影響LNG儲罐吊頂通氣孔尺寸的工況分析

賈保印 徐 坤 趙甲遞

中國寰球工程有限公司北京分公司, 北京 100012

0 前言

大型LNG儲罐通常采用吊頂結構,為了平衡吊頂上下氣相空間的壓力,需在吊頂上設置通氣孔。典型LNG儲罐(FCCR)通氣孔結構見圖1～2。國內外在大型低溫LNG儲罐設計建造方面已制定了專門的規范或標準,其中規范GB/T 26978-2011《現場組裝立式圓筒平底鋼質液化天然氣儲罐的設計與建造》[4]和EN 14620-2006 Design and Manufacture of Site Built,Vertical,Cylindrical,Flat-bottomed Steel Tanks for the Storage of Liquefied Natural Gases with Operating Temperatures Between 0 ℃and -165 ℃[5]中規定,吊頂通氣口的設置應使吊頂上下空間之間的壓差產生的作用力不超過吊頂的重量,以免吊頂被舉升。另外,在BS 7777-1993 Flat-bottomed,Vertical,Cylindrical Storage Tanks for Low Temperature Service[6]中規定,吊頂通氣口的設置應避免兩側壓差大于0.241 kPa,通常計算吊頂通氣孔尺寸時應同時滿足以上標準要求。設計人員需對影響LNG儲罐吊頂通氣孔尺寸選取的因素進行綜合考慮,保證LNG儲罐吊頂上下側的壓力平衡,避免LNG儲罐內部吊頂結構因壓力不平衡而造成損害。本文將分析LNG儲罐超壓、欠壓和吊頂自重等多種因素對吊頂通氣孔尺寸選取的影響,提高設計人員對通氣孔尺寸選取需考慮因素的認識。

1 超壓工況分析

當LNG儲罐施工建設完成后,需進行壓力試驗、氮氣干燥和置換、儲罐預冷、建立液位等投運工作后才能正常使用。在上述過程中可能引起LNG儲罐超壓的工況主要有氮氣干燥和置換、卸船、火災、翻滾及真空補氣閥誤開等,本文以開車階段氮氣干燥和置換、翻滾兩個工況為例,詳細分析超壓工況對吊頂通氣孔尺寸選取的影響。超壓工況下LNG儲罐(FCCR)內氮氣流向見圖1。

圖1 超壓工況下LNG儲罐(FCCR)內氮氣流向圖

1.1 開車階段氮氣干燥和置換工況

LNG儲罐建造完畢后在投運前需對LNG儲罐進行氮氣干燥和置換,將LNG儲罐中的水露點和氧含量降低至一定水平。如水露點過高,水滴及水蒸氣將吸收LNG冷能而結冰,進而導致工藝管道和閥門堵塞,甚至造成罐內泵等重要設備損壞,影響接收站正常運行;若氧氣置換不徹底,罐內氧含量過高,天然氣易與罐內可燃介質形成爆炸混合物,存在安全隱患。因此在投入運行前對全容罐進行氮氣干燥和置換是十分必要的,以保證氣相空間的氧含量、水露點降低至安全水平[7],通常LNG儲罐氮氣干燥和置換指標要求見表1。

通常一座16×104m3的LNG儲罐完成氮氣干燥和置換需耗費氮氣1 400 t,而LNG站內的制氮系統生產能力有限,無法滿足LNG儲罐氮氣干燥和置換用量,只能通過液氮槽車外購。將外購LNG儲存至現場臨時LNG儲罐,通過現場的臨時空溫氣化器氣化,通過氮氣管線輸送至LNG儲罐,與LNG儲罐中已有的空氣和水蒸氣混合,混合氣體由下至上穿過吊頂,進入穹頂空間頂部的放空管口放空至大氣中。超壓工況下LNG儲罐(FCCR)吊頂通氣孔氮氣流向示意圖見圖2。

表1工程項目LNG儲罐氮氣干燥和置換指標要求

儲罐氣相空間水露點/℃氧含量φ/(%)內罐-202環隙-102

圖2 超壓工況下LNG儲罐(FCCR)吊頂通氣孔氮氣流向示意圖

來自液氮儲罐的液氮,經臨時空溫氣化器氣化后的氮氣操作壓力約為0.5 MPa,在儲罐干燥吹掃過程中如LNG儲罐吊頂通氣孔尺寸較小,氮氣就會在LNG儲罐內罐集聚,致使LNG儲罐吊頂下部氣相空間壓力高于吊頂上部氣相空間壓力,當兩側壓差高于0.241 kPa時,就會違背規范要求,此時通氣孔尺寸是不可接受的,需調整通氣孔尺寸直至兩側壓差小于0.241 kPa。

1.2 翻滾工況

LNG接收站卸載LNG時因卸船泵做功、體積置換、LNG儲罐吸熱等因素,在注入LNG儲罐時會發生閃蒸,閃蒸出大量的天然氣蒸發氣(以下稱“BOG”)。已有大量文獻對LNG儲罐BOG產生原因及處理量進行了詳細研究[8-13]。BOG存在于LNG儲罐中的氣相部分,隨著BOG量的增多,LNG儲罐的壓力會不斷升高,而對于大型LNG儲罐,翻滾工況下BOG產生量最大。1971年意大利La Spezia SNAM項目LNG儲罐在充裝完畢后18 h發生翻滾事故。儲罐最高壓力沖至94.7 kPa,通過安全閥等正常的放散途徑高速排放,直至槽內壓力下降至 24 kPa 時恢復正常[14]。國內外科研院所和工程公司已對LNG儲罐的翻滾進行了大量研究[15-19],由于研究的基礎條件如LNG的組成、儲罐容積及形式、翻滾原因等不同,均沒有明確得出翻滾發生時LNG儲罐產生BOG的處理量。工程設計中通常采用規范EN 1473-2016 Installation and Equipment for Liquefied Natural Gas—Design of Onshore Installations[20]的規定:LNG儲罐發生翻滾產生的BOG量為正常日蒸發產生BOG量的100倍,此時BOG氣體將通過LNG儲罐罐頂安全泄壓系統排放。

當LNG儲罐發生翻滾時,LNG儲罐內罐的壓力急劇增加,在LNG儲罐的先導式安全閥開啟前翻滾產生的大量BOG會在極短時間內通過吊頂通氣孔進入LNG儲罐的拱頂空間,直至LNG儲罐拱頂空間和內罐空間的壓力達到先導式安全閥的設定壓力,安全閥開啟并泄放超壓氣體。翻滾工況下通過通氣孔的氣體流量可按照正常BOG產生量的100倍考慮。

1.3 通氣孔尺寸的選取

吊頂通氣孔的高度由吊頂頂部保冷材料厚度確定,而通氣孔尺寸通常由多次試差來確定,主要計算步驟如下:

1)先假定吊頂通氣孔的尺寸,根據不同超壓工況下超壓介質實際體積流量分別計算出氣體流經通氣孔的流速,并計算出流經吊頂通氣孔時的阻力損失,流體阻力損失計算公式采用成熟商業軟件HYSYS中PIPE阻力計算模型,如Beggs & Brill模型。如阻力損失高于0.241 kPa,需增大通氣孔尺寸;如阻力損失小于0.241 kPa,需縮小通氣孔尺寸,直至氣體流經吊頂通氣孔的阻力低于0.241 kPa。

2)分別計算氮氣干燥和置換、卸船、火災、翻滾及真空補氣閥誤開等超壓工況的流量和流體物性,利用流體阻力計算公式得出各個工況所需的通氣孔尺寸,選取較大值作為超壓工況下的通氣孔尺寸,并以此數據進行吊頂自重的校核。

1.4 吊頂自重的校核

吊頂自重包括吊頂本體鋁板、保冷材料、各種管線套管等附件的重量,根據規范規定[4-6]:吊頂通氣口的設置應使吊頂上下空間之間的壓差產生的作用力不超過吊頂的重量,以免吊頂被舉升,因此需核算吊頂自重折合上下壓差Δpa,如壓差Δpa大于0.241 kPa,則吊頂不會被舉升;如壓差Δpa小于0.241 kPa,則吊頂會被舉升,此時按照Δpa重新進行吊頂通氣孔尺寸的計算。

吊頂是由吊頂本體鋁板和吊頂上保冷材料等組成,因此吊頂重量m為吊頂本體鋁板重量m1和吊頂上面玻璃纖維的重量m2之和,即m=m1+m2。

吊頂截面積A可由LNG儲罐半徑r計算得到,即A=π×r2。

2 欠壓工況分析

當低壓LNG泵、BOG壓縮機運行時,會導致LNG儲罐中的液相空間和氣相空間物料減少,LNG儲罐壓力降低;環境大氣壓升高也會導致LNG儲罐壓力降低,為避免欠壓對LNG儲罐安全性的影響,通常在LNG儲罐外罐設置真空安全閥。真空安全閥的設計體積流量應大于所運行LNG泵和BOG壓縮機的實際體積流量之和。當真空安全閥開啟時,空氣進入LNG儲罐的拱頂空間,沿著通氣孔自上而下由拱頂空間進入內罐空間,維持LNG儲罐的壓力穩定,避免設備損壞,見圖3～4。

將真空安全閥的額定流量、壓力、內罐操作溫度等參數輸入HYSYS中,借助PIPE阻力計算模型(Beggs & Brill)計算流體阻力,通過不斷試差得出可接受壓差下的通氣孔尺寸,并與超壓工況下選取的通氣孔尺寸進行比較,選取較大值即可作為該LNG儲罐的吊頂通氣孔尺寸。

圖3 欠壓工況下LNG儲罐(FCCR)氣體流向圖

圖4 欠壓工況下LNG儲罐(FCCR)吊頂通氣孔流體流向示意圖

3 結論

為了平衡大型LNG儲罐吊頂上下氣相空間的壓力,需在吊頂上設置通氣孔。分析表明:LNG儲罐施工、壓力試驗、氮氣干燥和置換、運行操作等生命周期的不同階段均可能引起LNG儲罐超壓和欠壓,進而影響通氣孔尺寸的選取,因此LNG儲罐吊頂通氣孔尺寸的選取應綜合考慮超壓、欠壓和吊頂自重等各種工況,取各種工況計算的最大值作為通氣孔的尺寸。

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