LNG儲罐液位及泄放設計

陳銳瑩，姜夏雪，張 晨，安東雨，衣 鵬

(中海石油氣電集團，北京 100028)

LNG儲罐的主要功能是接卸及儲存由LNG運輸船運來的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建造LNG全容儲罐。其基本結構是，內罐頂部為開放式結構，材料為9%Ni；內罐頂部吊頂材質為鋁合金板，與罐頂下方拉桿連接。混凝土外罐由鋼筋混凝土承臺、后張拉式混凝土罐壁、鋼筋混凝土罐頂組成，罐底承臺與罐壁、罐壁與罐頂均采用剛性連接。儲罐基礎為高架空樁基礎結構。內外罐間的環(huán)狀空間和懸掛的內吊頂均使用絕熱材料進行保冷。為確保儲罐的安全性，所有穿過儲罐氣體密封面的管道均位于罐頂，以減少內罐發(fā)生嚴重泄露的風險；在罐底設有架空式支撐平臺，以防止基礎或土壤凍結現(xiàn)象的發(fā)生。

其大致工藝是，每座儲罐上均配備兩條進料管線，分別將LNG送到內罐頂部和底部。進料模式取決于儲存及卸料的LNG規(guī)格。儲罐內LNG外輸是通過低壓泵進行的。低壓泵安裝在儲罐泵井內，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，保持儲罐壓力的平衡。

1 液位計算

儲罐液位是一個關鍵參數(shù)，可以通過其的計算初步確定內罐的高度，可以通過其的控制防止儲罐過量進料。根據(jù)規(guī)范GB51156的要求儲罐“從最高操作液位上升至高高液位的時間不宜小于10 min，達到高高液位時應聯(lián)鎖關閉入口閥門”[1]。規(guī)范中只規(guī)定了高高液位的要求，并未對低低液位設計給出規(guī)定，因此在儲罐液位設計中還應結合罐內低壓泵的情況進行設計，具體原則如下：

不可操作液位(LALLL)應綜合考慮低壓泵的氣蝕余量以及儲罐罐底的不可操作區(qū)域來進行設定；外輸關停液位(LALL)為在LALLL的基礎上考慮進行5 min的最大外輸后，儲罐下降的液位；最小操作液位(LAL)為在LALL的基礎上考慮進行10 min的最大外輸后，儲罐下降的液位；最大操作液位(LAH)為在LAL的基礎上考慮儲罐的凈容積進行設定；進料關停液位(LAHH)為在LAH的基礎上考慮進行10 min的最大進料后，儲罐上升的液位；最大設計液位(LAHHH)為在LAHH的基礎上考慮進行5 min的最大進料后，儲罐上升的液位。

圖1 液位計算的示意圖

2 泄放計算

高壓或低壓都可能對任意設備或系統(tǒng)造成嚴重損害。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導致整個終端處于極度危險的狀態(tài)。因此，終端的安全操作只有靠對生產(chǎn)狀況進行時時監(jiān)控，防止危險條件的產(chǎn)生，才能保證設備和系統(tǒng)一直處于正常運行狀態(tài)。

終端操作的基本原則是“無名火”，因此，可燃氣體只有在處于下列情況時才允許釋放：1)引發(fā)嚴重危險工況；2)主要設備進行試車、維修或停運。

因此在進行壓力泄放系統(tǒng)設計時[2]，應考慮極端工況所產(chǎn)生的最大泄放量。

2.1 壓力安全閥(PSV)計算

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

假設一：充裝時置換及閃蒸，以及泵冷循環(huán)帶入的熱量；

假設二：大氣壓降低，以及控制閥失靈；

假設三：翻滾，以及泵冷循環(huán)帶入的熱量。

其它特殊工況的組合，例如外部火災的組合工況不予考慮，主要是因為這些工況發(fā)生的概率很低，且相互獨立。

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

2.2 真空安全閥(VSV)計算

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

假設：大氣壓升高，泵抽出最大流量，以及蒸發(fā)氣壓縮機抽出最大流量。

同時，VSV在設計流量應考慮空氣進入儲罐后，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)生熱膨脹進而出現(xiàn)超壓，可利用TSV，對系統(tǒng)進行超壓保護。

TSV不需要設置維修備用閥，因為在其維修工作進行時，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，其設定壓力值應確保，被保護管道系統(tǒng)內最低標高的管段不會超壓。

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

3 結論

LNG儲罐的設計壓力為-1～29 kPaG，設計溫度為-165℃，因此在LNG儲罐工藝設計時，液位及泄放系統(tǒng)設計是非常關鍵的。根據(jù)上述確定的設計方法，可以確定LNG儲罐液位設定點，可以計算LNG儲罐的泄放量及吸入量，配置相應的PSV、VSV和TSV來對其進行壓力安全保護。