LNG加氣站中儲(chǔ)罐安全閥主要泄放情況分析及泄放面積計(jì)算

范仲輝，邱國(guó)洪，錢(qián)紅華

LNG加氣站中儲(chǔ)罐安全閥主要泄放情況分析及泄放面積計(jì)算

范仲輝，邱國(guó)洪，錢(qián)紅華

（張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司， 江蘇 張家港 215600）

基于出口歐洲的無(wú)人值守LNG加氣站，分析加氣站不同運(yùn)營(yíng)模式下可能出現(xiàn)的不同情況，以及LNG儲(chǔ)罐上安全閥會(huì)產(chǎn)生泄放的主要情況及其泄放面積計(jì)算。

LNG加氣站；儲(chǔ)罐安全閥；泄放情況；泄放面積

隨著近年來(lái)全球各地設(shè)備安全事故頻發(fā)，安全第一的理念正成為全球制造商們擺在第一位的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。LNG儲(chǔ)罐作為L(zhǎng)NG加氣站中的關(guān)鍵設(shè)備，其安全閥是否能滿(mǎn)足，加氣站在各運(yùn)行工況下出現(xiàn)各種情況的泄放量要求，尤為重要。本套加氣站產(chǎn)品出口歐洲，整站按ASME設(shè)計(jì)，同時(shí)需要滿(mǎn)足CE的PED(承壓設(shè)備指令)。整站無(wú)人值守，天然氣零排放。安全閥選型不僅僅是越大越好，也需要考慮歐洲無(wú)人值守站運(yùn)行情況，基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)，選取合適型號(hào)，優(yōu)化項(xiàng)目成本。

LNG加氣站運(yùn)行過(guò)程中，主要考慮出現(xiàn)整站斷電、儀表風(fēng)系統(tǒng)失效、緊急切斷閥意外地開(kāi)或者關(guān)、火災(zāi)、儲(chǔ)罐真空失效等現(xiàn)象。

1 整站斷電

整站斷電時(shí)，整站設(shè)計(jì)成進(jìn)入失效安全模式，會(huì)出現(xiàn)泵停止、所有緊急切斷閥關(guān)閉、BOG管理系統(tǒng)（LIN冷凝系統(tǒng)）停止、調(diào)飽和停止。

基于以上描述，LNG儲(chǔ)罐與卸車(chē)撬及客戶(hù)氣瓶隔離，不會(huì)有來(lái)自其他系統(tǒng)的介質(zhì)回流到LNG儲(chǔ)罐中。該情況可認(rèn)為不會(huì)導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐安全閥泄放。

2 儀表風(fēng)系統(tǒng)失效

儀表風(fēng)系統(tǒng)失效時(shí)，整站會(huì)出現(xiàn)所有緊急切斷閥關(guān)閉、BOG管理系統(tǒng)停止、調(diào)飽和停止。

根據(jù)整站斷電的分析，該情況可認(rèn)為不會(huì)導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐安全閥泄放。

3 緊急切斷閥意外地開(kāi)或者關(guān)

3.1 待機(jī)模式

該模式下，LNG加氣站整體處于非運(yùn)行狀態(tài)，緊急切斷閥的開(kāi)或者關(guān)，不會(huì)影響到LNG儲(chǔ)罐狀態(tài)，或者至多使LNG儲(chǔ)罐與其他設(shè)備隔離，根據(jù)整站斷電的分析，該情況可認(rèn)為不會(huì)導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐安全閥泄放。

3.2 加液模式

1）泵池出液管線上的或者加氣機(jī)中加液管線上的緊急切斷閥在加液模式中均處于開(kāi)啟狀態(tài)，如果這些閥門(mén)被意外關(guān)閉，泵會(huì)進(jìn)入死區(qū)。由泵電機(jī)散發(fā)出來(lái)的熱量進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐，導(dǎo)致其升壓。

根據(jù)EN13648-3中章節(jié)4［1］，泄放壓力小于臨界壓力crit的40%時(shí)，儲(chǔ)罐的安全泄放量m1按以下公式計(jì)算：

m1= 3.6×/

式中:—泄放條件下低溫液體的氣化潛熱；

—泵熱功率，電機(jī)功率。

2）其他管線的緊急切斷閥的開(kāi)或者關(guān)，不會(huì)影響到LNG儲(chǔ)罐狀態(tài)，或者至多使LNG儲(chǔ)罐與其他設(shè)備隔離，根據(jù)整站斷電的分析，該情況可認(rèn)為不會(huì)導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐安全閥泄放。

3.3 循環(huán)模式

1）泵池出液管線上的或者加氣機(jī)中加液管線上的緊急切斷閥在加液模式中均處于開(kāi)啟狀態(tài)，如果這些閥門(mén)被意外關(guān)閉，泵會(huì)進(jìn)入死區(qū)。由泵電機(jī)散發(fā)出來(lái)的熱量進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐，導(dǎo)致其升壓。

計(jì)算過(guò)程參考3.2.1，得出該情況下儲(chǔ)罐的安全泄放量m1。

2）其他管線的緊急切斷閥的開(kāi)或者關(guān)，不會(huì)影響到LNG儲(chǔ)罐狀態(tài)，或者至多使LNG儲(chǔ)罐與其他設(shè)備隔離，根據(jù)整站斷電的分析，該情況可認(rèn)為不會(huì)導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐安全閥泄放。

3.4 卸車(chē)模式

1）槽車(chē)卸車(chē)過(guò)程中，液體過(guò)充是可能發(fā)生的情況。如果卸車(chē)撬中泄液管線上兩個(gè)緊急切斷閥保持開(kāi)啟狀態(tài)，則會(huì)導(dǎo)致放散管線會(huì)排出液體。為控制液體排出，設(shè)置了自動(dòng)液位控制和SIL 3過(guò)充保護(hù)，降低了達(dá)到高高液位的風(fēng)險(xiǎn)。也就是說(shuō)，整站中所安裝的過(guò)充保護(hù)，可以降低過(guò)充風(fēng)險(xiǎn)。即使過(guò)充保護(hù)失效，也可以通過(guò)安全閥來(lái)泄放來(lái)自槽車(chē)泵的介質(zhì)，將儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力限制在水壓試驗(yàn)壓力以下。

泄放量、質(zhì)量流量mL1按以下公式計(jì)算：

mL1=×

式中:—槽車(chē)泵流量；

—在槽車(chē)泵流量下，及卸車(chē)壓力下的LNG密度。

2）其他緊急切斷閥的開(kāi)或者關(guān)，不會(huì)影響到LNG儲(chǔ)罐狀態(tài)，或者至多使LNG儲(chǔ)罐與其他設(shè)備隔離，根據(jù)整站斷電的分析，該情況可認(rèn)為不會(huì)導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐安全閥泄放。

3.5 調(diào)飽和模式

1）泵池出液管線上的或者加氣機(jī)中加液管線上的緊急切斷閥在調(diào)飽和模式中均處于開(kāi)啟狀態(tài)，如果這些閥門(mén)被意外關(guān)閉，泵會(huì)進(jìn)入死區(qū)。由泵電機(jī)散發(fā)出來(lái)的熱量進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐，導(dǎo)致其升壓。計(jì)算參考3.2.1，得出該情況下，儲(chǔ)罐的安全泄放量m1。

2）其他管線的緊急切斷閥的開(kāi)或者關(guān)，不會(huì)影響到LNG儲(chǔ)罐狀態(tài)，或者至多使LNG儲(chǔ)罐與其他設(shè)備隔離，根據(jù)整站斷電的分析，該情況可認(rèn)為不會(huì)導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐安全閥泄放。

3.6 降壓模式

LNG儲(chǔ)罐氣相空間需要降壓時(shí)，LIN冷凝盤(pán)管入口的緊急切斷閥、出口的流量調(diào)節(jié)閥均處于開(kāi)啟狀態(tài)。

如果這些閥門(mén)意外關(guān)閉，由于儲(chǔ)罐正常吸熱，最終可能導(dǎo)致其超壓。儲(chǔ)罐的蒸發(fā)性能m2按以下公式計(jì)算：

m2=mP+mT

式中:mp—真空絕熱管道的蒸發(fā)性能；

mT—儲(chǔ)罐的蒸發(fā)性能，=V××；

n—LNG儲(chǔ)罐有效容積；

—LNG儲(chǔ)罐蒸發(fā)率；

—對(duì)應(yīng)工作壓力的介質(zhì)調(diào)飽和密度。

圖1 降壓模式流程圖

4 火災(zāi)伴隨真空失效

4.1 通過(guò)容器壁單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量

1）火災(zāi)情況下，絕熱系統(tǒng)保持全部或部分完好。根據(jù)EN13648-3 章節(jié) 3.3.1.1［1］，泄放量5按以下公式計(jì)算：

5=2.6×(922 -)×5×∑0.82

式中:—對(duì)于亞臨界液體，為液體在壓力下的飽和溫度；

5—火災(zāi)情況下，絕熱系統(tǒng)部分或全部完好，該絕熱系統(tǒng)的整體熱傳導(dǎo)系數(shù)；

∑—火災(zāi)情況下，剩余完好的絕熱材料的平均表面積。

2）火災(zāi)情況下，絕熱系統(tǒng)完全損壞。根據(jù)EN13648-3 章節(jié) 3.3.1.2［1］，泄放量6按以下公式計(jì)算：

6= 7.1×104×0.82

式中：—內(nèi)容器的整體外表面積。

4.2 儲(chǔ)罐的安全泄放量

根據(jù)EN13648-3［1］，火災(zāi)溫度為649 ℃。多層絕熱材料融化溫度為660 ℃。由于碳鋼融化溫度≥1 300 ℃，碳鋼外殼保持完好。火災(zāi)情況下，外殼溫度為640 ℃，而泄放情況下，內(nèi)容器溫度大約為-117 ℃。內(nèi)、外容器夾層空間多層絕熱材料的溫度梯度為-117 ℃ 至 649 ℃。因此，火災(zāi)情況下泄放量按絕熱系統(tǒng)全部或部分完好來(lái)計(jì)算。

根據(jù)EN13648-3章節(jié) 4［1］，泄放壓力小于臨界壓力crit的40%，儲(chǔ)罐的安全泄放量m3按以下公式計(jì)算：

m3= 3.6×/。

式中：=5；

—泄放條件下，低溫液體的氣化潛熱。

5 儲(chǔ)罐真空失效

真空失效時(shí)，儲(chǔ)罐由于吸收環(huán)境熱量，其壓力上升。

5.1 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)絕熱材料吸入的熱量

根據(jù)EN13648-3 章節(jié) 3.2.2［1］，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)絕熱材料吸入的熱量W7按以下公式計(jì)算：

7=(a-)×7×。

式中:a—除火災(zāi)外的條件下，最高環(huán)境溫度；

柱面坐標(biāo)系中的三個(gè)坐標(biāo)面分別為：以z軸為中心軸的圓柱面(r為常數(shù))，過(guò) z軸的半平面(θ為常數(shù))，與 xOy面平行的平面(z為常數(shù)).

—對(duì)于亞臨界液體，為液體在壓力下的飽和溫度；

7—大氣壓力下絕熱材料整體熱傳導(dǎo)系數(shù)；

—容器絕熱材料的內(nèi)、外表面積的算術(shù)平均值。

5.2 夾層支撐和管道在單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量

根據(jù)EN13648-3 章節(jié) 3.2.3［1］，夾層空間內(nèi)支撐和管道在單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量W8按以下公式計(jì)算：

8=(a-)×(1+2+3+4+……+w)

式中：W—支撐或管道在單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量，W=λ×S/L；

a—除火災(zāi)外的條件下，最高環(huán)境溫度；

—對(duì)于亞臨界液體，為液體在壓力下的飽和溫度；

λ—在和a之間，夾層支撐或夾層管道材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)；

S—夾層支撐或夾層管道的截面積；

L—夾層支撐或夾層管道的長(zhǎng)度。

除火災(zāi)情況，整體傳輸?shù)臒崃縯=7+8。

根據(jù)EN13648-3章節(jié) 4［1］，泄放壓力小于臨界壓力crit的40%，儲(chǔ)罐真空失效的安全泄放量m4按以下公式計(jì)算：

m4= 3.6×/。

式中：=t；

—泄放條件下，低溫液體的氣化潛熱。

6 安全閥尺寸計(jì)算

6.1 排氣情況下的安全閥尺寸計(jì)算

根據(jù)ISO 4126-7 章節(jié) 5.2［2］，

出現(xiàn)臨界介質(zhì)流。

式中：—泄放壓力和溫度下的氣體絕熱指數(shù)；

b—安全閥背壓；

o—安全閥泄放壓力。

根據(jù)ISO 4126-7 章節(jié) 6.3.1［2］，安全閥泄放面積A按以下公式計(jì)算：

式中:m—最大質(zhì)量流量，m1、m2、m3、m4中的最大值；

—?dú)怏w特性系數(shù);

dr—安全閥氣體排放系數(shù)；

o—泄放壓力和溫度下的比容。

6.2 排液情況下的安全閥尺寸計(jì)算

根據(jù)ISO 4126-7 章節(jié) 6.3.1［2］，安全閥泄放面積A按以下公式計(jì)算：

根據(jù)供應(yīng)商提供的安全閥喉徑，得出安全閥實(shí)際泄放面積。對(duì)比上述排氣和排液所需的泄放面積，判定當(dāng)前所選安全閥是否滿(mǎn)足要求。

7 結(jié) 論

安全閥是LNG加氣站安全運(yùn)行的關(guān)鍵裝置，通過(guò)分析LNG加氣站不同運(yùn)行模式下可能出現(xiàn)的多種意外情況，計(jì)算出所需的安全閥泄放面積，進(jìn)而選出合適的安全閥。既滿(mǎn)足了實(shí)際使用需求，也避免了太過(guò)保守考慮而導(dǎo)致安全閥選型過(guò)大，造成項(xiàng)目成本不必要浪費(fèi)。

［1］EN 13648-3 Cryogenic vessels Safety devices for protection against excessive pressure Part 3: Determination for required discharge Capacity and sizing. European Committee for Standardization. ICS 23.020.40. EN 13648-3:2002 E.

［2］ISO 4126-7 Safety devices for protection against excessive pressure— Part 7: Common data. ISO 2013.

Main Relief Case Analysis and Relief Area Calculation of Tank PSV in LNG Fueling Stations

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（Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Zhangjiagang Jiangsu 215600, China）

Aiming at un-manned operation LNG fueling station exported to European, possible different cases during different modes were analyzed. The major cases causing PSV relief were discussed, as well asPSV relief area calculation.

LNG fueling station; Tank PSV; Relief case; Relief area

2020-07-15

范仲輝（1988-），男，工程師，江蘇省張家港市人，2011年畢業(yè)于南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，研究方向：低溫壓力密閉容器及LNG加氣站設(shè)計(jì)。

TQ 056

A

1004-0935（2020）11-1386-04