贾保印 徐 坤 赵甲递

中国寰球工程有限公司北京分公司, 北京 100012

0 前言

大型LNG储罐通常采用吊顶结构,为了平衡吊顶上下气相空间的压力,需在吊顶上设置通气孔。典型LNG储罐(FCCR)通气孔结构见图1～2。国内外在大型低温LNG储罐设计建造方面已制定了专门的规范或标准,其中规范GB/T 26978-2011《现场组装立式圆筒平底钢质液化天然气储罐的设计与建造》[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]中规定,吊顶通气口的设置应使吊顶上下空间之间的压差产生的作用力不超过吊顶的重量,以免吊顶被举升。另外,在BS 7777-1993 Flat-bottomed,Vertical,Cylindrical Storage Tanks for Low Temperature Service[6]中规定,吊顶通气口的设置应避免两侧压差大于0.241 kPa,通常计算吊顶通气孔尺寸时应同时满足以上标准要求。设计人员需对影响LNG储罐吊顶通气孔尺寸选取的因素进行综合考虑,保证LNG储罐吊顶上下侧的压力平衡,避免LNG储罐内部吊顶结构因压力不平衡而造成损害。本文将分析LNG储罐超压、欠压和吊顶自重等多种因素对吊顶通气孔尺寸选取的影响,提高设计人员对通气孔尺寸选取需考虑因素的认识。

1 超压工况分析

当LNG储罐施工建设完成后,需进行压力试验、氮气干燥和置换、储罐预冷、建立液位等投运工作后才能正常使用。在上述过程中可能引起LNG储罐超压的工况主要有氮气干燥和置换、卸船、火灾、翻滚及真空补气阀误开等,本文以开车阶段氮气干燥和置换、翻滚两个工况为例,详细分析超压工况对吊顶通气孔尺寸选取的影响。超压工况下LNG储罐(FCCR)内氮气流向见图1。

图1 超压工况下LNG储罐(FCCR)内氮气流向图

1.1 开车阶段氮气干燥和置换工况

LNG储罐建造完毕后在投运前需对LNG储罐进行氮气干燥和置换,将LNG储罐中的水露点和氧含量降低至一定水平。如水露点过高,水滴及水蒸气将吸收LNG冷能而结冰,进而导致工艺管道和阀门堵塞,甚至造成罐内泵等重要设备损坏,影响接收站正常运行;若氧气置换不彻底,罐内氧含量过高,天然气易与罐内可燃介质形成爆炸混合物,存在安全隐患。因此在投入运行前对全容罐进行氮气干燥和置换是十分必要的,以保证气相空间的氧含量、水露点降低至安全水平[7],通常LNG储罐氮气干燥和置换指标要求见表1。

通常一座16×104m3的LNG储罐完成氮气干燥和置换需耗费氮气1 400 t,而LNG站内的制氮系统生产能力有限,无法满足LNG储罐氮气干燥和置换用量,只能通过液氮槽车外购。将外购LNG储存至现场临时LNG储罐,通过现场的临时空温气化器气化,通过氮气管线输送至LNG储罐,与LNG储罐中已有的空气和水蒸气混合,混合气体由下至上穿过吊顶,进入穹顶空间顶部的放空管口放空至大气中。超压工况下LNG储罐(FCCR)吊顶通气孔氮气流向示意图见图2。

表1工程项目LNG储罐氮气干燥和置换指标要求

储罐气相空间水露点/℃氧含量φ/(%)内罐-202环隙-102

图2 超压工况下LNG储罐(FCCR)吊顶通气孔氮气流向示意图

来自液氮储罐的液氮,经临时空温气化器气化后的氮气操作压力约为0.5 MPa,在储罐干燥吹扫过程中如LNG储罐吊顶通气孔尺寸较小,氮气就会在LNG储罐内罐集聚,致使LNG储罐吊顶下部气相空间压力高于吊顶上部气相空间压力,当两侧压差高于0.241 kPa时,就会违背规范要求,此时通气孔尺寸是不可接受的,需调整通气孔尺寸直至两侧压差小于0.241 kPa。

1.2 翻滚工况

LNG接收站卸载LNG时因卸船泵做功、体积置换、LNG储罐吸热等因素,在注入LNG储罐时会发生闪蒸,闪蒸出大量的天然气蒸发气(以下称“BOG”)。已有大量文献对LNG储罐BOG产生原因及处理量进行了详细研究[8-13]。BOG存在于LNG储罐中的气相部分,随着BOG量的增多,LNG储罐的压力会不断升高,而对于大型LNG储罐,翻滚工况下BOG产生量最大。1971年意大利La Spezia SNAM项目LNG储罐在充装完毕后18 h发生翻滚事故。储罐最高压力冲至94.7 kPa,通过安全阀等正常的放散途径高速排放,直至槽内压力下降至 24 kPa 时恢复正常[14]。国内外科研院所和工程公司已对LNG储罐的翻滚进行了大量研究[15-19],由于研究的基础条件如LNG的组成、储罐容积及形式、翻滚原因等不同,均没有明确得出翻滚发生时LNG储罐产生BOG的处理量。工程设计中通常采用规范EN 1473-2016 Installation and Equipment for Liquefied Natural Gas—Design of Onshore Installations[20]的规定:LNG储罐发生翻滚产生的BOG量为正常日蒸发产生BOG量的100倍,此时BOG气体将通过LNG储罐罐顶安全泄压系统排放。

当LNG储罐发生翻滚时,LNG储罐内罐的压力急剧增加,在LNG储罐的先导式安全阀开启前翻滚产生的大量BOG会在极短时间内通过吊顶通气孔进入LNG储罐的拱顶空间,直至LNG储罐拱顶空间和内罐空间的压力达到先导式安全阀的设定压力,安全阀开启并泄放超压气体。翻滚工况下通过通气孔的气体流量可按照正常BOG产生量的100倍考虑。

1.3 通气孔尺寸的选取

吊顶通气孔的高度由吊顶顶部保冷材料厚度确定,而通气孔尺寸通常由多次试差来确定,主要计算步骤如下:

1)先假定吊顶通气孔的尺寸,根据不同超压工况下超压介质实际体积流量分别计算出气体流经通气孔的流速,并计算出流经吊顶通气孔时的阻力损失,流体阻力损失计算公式采用成熟商业软件HYSYS中PIPE阻力计算模型,如Beggs & Brill模型。如阻力损失高于0.241 kPa,需增大通气孔尺寸;如阻力损失小于0.241 kPa,需缩小通气孔尺寸,直至气体流经吊顶通气孔的阻力低于0.241 kPa。

2)分别计算氮气干燥和置换、卸船、火灾、翻滚及真空补气阀误开等超压工况的流量和流体物性,利用流体阻力计算公式得出各个工况所需的通气孔尺寸,选取较大值作为超压工况下的通气孔尺寸,并以此数据进行吊顶自重的校核。

1.4 吊顶自重的校核

吊顶自重包括吊顶本体铝板、保冷材料、各种管线套管等附件的重量,根据规范规定[4-6]:吊顶通气口的设置应使吊顶上下空间之间的压差产生的作用力不超过吊顶的重量,以免吊顶被举升,因此需核算吊顶自重折合上下压差Δpa,如压差Δpa大于0.241 kPa,则吊顶不会被举升;如压差Δpa小于0.241 kPa,则吊顶会被举升,此时按照Δpa重新进行吊顶通气孔尺寸的计算。

吊顶是由吊顶本体铝板和吊顶上保冷材料等组成,因此吊顶重量m为吊顶本体铝板重量m1和吊顶上面玻璃纤维的重量m2之和,即m=m1+m2。

吊顶截面积A可由LNG储罐半径r计算得到,即A=π×r2。

2 欠压工况分析

当低压LNG泵、BOG压缩机运行时,会导致LNG储罐中的液相空间和气相空间物料减少,LNG储罐压力降低;环境大气压升高也会导致LNG储罐压力降低,为避免欠压对LNG储罐安全性的影响,通常在LNG储罐外罐设置真空安全阀。真空安全阀的设计体积流量应大于所运行LNG泵和BOG压缩机的实际体积流量之和。当真空安全阀开启时,空气进入LNG储罐的拱顶空间,沿着通气孔自上而下由拱顶空间进入内罐空间,维持LNG储罐的压力稳定,避免设备损坏,见图3～4。

将真空安全阀的额定流量、压力、内罐操作温度等参数输入HYSYS中,借助PIPE阻力计算模型(Beggs & Brill)计算流体阻力,通过不断试差得出可接受压差下的通气孔尺寸,并与超压工况下选取的通气孔尺寸进行比较,选取较大值即可作为该LNG储罐的吊顶通气孔尺寸。

图3 欠压工况下LNG储罐(FCCR)气体流向图

图4 欠压工况下LNG储罐(FCCR)吊顶通气孔流体流向示意图

3 结论

为了平衡大型LNG储罐吊顶上下气相空间的压力,需在吊顶上设置通气孔。分析表明:LNG储罐施工、压力试验、氮气干燥和置换、运行操作等生命周期的不同阶段均可能引起LNG储罐超压和欠压,进而影响通气孔尺寸的选取,因此LNG储罐吊顶通气孔尺寸的选取应综合考虑超压、欠压和吊顶自重等各种工况,取各种工况计算的最大值作为通气孔的尺寸。

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