液化烴碼頭集液池設計的若干問題探討

曾春雷，梅洛洛，洪雷，胡興喬

（1.交通運輸部水運科學研究院，北京 100088；2.舟山市港航事業發展中心，浙江 舟山 316000；3.中化興中石油轉運（舟山）有限公司，浙江 舟山 316022；4.北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100035）

1 研究背景

我國LNG 碼頭建設至今，已有近20 年的建設工程經驗，大部分工程問題已得到解決[1]。2020年1 月1 日，JTS 158—2019《油氣化工碼頭設計防火規范》實施。該規范第6.1.3 條首次提出液化天然氣和低溫液化烴碼頭應設置緊急泄漏收集池。因此首先要確定的關鍵問題包括[2]：1）集液池容積要設多大；2）集液池設計位置、容積、開口尺寸有何關系，如何確定集液池容積和長寬高。

這些問題，即使在集液池應用較為普遍的液化天然氣碼頭中，依然沒有達成共識[3]。現有的和在建的液化天然氣碼頭，集液池尺寸和容積各不相同[4]。

LNG 碼頭通常靠泊的主力船型為17.4 萬m3，卸料臂主流尺寸為406.4 mm（16"），但不同碼頭的集液池容積差別巨大（集液池最大容積比最小容積多出了36%）。部分碼頭集液池容積差別不大，但開口尺寸差別很大。LNG 碼頭集液池設置位置各有不同，如：設置在工作平臺后沿、靠船墩后沿、系纜墩后沿等處[5]。同時對集液池容積、開口大小、集液池位置設計不同，考慮因素各異。這些問題的確定，可為碼頭結構形式選擇提供依據[6]。

2 國內外研究現狀及研究問題細化

通過調研現有國內外設計建設標準及行業內不同設計院的設計思路，將LNG 碼頭集液池容積設計中，需要考慮的因素歸納如下：

1）GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規范》第B.0.3 條“設置集液池的工藝區域泄漏量，應按某單一泄漏源10 min 內最大可信泄漏量計算”。

2）GB/T 20368—2012《液化天然氣（LNG）生產、儲存和裝運》第5.2.2.2 條“氣化區、工藝區或LNG 轉運區的攔蓄區，最小容積應等于任一事故泄漏源，在10 min 內或在主管部門認可的證明監視和停車規定的更短時間內，可能排放到該攔蓄區的LNG、易燃制冷劑和易燃液體的最大體積”。

3）國外最新規范NFPA59A—2019《Standard for the Production，Storage，and Handing of Liquefied Natural GAS（LNG）》要求口徑大于DN150 的工藝管道的泄漏量計算泄漏口徑取為50 mm。

4）AQ/T 3046—2013《化工企業定量風險評價導則》中給出中孔泄漏的代表口徑為25 mm。

5）卸料臂泄漏時按1 min（ESD 系統在1 min內完成關斷）泄放時間考慮[4]。

6）在計算集液池收集量時，國內某設計院按碼頭第1 道緊急切斷閥關閉后，最大液相管道內殘液全部泄漏進行計算。

從調研結果看，集液池容積計算主要有兩類方法：一類是基于事故情景的泄漏模擬計算。泄漏事故情景主要考慮25 mm 或50 mm 的泄漏口徑、1 min 或10 min 泄漏時長。另外，泄漏量還與泄漏點的液體壓力有關。目前，泄漏點壓力主要考慮0.33 MPa 和0.28 MPa 兩種情景。另一類按照碼頭第1 道緊急切斷閥關閉后，最大液相管道內殘液全部泄漏計算。

在集液池容積確定后，集液池設置位置需滿足GB 50183—2004《石油天然氣工程防火設計規范》第10.3.4 條“熱輻射量達30 000 W/m2界線以內，不得有即使是能耐火且提供熱輻射保護的在用構筑物”的要求。即需要控制集液池池火對碼頭控制室、雨淋閥室、變配電間及機柜間的熱輻射影響[7]。另外，根據工程經驗，集液池開口尺寸對池火熱輻射覆蓋范圍影響大。有必要深入探討集液池設置位置（與碼頭控制室的安全距離）與集液池開口尺寸之間的制約關系。

3 研究思路

通過上述分析，給出集液池容積設計的兩條路線：1）基于事故情景下泄漏量模擬計算路線（簡稱“路線一”）。即對各可能泄漏口徑、泄漏時長、泄漏點壓力進行窮舉計算泄漏量值。2）基于最大液相管內殘液量計算路線（簡稱“路線二”），即對各碼頭第一道緊急切斷閥設置位置、液相管尺寸進行窮舉計算液相管道內的殘液量。具體技術路線見圖1。

圖1 集液池容積研究的技術路線圖Fig.1 Technical roadmap for volume study of impounding basin

為研究集液池設置位置與開口尺寸之間的制約關系，給出技術路線見圖2。通過窮舉所有可能的集液池尺寸，并計算其對應的熱輻射范圍，最后通過對比分析選出合理可行的開口尺寸。以上兩技術路線中，泄漏量、集液池熱輻射計算，需要運用模擬軟件迭代試算求解。

圖2 集液池開口尺寸與設置位置研究的技術路線圖Fig.2 Technical roadmap for study on opening size and position of impounding basin

4 算例驗證

以某港LNG 碼頭為例。該碼頭設計主力船型為17.5 萬m3船舶，可靠泊8 萬～26.6 萬m3船舶，泊位長為395 m，采用蝶形布置。卸料臂尺寸為406.4 mm（16"），碼頭卸料臂處泄漏壓力考慮0.33 MPa 和0.28 MPa 兩種。建設方案中卸料總管考慮3 種常用尺寸965.2 mm（38"），1 016 mm（40"），1 066.8 mm（42"）；第一道緊急切斷閥位置（與卸料臂接口距離）考慮比選3 種情況30 m、40 m、50 m。集液池開口尺寸（長×寬）考慮比選常見的3 種方案5 m×5 m，6 m×6 m，8 m×5 m。

集液池容積研究迭代試算的方案歸納見表1。

表1 集液池容積研究中需要迭代試算的方案Table 1 Iterative trial scheme in volume study of impounding basin

集液池開口尺寸與位置研究中，集液池開口尺寸按5 m×5 m，6 m×6 m，8 m×5 m 進行迭代試算。

本文選用TNO ETTECTS 軟件進行計算。該軟件成熟，結果可視化程度高[8-11]。

4.1 模型計算結果

運用TNO ETTECTS 軟件，對表1 中路線一的試算方案進行泄漏量計算，結果見表2。

表2 采用路線一的泄漏量計算結果Table 2 Result of leakage calculation of Route I

對表1 中路線二的試算方案進行液相管道內殘液量計算，計算結果見表3。

表3 采用路線二的液相管道內殘液量計算結果Table 3 Calculation result of residual liquid volume in liquid product pipeline of Route Ⅱ

運用TNO ETTECTS 軟件，對不同集液池開口尺寸試算方案進行熱輻射計算，結果見表4。

表4 集液池開口尺寸試算方案的熱輻射計算結果Table 4 Thermal radiation calculation results of trial calculation of opening size of impounding basin

4.2 計算結果分析

表2 和表3 計算出了集液池需要收集的LNG 量。進一步，根據中國石油企業標準Q/SY 06043—2021《液化天然氣泄漏收集系統設計技術指南》要求，集液池容積還需考慮1 h 最大降雨量和1 m深高倍數泡沫量。經統計，該地區小時最大降雨量為7.93 mm。

分析表2 可知，泄漏口徑考慮25 mm 時，各種方案下的LNG 泄漏量加上小時最大降雨量和1 m 深高倍數泡沫量，均遠小于LNG 碼頭集液池常規設計容積。泄漏口徑按25 mm 考慮，計算出的泄漏量偏小，得不到工程可接受結果。

分析表2 可知，泄漏口徑考慮50 mm、泄漏時長考慮1 min 時，各方案下的LNG 泄漏量加上小時最大降雨量和1 m 深高倍數泡沫量，均遠小于LNG 碼頭集液池常規設計容積。泄漏口徑考慮50 mm、泄漏時長考慮1 min 時，計算出的泄漏量偏小，得不到工程可接受結果。

分析表2 可知，泄漏口徑考慮50 mm、泄漏時長考慮10 min 時，不同泄漏點壓力條件下，泄漏量計算結果相差不大，且接近LNG 碼頭集液池常規設計容積（表1），各試算方案計算結果均可滿足工程要求。

分析表3 可知，卸料液相總管尺寸不同、第一道緊急切斷閥位置不同，液相管道內殘液量不同。其加上小時最大降雨量和1 m 深高倍數泡沫量均不超過LNG 碼頭集液池常規設計容積（表1），均可滿足工程要求。

進一步分析表3 可知，第一道緊急切斷閥設置位置很大程度上影響液相管道內殘液量計算結果。對比表2（技術路線一），表3（技術路線二）計算結果差異較大。故針對集液池容積計算，本研究推薦采用如下泄漏場景：泄漏口徑取50 mm、泄漏時長取10 min、泄漏點壓力取0.33 MPa。

分析表4 可知，集液池開口尺寸對池火熱輻射覆蓋范圍的影響較大。開口尺寸越大熱輻射影響范圍越大。當熱輻射覆蓋范圍接近或超過碼頭控制室等時，該集液池設置位置或集液池開口尺寸不可接受，需要調整位置或開口尺寸。因此，集液池設置位置（與碼頭控制室等的距離）、開口尺寸是2 個耦合變量，設計時需要統籌考慮。

5 結語

本文針對碼頭集液池容積、開口尺寸、設置位置的設計難題開展研究。結合國內外標準規范及不同設計人員的做法，給出了對比研究的技術路線和求解方法。結合現有工程實踐經驗得出如下結論：

1）針對集液池容積計算，本研究推薦采用的泄漏場景為：泄漏口徑取50 mm、泄漏時長取10 min、泄漏點壓力取0.33 MPa。

2）集液池設置位置（與碼頭控制室等的距離）、開口尺寸是2 個耦合變量，設計時需要統籌考慮。

通過對工程實踐案例的剖析，驗證了本研究路線和方法的可行性，為國內其他液化烴碼頭集液池設計提供有益的借鑒和參考。