LNG接收站儲(chǔ)罐區(qū)集液池的設(shè)計(jì)

高曉勸

（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

1 LNG儲(chǔ)罐泄漏風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

通過(guò)對(duì)LNG罐區(qū)的危險(xiǎn)性分析，LNG儲(chǔ)罐及儲(chǔ)罐區(qū)的潛在風(fēng)險(xiǎn)主要有儲(chǔ)罐的全面破裂泄漏、罐頂全面失效、罐頂安全閥泄漏火災(zāi)分析、LNG儲(chǔ)罐輸入/輸出管線泄漏分析四個(gè)方面。

根據(jù)荷蘭CPR紫皮書，儲(chǔ)罐的全面破裂和罐頂全面失效發(fā)生的推薦概率為1×10-8，管線全破裂失效概率推薦值為5×10-7，都可認(rèn)為是可忽略概率。壓力釋放裝置排放高度確定時(shí)，已考慮熱輻射的影響。因此，僅考慮LNG進(jìn)出口管線發(fā)生泄漏時(shí)的泄放量。

NFPA—59A—2019對(duì)于管道的設(shè)計(jì)溢出量的要求見(jiàn)表1，考慮50mm孔徑下對(duì)應(yīng)的泄漏量。依據(jù)《石油天然氣防火規(guī)范》要求，集液池用于收集管道、閥門等處泄漏事故中泄漏的液化天然氣，攔蓄區(qū)用于收集儲(chǔ)罐破裂等重大泄漏事故中泄漏的液化天然氣。接收站LNG儲(chǔ)罐多采用全容式混凝土頂儲(chǔ)罐，全容罐能夠有效地防止罐內(nèi)的LNG泄漏，因此LNG儲(chǔ)罐不需要考慮攔蓄堤，故儲(chǔ)罐區(qū)集液池僅考慮進(jìn)出料管道發(fā)生泄漏LNG的收集。大尺寸管道發(fā)生全破裂的概率依據(jù)HCRD和OGP數(shù)據(jù)庫(kù)為不可置信的場(chǎng)景，故此處不考慮管道全破裂工況。因此需要在接收站設(shè)備設(shè)施設(shè)計(jì)、采購(gòu)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)的全生命周期內(nèi)加強(qiáng)機(jī)械完整性管理，提升企業(yè)的過(guò)程管理水平，尤其是特別關(guān)注管徑較大的長(zhǎng)管線的設(shè)備完整性管理。

表1 設(shè)計(jì)溢出

相比較于相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的采用卸船管線全破裂場(chǎng)景下LNG的泄漏量，集液池的容積按照蒸發(fā)后剩余的LNG存量進(jìn)行設(shè)計(jì)，該文獻(xiàn)認(rèn)為該場(chǎng)景下泄漏的LNG大部分蒸發(fā)，但是大量的LNG氣化后的造成的后果影響并沒(méi)有在設(shè)計(jì)中進(jìn)行考慮。

2 集液池設(shè)置的原則

集液池的設(shè)計(jì)容積要遵循：①管道的泄漏量考慮50mm孔徑下，10min的泄漏量和管道存量的總和；②考慮集液池所在區(qū)域內(nèi)管道的最大一處可能泄漏量；③LNG泄漏時(shí)消防泡沫的量和該區(qū)域可能發(fā)生的雨水量的總和。

LNG泄漏收集系統(tǒng)采用收集盤收集LNG，同時(shí)采用導(dǎo)流管或?qū)Я鳒峡刂频孛婊蚱脚_(tái)上泄漏的大面積LNG流淌，將LNG集中收集通過(guò)露天的導(dǎo)向管道導(dǎo)流到集液池中，避免在地面形成蒸汽云的流動(dòng)層，在集液池中使用高倍數(shù)泡沫覆蓋，進(jìn)一步降低了火災(zāi)或爆炸的可能性。集液池事故工況下收集的LNG依靠物流蒸發(fā)的方式排出。

集液池內(nèi)LNG的蒸發(fā)熱量來(lái)源有3個(gè)方面，分別是地面熱傳導(dǎo)、空氣對(duì)流傳熱和輻射熱。

1）熱傳導(dǎo)：由于LNG和混凝土地面存在較大的溫度差，液池汽化的熱量主要來(lái)自于其覆蓋的地面。LNG液池的熱通量既與地面溫度有關(guān)，又與LNG沸騰形式有關(guān)，包括核沸騰、膜沸騰和過(guò)渡沸騰。

LNG 與地面發(fā)生熱傳遞，蒸發(fā)量計(jì)算方法：

式中，Sc為空氣的施密特常數(shù)；μa為空氣的動(dòng)力黏度，ρa(bǔ)為空氣的密度，Dac為空氣的擴(kuò)散系數(shù)；Ua為10高度處環(huán)境的風(fēng)速；ΔHv為特定溫度下的蒸發(fā)潛熱；Mc為泄漏LNG的分子量；Pv泄漏液體的飽和蒸氣壓；R為氣體常數(shù)。

2）空氣對(duì)流傳熱：空氣對(duì)流傳熱的作用是使氣云垂直抬升，該空氣來(lái)自于大氣和液池界面之間的摩擦層。當(dāng)風(fēng)速足夠大時(shí)，空氣進(jìn)入摩擦層并使空氣和低溫氣云混合。相對(duì)于補(bǔ)充的空氣，LNG氣云的溫度較低，空氣釋放凝結(jié)潛熱，導(dǎo)致氣云溫度穩(wěn)步上升。

對(duì)流傳遞熱量計(jì)算公式為：

式中，λa為空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)；r為液池在某時(shí)刻液池?cái)U(kuò)展的半徑；L為液池的直徑；Nu為Nussel常數(shù)。

其中，Pr為普朗特常數(shù)，；Re為雷諾數(shù)，；Cpa為空氣比熱容，μa為空氣黏度。

3）輻射熱（含太陽(yáng)熱輻射和長(zhǎng)波熱輻射）：輻射傳遞熱量分為兩部分，一部分為太陽(yáng)輻射Qsolar，一部分為長(zhǎng)波輻射Qlong。

式中，Sr為熱通量；ε為液池釋放系數(shù)，0.095；σ為史蒂芬-波茲曼常數(shù)。

研究表明，太陽(yáng)輻射熱及長(zhǎng)波輻射熱對(duì)液池溫度和熱量傳遞的貢獻(xiàn)較小，在計(jì)算過(guò)程中將其忽略。

3 計(jì)算模型的選擇

3.1 LNG集液池蒸汽云擴(kuò)散要求

擴(kuò)散隔離區(qū)邊界的空氣中氣體平均濃度不應(yīng)超過(guò)甲烷爆炸下限的50%。集液池天然氣蒸氣云擴(kuò)散隔離區(qū)邊界不應(yīng)超出站場(chǎng)圍墻，站場(chǎng)重要設(shè)施（發(fā)生火災(zāi)時(shí)，影響火災(zāi)撲救或可能造成重大人身傷亡的設(shè)施，如集中控制室、裝車控制室、辦公室等人員較為集中的場(chǎng)所）不應(yīng)設(shè)置在液化天然氣蒸氣云擴(kuò)散隔離區(qū)內(nèi)。氣象條件按帕斯奎爾大氣穩(wěn)定度F（Pasquill）及2m/s風(fēng)速計(jì)算。

3.2 LNG集液池?zé)彷椛湟?/h3>

LNG一旦泄漏通過(guò)收集盤、導(dǎo)流溝收集進(jìn)集液池，遇點(diǎn)火源引燃迅速發(fā)生回火，形成集液池火災(zāi)，周圍的人員、設(shè)備和建筑物都可能收到熱輻射的影響，根據(jù)《石油天然氣設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，集液池到液化天然氣站場(chǎng)內(nèi)外活動(dòng)場(chǎng)所、建（構(gòu)）筑物的隔熱距離需要滿足要求。計(jì)算集液池池火災(zāi)熱輻射值時(shí)，需采用液化天然氣燃燒的熱輻射計(jì)算模型確定；燃燒面積應(yīng)按集液池內(nèi)全部容積的表面積確定；集液池內(nèi)壁至液化天然氣站場(chǎng)內(nèi)設(shè)施隔熱距離不應(yīng)小于15m。需要特別提出的是當(dāng)集液池毗鄰無(wú)建、構(gòu)筑物的海域時(shí)，隔熱距離可 不做限制。

3.3 熱輻射計(jì)算天氣條件的選擇

站場(chǎng)區(qū)域出現(xiàn)頻率大于或等于5%的風(fēng)速、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、大氣穩(wěn)定度等氣象條件等因素。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

當(dāng)?shù)貧庀髼l件資料：年平均溫度20.3℃，極端最高37.4℃，極端最高0.9℃；年平均相對(duì)濕度80%；日照輻射強(qiáng)度0.5kW/ m2；年平均風(fēng)速6.6m/s，最大風(fēng)速44m/s。

LNG組成：以含甲烷99.84%的貧液進(jìn)行計(jì)算。

4.2 泄漏量

泄漏量按照低溫罐內(nèi)泵出口管道發(fā)生泄漏時(shí)的泄漏質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，泄漏量為34.2kg/s，集液池的容積需要考慮10min的泄漏量、相連管道容積以及消防泡沫雨水的容積之和，因此確定罐區(qū)集液池的容積為90m3。

4.3 蒸汽云擴(kuò)散及熱輻射計(jì)算

運(yùn)用Phast軟件計(jì)算罐區(qū)集液池池火的危害影響距離見(jiàn)表2。

表2 罐區(qū)集液池?zé)彷椛浞秶?jì)算表

由表2可以看出，風(fēng)速越大熱輻射的影響范圍越大，同等風(fēng)速條件下，大氣穩(wěn)定度不同，對(duì)熱輻射影響范圍沒(méi)有變化，因此進(jìn)行接收站熱輻射計(jì)算時(shí)，需要考慮該區(qū)域出現(xiàn)頻率大于或等于5%的風(fēng)速下的最大影響范圍，避免選用計(jì)算最大風(fēng)速下的熱輻射影響范圍，造成過(guò)度設(shè)計(jì)。

風(fēng)速越大蒸汽云擴(kuò)散的影響距離越大，同等風(fēng)速下，大氣穩(wěn)定度越穩(wěn)定，越不利于可燃?xì)庠频臄U(kuò)散，蒸汽云擴(kuò)散的影響距離越大。以上各種工況，在2F的天氣下，蒸汽云影響范圍最大。

接收站選址及總平面布置時(shí)，結(jié)合集液池的熱輻射距離及蒸汽云擴(kuò)散的安全距離進(jìn)行設(shè)計(jì)，為接收站設(shè)計(jì)提供依據(jù)，能有效降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

1）參考NFPA—59A—2019及GB 50183，集液池有效容積考慮50mm可置信孔徑下，10min的泄漏量進(jìn)行計(jì)算。

2）大氣穩(wěn)定度越穩(wěn)定，蒸汽云擴(kuò)散的影響距離越大，2F天氣條件下的影響范圍最大。

3）風(fēng)速越大，集液池的熱輻射影響距離越大，進(jìn)行接收站熱輻射計(jì)算時(shí)，需要考慮接收站所在區(qū)域出現(xiàn)頻率大于或等于5%的風(fēng)速下的影響范圍，避免過(guò)度設(shè)計(jì)。

4）在工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)LNG管道完整性管理，定期對(duì)LNG管線狀況進(jìn)行檢查，防止因腐蝕、意外碰撞等原因造成的管線斷裂。

5）嚴(yán)格控制點(diǎn)火源，加強(qiáng)LNG接收站安全檢查及監(jiān)管，避免發(fā)生火災(zāi)爆炸的事件發(fā)生。