上海天然氣管網(wǎng)有限公司 翟春榮

大氣濕度對(duì)LNG儲(chǔ)罐負(fù)壓泄放量的影響

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文章深刻分析了大氣濕度影響LNG儲(chǔ)罐欠壓泄放量的原因，并以具體工程項(xiàng)目為例，計(jì)算大氣濕度影響欠壓泄放量的影響程度，為優(yōu)化LNG儲(chǔ)罐欠壓泄放量計(jì)算打下基礎(chǔ)，提高了工程技術(shù)人員和管理人員的認(rèn)識(shí)，在一定程度上對(duì)工程設(shè)計(jì)有所幫助。

LNG儲(chǔ)罐 真空安全閥 大氣濕度 負(fù)壓泄放量

0 前言

液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐是LNG接收站重要的核心設(shè)備，儲(chǔ)罐的安全平穩(wěn)運(yùn)行是整個(gè)LNG接收站保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)已建成投產(chǎn)或在建的LNG接收站儲(chǔ)罐大部分采用全容罐。由于LNG儲(chǔ)罐投資成本非常高，LNG儲(chǔ)罐的安全是工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，在工程設(shè)計(jì)中一般都會(huì)采用以下4個(gè)層次的措施來(lái)避免LNG儲(chǔ)罐出現(xiàn)負(fù)壓：

(1)在正常操作條件下，LNG儲(chǔ)罐的壓力均是通過(guò)壓縮機(jī)壓縮、外輸LNG儲(chǔ)罐的蒸發(fā)氣(Boil-Off Gas簡(jiǎn)稱BOG)來(lái)控制，即通過(guò)調(diào)節(jié)BOG壓縮機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷來(lái)維持LNG儲(chǔ)罐的氣相空間壓力的穩(wěn)定；

(2)當(dāng)LNG儲(chǔ)罐的壓力降低至一定設(shè)定值時(shí)LNG儲(chǔ)罐的壓力信號(hào)會(huì)自動(dòng)停止BOG壓縮機(jī)的運(yùn)行和LNG儲(chǔ)罐罐內(nèi)低壓LNG泵；

(3)當(dāng)LNG儲(chǔ)罐壓力繼續(xù)下降至一定的設(shè)定值時(shí)，來(lái)自高壓天然氣管網(wǎng)的高壓天然氣或來(lái)自氮?dú)夤芫W(wǎng)的氮?dú)馔ㄟ^(guò)補(bǔ)氣控制閥輸送至LNG儲(chǔ)罐的氣相系統(tǒng)來(lái)維持LNG儲(chǔ)罐的壓力；

(4)若采取上述措施后LNG儲(chǔ)罐的壓力仍然繼續(xù)降低，設(shè)置在LNG儲(chǔ)罐頂部的真空閥將會(huì)自動(dòng)打開，將環(huán)境中的空氣補(bǔ)充至LNG儲(chǔ)罐，避免LNG儲(chǔ)罐出現(xiàn)負(fù)壓而損害LNG儲(chǔ)罐。

因此，真空閥作為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐安全的最后一道保護(hù)措施，其欠壓泄放量的計(jì)算是否合理直接關(guān)系到LNG儲(chǔ)罐的本質(zhì)安全。

《液化天然氣設(shè)備與安裝 陸上裝置設(shè)計(jì)》(GB/T 22724—2008)、《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》(GB/T 20368—2012)和周琳琳等《LNG儲(chǔ)罐壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、劉浩等《LNG低溫儲(chǔ)罐壓力安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)》從工藝設(shè)計(jì)、操作角度分別對(duì)LNG儲(chǔ)罐真空閥的欠壓工況和處理量的計(jì)算做了明確和詳細(xì)的規(guī)定，但規(guī)范和文獻(xiàn)中極少提到在實(shí)際工程項(xiàng)目中大氣濕度對(duì)LNG儲(chǔ)罐欠壓泄放量的影響，造成LNG儲(chǔ)罐欠壓泄放量的計(jì)算不準(zhǔn)確，影響LNG儲(chǔ)罐的本質(zhì)安全。

本文指出了影響LNG儲(chǔ)罐真空閥安裝位置的因素，分析大氣濕度影響LNG儲(chǔ)罐欠壓泄放量的原因，并以具體工程項(xiàng)目為例，計(jì)算了大氣濕度影響欠壓泄放量的影響程度，為優(yōu)化LNG儲(chǔ)罐欠壓泄放量計(jì)算打下基礎(chǔ)，對(duì)工程設(shè)計(jì)有所幫助。

1 影響真空閥的安裝位置的因素

國(guó)內(nèi)已建成投產(chǎn)或在建的LNG接收站儲(chǔ)罐大部分采用9%Ni鋼內(nèi)罐預(yù)應(yīng)力混凝土外罐的全容罐(簡(jiǎn)稱FCCR)，它是由9%Ni鋼制內(nèi)罐、9%Ni鋼制熱角保護(hù)、鋁合金吊頂、16MnDR鋼襯板(外罐內(nèi)壁)和預(yù)應(yīng)力混凝土外罐組成。內(nèi)罐用來(lái)儲(chǔ)存LNG，內(nèi)罐和外罐之間盛裝絕熱材料，可減少熱量傳入，外罐用來(lái)密閉蒸發(fā)氣氣體，可在內(nèi)罐泄漏情況下承裝LNG，還并可承受一定的熱輻射及沖擊荷載。

通常LNG儲(chǔ)罐的真空閥安裝在LNG儲(chǔ)罐的頂部，真空閥出口管線穿越LNG儲(chǔ)罐穹頂混凝土至鋁合金吊頂空間內(nèi)。主要原因如下所示：

1.1 大氣水分預(yù)冷結(jié)冰和爆炸環(huán)境置換難易程度

LNG儲(chǔ)罐處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，內(nèi)罐內(nèi)氣相空間溫度通常較低，約為-140～-160 ℃，鋁合金吊頂以上空間由于吊頂部分的隔冷層保護(hù)溫度為常溫狀態(tài)。當(dāng)LNG儲(chǔ)罐因欠壓導(dǎo)致真空閥開啟時(shí)，環(huán)境中的空氣會(huì)通過(guò)真空閥進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐的氣相空間，空氣會(huì)同LNG儲(chǔ)罐原有的BOG氣體混合。

當(dāng)真空閥出口管線穿越LNG儲(chǔ)罐穹頂混凝土和鋁合金吊頂后進(jìn)入內(nèi)罐的氣相空間時(shí)，空氣會(huì)和內(nèi)罐低溫的BOG混合。一方面空氣中的水分預(yù)冷會(huì)凝固成冰粒，由于冰的密度大于LNG的密度，形成的冰粒會(huì)沉降至LNG儲(chǔ)罐的底部，當(dāng)?shù)蜏豅NG泵外輸時(shí)會(huì)在LNG儲(chǔ)罐的底部形成渦流，一旦冰粒隨著渦流進(jìn)入低溫LNG泵，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)低溫LNG泵的誘導(dǎo)輪、葉輪產(chǎn)生損壞，影響低溫LNG泵及下游管道、儀表和設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，另一方面空氣會(huì)和低溫的BOG混合形成可燃?xì)怏w，無(wú)論可燃?xì)怏w總量多少，此時(shí)儲(chǔ)罐需要將所有的可燃物質(zhì)排空，重新進(jìn)行LNG儲(chǔ)罐的氮?dú)庵脫Q和預(yù)冷，才能投入使用，因此消除爆炸環(huán)境過(guò)程較為復(fù)雜。

當(dāng)真空閥出口管線穿越LNG儲(chǔ)罐穹頂混凝土后進(jìn)入鋁合金吊頂以上氣相空間時(shí)，空氣會(huì)和吊頂側(cè)的常溫的BOG混合。在真空閥泄放能力計(jì)算時(shí)需考慮空氣進(jìn)入內(nèi)罐低溫的氣相空間，但實(shí)際運(yùn)行操作時(shí)發(fā)生該工況的幾率極小，只有當(dāng)真空閥開啟時(shí)間較長(zhǎng)，大量的空氣進(jìn)入并充滿吊頂空間后，沿著吊頂通氣孔進(jìn)入內(nèi)罐的氣相空間，因此在實(shí)際操作過(guò)程中空氣中的水分不易進(jìn)入內(nèi)罐空間，不會(huì)凝固成冰粒，對(duì)低溫LNG泵和下游設(shè)備、儀表的影響較小，利于生產(chǎn)的正常運(yùn)行。而集中在吊頂上部氣相空間的可燃?xì)怏w可利用罐頂?shù)臍庀嗯欧趴赘唿c(diǎn)放空，通過(guò)持續(xù)的分析放空氣體的組成即可判斷出可燃?xì)怏w是否已經(jīng)放空完畢，因此消除爆炸環(huán)境的過(guò)程相對(duì)容易。

1.2 真空閥出口管線的阻力損失

LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)負(fù)壓較低，通常為-0.49 kPa，充分利用環(huán)境壓力和LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)負(fù)壓差，提高真空閥的泄放能力是十分必要的，因此需要盡可能降低真空閥出口管線的阻力損失，提高真空閥的泄放量。顯然，真空閥出口管線越短，管線阻力損失越小，真空閥的流通能力越大。

綜上所述，LNG儲(chǔ)罐真空閥出口管線布置應(yīng)穿越LNG儲(chǔ)罐穹頂混凝土至鋁合金吊頂空間內(nèi)。

2 大氣濕度影響LNG儲(chǔ)罐欠壓處理量的計(jì)算

根據(jù)規(guī)范《液化天然氣設(shè)備與安裝 陸上裝置設(shè)計(jì)》(GB/T 22724—2008)要求，LNG儲(chǔ)罐欠壓泄放量應(yīng)考慮BOG壓縮機(jī)運(yùn)行、低壓LNG泵運(yùn)行和大氣壓升高三種因素同時(shí)疊加的工況，均未提及大氣濕度對(duì)LNG儲(chǔ)罐欠壓泄放量的影響。而實(shí)際操作過(guò)程中當(dāng)空氣進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐時(shí)，空氣中的水分會(huì)凝結(jié)為冰粒，在一定程度上減少了用了補(bǔ)充LNG儲(chǔ)罐壓力的氣體的體積流量，因此真空閥的泄放量應(yīng)考慮一定的裕量來(lái)彌補(bǔ)水蒸氣凝結(jié)造成的影響。

本節(jié)以具體工程項(xiàng)目為例計(jì)算大氣濕度影響欠壓泄放量的影響程度。表1為某工程項(xiàng)目的溫度、壓力和濕度條件。

表1 某工程項(xiàng)目的溫度、壓力和濕度條件

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬軟件Hysys可以計(jì)算出環(huán)境溫度(T0)所對(duì)應(yīng)的水的飽和蒸汽壓(p1)為：7.944 kPa。

利用公式(1)、(2)和(3)進(jìn)行計(jì)算：

其中：p2——大氣中水蒸氣的分壓，kPa；

p1——水蒸氣飽和蒸汽壓，kPa；

p0——絕對(duì)最低氣壓，kPa；

H0——濕度；——大氣中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)；

綜上所述，本案例中大氣濕度對(duì)LNG儲(chǔ)罐欠壓泄放量的影響較大，應(yīng)考慮7.1%的裕量才能滿足LNG儲(chǔ)罐實(shí)際的補(bǔ)氣需求，因此在計(jì)算LNG儲(chǔ)罐欠壓泄放量時(shí)應(yīng)考慮一定程度的裕量來(lái)彌補(bǔ)大氣濕度對(duì)欠壓泄放量的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析影響LNG儲(chǔ)罐真空閥安裝位置的因素以及剖析大氣濕度影響LNG儲(chǔ)罐欠壓泄放量的原因，形成以下結(jié)論：

(1)LNG儲(chǔ)罐真空閥出口管線布置應(yīng)穿越LNG儲(chǔ)罐穹頂混凝土至鋁合金吊頂空間內(nèi)。

(2)計(jì)算LNG儲(chǔ)罐欠壓泄放量時(shí)應(yīng)考慮一定程度的裕量來(lái)彌補(bǔ)大氣濕度對(duì)欠壓泄放量的影響，才能保證LNG儲(chǔ)罐的本質(zhì)安全。

Effect of Atmospheric Humidity on Negative Pressure Discharge of LNG Tank

Shanghai Natural Gas Pipeline and Network Co., Ltd. Zhai Chunrong

This paper explains the relationship between atmospheric humidity and negative pressure discharge.Taking a certain specific project as example, it analyzes the influence of atmospheric humidity on negative pressure discharge, offers parameters to the optimization design of LNG tank. At the same time, this paper has actual guiding significance for similar engineering management.

rLNG Tank, Vacuum relief valve, atmospheric humidity, negative pressure discharge