LNG儲罐安全閥選型探討

賈保印，紀(jì)明磊，劉禹岑

(中國寰球工程有限公司，北京 100012)

LNG儲罐安全閥選型探討

賈保印，紀(jì)明磊，劉禹岑

(中國寰球工程有限公司，北京 100012)

本文分析了LNG儲罐安全閥選用先導(dǎo)式安全閥的原因，并從安全閥導(dǎo)閥引壓方式、引壓管的長度及布置、安全閥設(shè)定壓力、安全閥出口管線的排放高度等角度定性剖析影響安全閥流通量的因素，提高了工程技術(shù)人員對影響安全閥流通量因素的認(rèn)識，為優(yōu)化LNG儲罐安全閥選型，工藝系統(tǒng)設(shè)計和管道布置打下基礎(chǔ)，指導(dǎo)工程設(shè)計。

LNG儲罐；先導(dǎo)式安全閥；導(dǎo)閥；尾管；阻力降

液化天然氣(Liquefied Nature Gas，以下稱“LNG”)儲罐是LNG接收站重要的核心設(shè)備，儲罐的安全平穩(wěn)運行是整個LNG接收站保持正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵[1]。國內(nèi)已建成投產(chǎn)或在建的LNG接收站儲罐大部分采用全容罐。由于LNG儲罐投資成本非常高，LNG儲罐的安全是工藝系統(tǒng)設(shè)計的核心，在工程設(shè)計中一般都會采用以下幾種措施來避免LNG儲罐超壓：在正常操作條件下，LNG 儲罐的壓力均是通過BOG壓縮機壓縮、外輸LNG儲罐的蒸發(fā)氣(Boil-Off Gas，以下稱“BOG”)來控制，即通過調(diào)節(jié)BOG壓縮機的運行負(fù)荷來維持 LNG 儲罐的氣相空間壓力的穩(wěn)定[2]；當(dāng)BOG壓縮機的負(fù)荷無法處理儲罐內(nèi)的BOG時，LNG儲罐壓力升高，達到某設(shè)定值會自動開啟火炬系統(tǒng)的壓力泄放閥，將超壓的BOG排入火炬系統(tǒng)燃燒掉；當(dāng)LNG儲罐壓力繼續(xù)升高時，超壓氣體將通過LNG儲罐的安全閥直接排放至大氣中。

因此，安全閥作為儲罐最后一道保護措施，其選型和計算是否合理直接關(guān)系到LNG儲罐的本質(zhì)安全。規(guī)范[3-7]和文獻[8-11]已分別對LNG儲罐安全閥的超壓工況和泄放量進行了準(zhǔn)確的規(guī)定，LNG儲罐安全閥泄放量計算方法已趨于成熟。但是很少有文獻和資料對LNG儲罐安全閥的選型和計算過程進行研究。通過調(diào)研國內(nèi)外已運行LNG接收站的安全閥設(shè)置現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，相同容積的LNG儲罐超壓工況下泄放量基本一致，但設(shè)置安全閥的數(shù)目不同，最大甚至相差2個安全閥，混淆了設(shè)計人員和管理人員的認(rèn)識，同時在一定程度上影響工程投資。

本文從安全閥導(dǎo)閥引壓方式、引壓管的長度及布置、安全閥設(shè)定壓力等角度深刻剖析影響安全閥數(shù)量和安全閥流量的原因，為優(yōu)化LNG儲罐安全閥選型，工藝系統(tǒng)設(shè)計和管道布置打下基礎(chǔ)，指導(dǎo)工程設(shè)計。

1 安全閥的安裝位置

國內(nèi)已建成投產(chǎn)或在建的LNG接收站儲罐大部分采用9%Ni鋼內(nèi)罐預(yù)應(yīng)力混凝土外罐的全容罐(簡稱FCCR，如圖1所示)，它是由9%Ni鋼制內(nèi)罐、9%Ni鋼制熱角保護、鋁合金吊頂、16MnDR鋼襯板(外罐內(nèi)壁)和預(yù)應(yīng)力混凝土外罐組成。內(nèi)罐用來儲存LNG，內(nèi)罐和外罐之間盛裝絕熱材料，可減少熱量傳入[12-13]，外罐用來密閉蒸發(fā)氣氣體，可在內(nèi)罐泄漏情況下承裝LNG，還并可承受一定的熱輻射及沖擊荷載。罐頂內(nèi)壁采用碳鋼材質(zhì)，無法耐受超低溫工況，為了避免LNG儲罐超壓泄放時低溫氣體通過吊頂通氣孔進入拱頂空間對罐頂內(nèi)壁造成破壞，故安全閥的入口管線應(yīng)接至LNG儲罐吊頂下側(cè)的氣相空間，如圖1所示。

圖1 全容罐的基本結(jié)構(gòu)

2 安全閥型式的確定

LNG儲罐安全閥型式的確定主要考慮到以下因素，以下逐一進行說明：

(1)低溫泄放狀態(tài)。LNG儲罐安全閥泄放狀態(tài)為低溫狀態(tài)，溫度可低至-159℃，平衡波紋管式安全閥易結(jié)冰無法應(yīng)用至該低溫場合。

(2)LNG儲罐的操作壓力。LNG儲罐的操作壓力可高于LNG儲罐設(shè)計壓力的90%。當(dāng)儲罐操作壓力高于設(shè)計壓力90%時，如采用彈簧式安全閥，安全閥的閥座將會發(fā)生泄漏，造成工藝物料的損失，可燃?xì)怏w排放可能會產(chǎn)生火災(zāi)，影響裝置的安全生產(chǎn)，因此無法采用普通彈簧式安全閥；如采用先導(dǎo)式安全閥，安全閥閥座可保持操作壓力低于設(shè)計壓力98%時處于密封狀態(tài)，避免了物料的浪費以及火災(zāi)的發(fā)生，提高了LNG儲罐的壓力操作范圍。

(3)安全閥出口管線背壓較高。LNG儲罐的安全閥直接排往大氣，當(dāng)安全閥出口可燃?xì)怏w著火時會對LNG儲罐的罐頂產(chǎn)生輻射，需不停調(diào)整安全閥尾管高度使輻射強度滿足要求，通常安全閥尾管高度約為10～17 m。由于尾管高度的增加會增加安全閥出口的動背壓，通常情況下安全閥出口背壓超壓設(shè)定壓力的10%，無法采用普通彈簧式安全閥，只能使用先導(dǎo)式安全閥。

(4)安全閥入口管線的阻力降高于3%的設(shè)定壓力的場合。LNG儲罐的特殊結(jié)構(gòu)決定了安全閥入口管線應(yīng)低于吊頂以下位置(如圖1所示)，造成入口管線較長，壓損較大，結(jié)合入口隔離閥、彎頭等管件的壓損，入口總壓損通常約為安全閥設(shè)定壓力的18%～35%左右，遠(yuǎn)高于普通彈簧式安全閥入口壓損小于3%的要求，只應(yīng)采用先導(dǎo)式安全閥。

綜上所述，LNG儲罐的安全閥只應(yīng)采用先導(dǎo)式安全閥。

3 安全閥泄放狀態(tài)流體流型的確定

根據(jù)規(guī)范[5]要求，安全閥泄放過程流體的流動狀態(tài)分為臨界流和亞臨界流類別，判別依據(jù)如公式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

其中：

Pcf：臨界流壓力(kPaG)；

P1：泄放壓力(kPaA)；

P2：安全閥出口背壓(kPaA)；

k：天然氣的絕熱指數(shù)。

如符合公式(2)，則安全閥泄放過程中流體的流動過程為臨界流，否則為亞臨界流。

國內(nèi)外LNG接收站安全閥的設(shè)定壓力基本上同LNG儲罐的設(shè)計壓力相同，有18、20、23、29kPaG等。根據(jù)規(guī)范[14]可知天然氣的絕熱指數(shù)k為約1.31，帶入公式(1)計算并根據(jù)公式(2)可判斷出安全閥泄放流動過程為亞臨界流。亞臨界流流體安全閥的喉徑面積計算公式如公式(3)和公式(4)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

其中：

A：所需的有效排出面積(mm2)；

W：要求通過泄放閥的流量(kg/h)；

F2：亞臨界流動系數(shù)；

Kd：有效排出系數(shù)(供貨商提供)；

Kc：壓力泄放閥上游帶爆破片裝置的組合校正系數(shù)(供貨商提供)；

Z：壓縮系數(shù)；

T：泄放溫度(K)；

M：氣體相對分子質(zhì)量；

Patm：環(huán)境大氣壓力(kPaA)；

P0：安全閥的設(shè)定壓力(kPaG)；

Pr：安全閥的泄放壓力(kPaG)；

P1：上游泄放壓力(kPaA)；

P2：下游背壓(kPaA)；

ΔP1：安全閥主閥入口阻力降(kPa)；

ΔP2：安全閥主閥出口阻力降(kPa)。

4 LNG儲罐安全閥流通量影響因素探討

國內(nèi)外大型LNG儲罐安全閥的型式基本相同，均采用主閥進出口尺寸為12″× 16″的先導(dǎo)式安全閥，通常由泰科(TYCO)、格魯斯(GROTH)等制造廠提供。本文以進出口尺寸為12″× 16″的先導(dǎo)式安全閥為例，從以下4個方面分析影響安全閥流通量的因素。

4.1 先導(dǎo)式安全閥的導(dǎo)閥引壓方式

LNG儲罐先導(dǎo)式安全閥的導(dǎo)閥為普通彈簧式安全閥，如導(dǎo)閥采用本體取壓，主閥泄放時入口總壓損約為安全閥設(shè)定壓力的18%～35%左右，遠(yuǎn)大于導(dǎo)閥入口管線壓損小于3%設(shè)定壓力的要求，否則會造成導(dǎo)閥發(fā)生顫振，進而影響主閥的流通能力，甚至損壞安全閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為了保證LNG儲罐的安全，只能通過降低單閥的泄放量，增加了安全閥的數(shù)量，提高了工程建設(shè)費用和運行維護成本。如采用遠(yuǎn)程取壓，導(dǎo)閥引壓點在LNG儲罐上，則不受安全閥主閥泄放時入口壓損的影響，即能保證導(dǎo)閥準(zhǔn)確感知LNG儲罐的壓力，又不會影響主閥的流通能力。因此LNG儲罐先導(dǎo)式安全閥的導(dǎo)閥引壓方式推薦選用遠(yuǎn)程取壓。

4.2 導(dǎo)閥引壓管的長度及布置

根據(jù)安全閥開啟泄放時導(dǎo)閥內(nèi)流體是否持續(xù)流動，可將先導(dǎo)式安全閥的導(dǎo)閥可分為流動性導(dǎo)閥和非流動性導(dǎo)閥。對于非流動型導(dǎo)閥，在安全閥超壓泄放狀態(tài)下工藝介質(zhì)不會連續(xù)流經(jīng)導(dǎo)閥，故導(dǎo)閥引壓管的阻力降基本為零，不影響彈簧式導(dǎo)閥的性能；對于流動型導(dǎo)閥，在安全閥超壓泄放狀態(tài)下工藝介質(zhì)會連續(xù)流經(jīng)導(dǎo)閥泄放至環(huán)境，由于導(dǎo)閥為彈簧式安全閥，故導(dǎo)閥引壓管的阻力降不應(yīng)大于3%的設(shè)定壓力。根據(jù)安全閥制造商的做法，由于LNG儲罐的壓力較低，先導(dǎo)式安全閥通常采用流動性導(dǎo)閥。對于遠(yuǎn)程取壓流動性導(dǎo)閥的先導(dǎo)式安全閥，安全閥制造商會提供不同直徑引壓管對應(yīng)的最大允許布置長度來滿足入口管線壓損的要求。安全閥導(dǎo)閥同LNG儲罐管口連接時，引壓管的長度和布置應(yīng)嚴(yán)格按照制造商的要求，盡可能降低阻力損失。如導(dǎo)壓管的連接布置無法滿足制造商的最大運行布置長度要求，會影響導(dǎo)閥和主閥的性能，嚴(yán)重時導(dǎo)閥會發(fā)生頻跳，主閥的流通量會降低，就需要增加安全閥的數(shù)目。

4.3 安全閥的設(shè)定壓力

安全閥的設(shè)定壓力通常等于LNG儲罐的設(shè)計壓力，LNG儲罐的設(shè)計壓力越高，安全閥的設(shè)定壓力和泄放壓力越高，單閥的流通量越大。例如對于設(shè)定壓力分別為20kPaG和29kPaG的安全閥，單閥流通量相差約40%。

4.4 安全閥出口管線的排放高度

在實際工程項目中，考慮到安全閥出口著火對LNG儲罐罐頂輻射影響，安全閥出口管線在高點放空，通常安全閥尾管高度約為10～17m，主要受工程站址的總圖布置、風(fēng)向及氣候條件影響。由于尾管高度的增加會增加安全閥出口的動背壓，通常單閥主閥出口管線的約為12%～20%的設(shè)定壓力，較高背壓的存在也會將低主閥的流通能力。

5 結(jié)論

通過闡述LNG儲罐選用先導(dǎo)式安全閥型式的原因以及分型影響安全閥流通量因素的探討，形成以下結(jié)論：

(1)LNG儲罐的超壓安全閥選擇用先導(dǎo)式安全閥。

(2)先導(dǎo)式安全閥應(yīng)采用遠(yuǎn)程取壓，且引壓管長度應(yīng)小于制造商提供的最大允許布置長度，保證導(dǎo)閥引壓管的阻力降不應(yīng)大于3%的設(shè)定壓力。

(3)提高安全閥的設(shè)計壓力，降低安全閥出口管線的排放高度可提高安全閥的流通能力。

[1] 王珊珊，高天喜，黃永剛. 20萬立方米全容式LNG儲罐可實施性研究[J].化工設(shè)計，2014，24(4):24-30.

[2] 賈保印，白改玲. 大氣壓變化對蒸發(fā)氣壓縮機處理能力的影響[J].油氣儲運，2016，35(2):154-157.

[3] BSI.BS EN 1473-2007 Installation and equipment for liquefied natural gas Design of onshore installations[S]. London:[s.n.],2007.

[4] API.API 2000-2014 Venting atmospheric and low-pressure storage tanks[S].Washington D.C:[s.n.],2014.

[5] API.API 521-2014 Pressure-relieving and depressurng systems[S].Washington D.C:[s.n.],2014.

[6] ANSI.NFPA 59A-2013.Standard for the production, storage, and handling of liquefied natural gas (LNG)[S].Washington D.C:[s.n.],2013.

[7] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 51156-2015 液化天然氣接收站工程設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2015.

[8] 周琳琳，劉慶勝. LNG儲罐壓力控制系統(tǒng)設(shè)計[J].石油工程建設(shè)，2016，40(5):39-41.

[9] 劉 浩，周永春. LNG低溫儲罐壓力安全系統(tǒng)設(shè)計[J].化工設(shè)計，2007，17(1): 7-10.

[10] 劉書華. 淺議LNG低溫儲罐安全閥泄放量的確定[J].化工設(shè)計，2011，21(6): 16-17.

[11] 任美鳳，卞潮淵，楊 健. 火災(zāi)工況壓力容器安全泄放量計算公式的探討[J].化工設(shè)計，2006，16(1)：47-49.

[12] 王立敏. 國內(nèi)外LNG行業(yè)的變化與趨勢[J].國際石油經(jīng)濟，2008(12)：57-62.

[13] 顧安忠. 液化天然氣技術(shù)手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012:288-291.

[14] API.API 520-2014 Sizing, Selection, and installation of pressure-relieving devices[S].Washington D.C:[s.n.],2014.

(本文文獻格式：賈保印，紀(jì)明磊，劉禹岑.LNG儲罐安全閥選型探討[J].山東化工,2017,46(5):117-119.)

《石油化工應(yīng)用》2017年征訂啟事

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2017-02-07

賈保印(1983—)，男，山東聊城人，中級工程師，2009年7月畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院，獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)在中國寰球工程公司從事天然氣液化技術(shù)的設(shè)計工作。

TQ055.8

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1008-021X(2017)05-0117-03