放量WVfail為：

計算得到WVfail=17375kg/h。

2.1.7 翻滾由于低溫儲罐丙烷物料組分的差異，或者儲罐內(nèi)部低溫丙烷存在溫度梯度，丙烷液體出現(xiàn)不同密度層的分布，密度層之間難以發(fā)生對流。 環(huán)境熱量的輸入導(dǎo)致頂部丙烷液體蒸發(fā)，輕組分揮發(fā)，液體密度變大；底部液體受熱后，無法有效蒸發(fā)，液體密度變小。 一旦上下層丙烷液體密度相近時，就會出現(xiàn)液體上下翻滾，底部過飽和丙烷液體壓力驟降后會導(dǎo)致大量低溫丙烷迅速汽化。

筆者依據(jù)API 2000［5］和EN 1473：2016［7］，翻滾工況下的BOG汽化量可按低溫儲罐環(huán)境漏熱導(dǎo)致的汽化量的100倍進(jìn)行估算：

經(jīng)計算， 翻滾工況下5萬立方米丙烷儲罐的BOG汽化量WRollover=96800kg/h。 因此，5萬立方米丙烷儲罐翻滾工況下超壓泄放量為96 800kg/h。

2.2 工況組合分析計算

丙烷低溫常壓儲罐超壓安全保護(hù)系統(tǒng)的泄放量取以上工況可能組合的最大值。 由于翻滾工況發(fā)生的頻率較低，且翻滾是一種短時劇烈的汽化現(xiàn)象，不再考慮疊加其他工況。 可能的工況組合下超壓氣體泄放量見表1。

根據(jù)計算結(jié)果，5萬立方米丙烷低溫常壓儲罐系統(tǒng)的安全泄放系統(tǒng)的處理量為96 800kg/h。

LNG低溫常壓儲罐的超壓泄放氣體在特定情況下可以直接排向大氣， 如火炬檢修工況和LNG儲罐翻滾工況，但是低溫常壓液化烴儲罐的超壓泄放氣體卻無法直接排放大氣，需要密閉排放到火炬系統(tǒng)中。 除了環(huán)境保護(hù)的因素外， 乙烯、丙烯、 丙烷及丁烷等輕烴氣體與空氣密度相差不大，或者比空氣重，直接排放大氣的話可能會在地面出現(xiàn)大范圍的爆炸性氣體環(huán)境，帶來安全風(fēng)險［1］。對于丙烷低溫常壓儲罐第2級超壓安全保護(hù)系統(tǒng)的超壓泄放氣體，筆者在設(shè)計中直接接入火炬系統(tǒng)，進(jìn)行安全排放。

根據(jù)2.1.6節(jié)內(nèi)容，丙烷儲罐的負(fù)壓安全保護(hù)系統(tǒng)最大補(bǔ)氣量所對應(yīng)的組合工況為：罐內(nèi)輸送泵最大量抽出、BOG壓縮機(jī)最大量抽出和大氣壓升高。該組合工況下的最大補(bǔ)氣流量為13 900kg/h。

綜上所述，5萬立方米丙烷儲罐安全閥的設(shè)計流量為96 800kg/h， 真空安全閥的設(shè)計流量為13 900kg/h，兩座5萬立方米丙烷儲罐為火炬系統(tǒng)貢獻(xiàn)的最大超壓氣體泄放量為96 800kg/h。

3 結(jié)束語

丙烷儲罐在日常運(yùn)行中會產(chǎn)生大量BOG，可靠的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計對保證低溫儲罐壓力穩(wěn)定至關(guān)重要。 在突發(fā)情況出現(xiàn)時，儲罐超壓安全保護(hù)系統(tǒng)能夠保證丙烷超壓泄放氣體排入火炬系統(tǒng)，減小環(huán)境污染，保證儲罐不超壓，減少事故災(zāi)害；負(fù)壓安全保護(hù)系統(tǒng)能夠及時對儲罐進(jìn)行補(bǔ)氣，防止儲罐壓力過低導(dǎo)致儲罐塌裂。

筆者對丙烷儲罐不同工況下的BOG氣體量進(jìn)行了定量分析計算，并根據(jù)組合工況下的分析計算，確定了5萬立方米丙烷儲罐安全閥、真空安全閥的設(shè)計流量分別為96 800kg/h和13 900kg/h，兩座5萬立方米丙烷儲罐為火炬系統(tǒng)貢獻(xiàn)的最大超壓氣體泄放量為96 800kg/h。 通過定量分析計算，確定了丙烷儲罐安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計計算的基本方法。