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(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

自1954年美國(guó)建造第一臺(tái)低溫雙壁儲(chǔ)罐以來(lái)，低溫常壓儲(chǔ)存技術(shù)至今已有63年的歷史[1]，其在國(guó)內(nèi)外都已有成熟的應(yīng)用。2008年，僅日本就擁有大型LNG低溫常壓儲(chǔ)罐區(qū)27座[2]。上世紀(jì)90年代，我國(guó)廣東省深圳市建設(shè)了最早的大型低溫常壓儲(chǔ)罐，常壓儲(chǔ)存LPG[1]。隨后在沿海省份陸續(xù)建造了儲(chǔ)存各種介質(zhì)的低溫常壓儲(chǔ)罐，其中有LNG、乙烯、丙烯、丙烷、LPG等。

相對(duì)于壓力球罐儲(chǔ)存，低溫常壓儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存壓力低、保冷效果好，其占地面積、投資和安全性都優(yōu)于球罐；但也因?yàn)橄嗤脑?，大型低溫常壓?chǔ)罐系統(tǒng)更復(fù)雜，對(duì)材料和設(shè)備要求更高，而且大型低溫常壓儲(chǔ)罐單罐儲(chǔ)存量大，一般在1萬(wàn)m3以上，最大可到20萬(wàn)m3，爆炸危險(xiǎn)性介質(zhì)存量大，一旦發(fā)生危險(xiǎn)，損失難以估量[3]。

大型低溫常壓儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存介質(zhì)包括LNG和各種液化烴，如乙烯、丙烯、丙烷、混合碳四、LPG等。大多數(shù)情況下，其閃蒸氣(BOG)都由BOG壓縮機(jī)組回收，但在出現(xiàn)非正常工況超壓時(shí)，會(huì)存在安全泄放的問(wèn)題。由于大型低溫常壓罐設(shè)計(jì)壓力都很低，設(shè)計(jì)壓力一般在-0.5～+29kPa(g)，排放氣管道尺寸大，且火炬背壓要求低，國(guó)內(nèi)很多低溫常壓儲(chǔ)罐的安全泄放都是直接排向大氣。由于不同的儲(chǔ)存介質(zhì)相對(duì)于空氣的密度不同，對(duì)某些儲(chǔ)存介質(zhì)，這樣的設(shè)置可能存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。下面將就此方面進(jìn)行探討。

1 大型低溫常壓儲(chǔ)罐超壓的原因

1.1 正常工況儲(chǔ)罐產(chǎn)生的閃蒸氣

在大型低溫常壓儲(chǔ)罐中，儲(chǔ)存的介質(zhì)都處于低溫常壓飽和狀態(tài)，一般壓力在-0.5～+29kPa(g)，儲(chǔ)存溫度由于介質(zhì)的不同而不同(見(jiàn)表1)。正常情況下，外界環(huán)境都會(huì)以太陽(yáng)輻射或?qū)α鞯姆绞较蚬迌?nèi)介質(zhì)傳熱，雖然儲(chǔ)罐具有優(yōu)秀的保冷設(shè)施，但傳熱不可避免，由此產(chǎn)生的閃蒸汽量與儲(chǔ)存介質(zhì)的物性、保冷層的厚度和儲(chǔ)罐容積相關(guān)。

表1 幾種液化烴的常壓沸點(diǎn)

當(dāng)液體向儲(chǔ)罐內(nèi)進(jìn)料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的閃蒸氣。一方面，低溫液體從低溫卸船碼頭或者低溫槽車裝卸站臺(tái)至罐內(nèi)，需要一段至少數(shù)百米的管線，管線雖然有良好保冷措施，但不能避免會(huì)持續(xù)從環(huán)境吸收熱量。有些工廠采用真空雙層管作為卸料管道，這可以顯著降低管道冷損，但真空雙層管價(jià)格昂貴，大多數(shù)工廠還是采用覆蓋保冷材料的鋼管作為卸料管道。另一方面，液體進(jìn)料時(shí)體積置換會(huì)產(chǎn)生與進(jìn)料液體基本相同體積的氣體。其次，如果采用卸料低溫泵或者低溫船泵的方式將低溫液體送入儲(chǔ)罐，泵本身產(chǎn)生的熱量也會(huì)隨之帶入儲(chǔ)罐中而產(chǎn)生閃蒸氣。低溫泵本身具有良好的保冷特征，且泵外環(huán)境溫度高于泵的操作溫度，低溫泵電機(jī)的電能除了通過(guò)聲音和管道設(shè)備震動(dòng)耗散外，大部分能量幾乎都最終轉(zhuǎn)化為罐內(nèi)液體的熱能。

另外，低溫液體管道需要保冷，以免突然冷料流過(guò)產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力造成管道或管件的破壞，此部分循環(huán)流動(dòng)的保冷低溫液體也會(huì)從環(huán)境中吸收熱量，進(jìn)而產(chǎn)生閃蒸氣。

除上述因素外，外界環(huán)境變化或輸送泵打循環(huán)都可能產(chǎn)生閃蒸氣。

1.2 閃蒸氣的回收和處理

一般而言，為了減少日常儲(chǔ)存時(shí)物料的損失，采取閃蒸氣壓縮冷凝的方式，將這部分閃蒸氣重新冷凝降溫為低溫液體后回收，閃蒸氣壓縮冷凝的能力一般可按上述因素產(chǎn)生的閃蒸氣量合理疊加選擇。一般正常工況下，閃蒸氣總量不會(huì)非常大，以浙江某工廠的2臺(tái)6萬(wàn)m3低溫丙烷儲(chǔ)罐為例，其最大正常工況產(chǎn)生的閃蒸氣總量為7 600kg/h(3 804Nm3/h)。當(dāng)壓縮機(jī)發(fā)生故障時(shí)，超過(guò)壓縮冷凝能力的閃蒸氣可以通過(guò)排火炬的方式處理，不會(huì)造成儲(chǔ)罐超壓。

但非正常工況產(chǎn)生的閃蒸氣量則遠(yuǎn)大于正常工況。一般對(duì)于低溫儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)，非正常工況的閃蒸氣產(chǎn)生量主要考慮全廠停電、全廠停儀表氣、外部火災(zāi)、臺(tái)風(fēng)、儲(chǔ)存液體的翻滾、內(nèi)罐泄漏與失效等工況的可能組合，選擇其中最大者作為設(shè)計(jì)工況。

表2中列舉了山西某液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)站的1臺(tái)1萬(wàn)m3LNG雙金屬壁低溫全容罐正常工況和各非正常工況的閃蒸氣產(chǎn)生量?？梢悦黠@看出，非正常工況閃蒸氣產(chǎn)生量遠(yuǎn)大于正常工況，往往更易導(dǎo)致儲(chǔ)罐超壓。

表2 山西某1萬(wàn)m3 LNG雙金屬壁低溫全容罐各工況閃蒸氣產(chǎn)生量

2 大型低溫常壓儲(chǔ)罐的超壓保護(hù)

為了避免由于上述因素導(dǎo)致的儲(chǔ)罐超壓，除了閃蒸氣壓縮冷凝外，大型低溫常壓儲(chǔ)罐一般都考慮了額外的多重超壓保護(hù)措施。

2.1 LNG低溫常壓儲(chǔ)罐的超壓保護(hù)

對(duì)LNG低溫全容罐，一般超壓保護(hù)的分級(jí)設(shè)置都有相對(duì)統(tǒng)一的模式：當(dāng)閃蒸氣壓縮冷凝系統(tǒng)故障，不能抑制壓力升高時(shí)，儲(chǔ)罐壓力監(jiān)測(cè)會(huì)報(bào)警，進(jìn)而聯(lián)鎖打開(kāi)閃蒸氣總管的火炬放空自動(dòng)閥門(mén)，如果壓力仍然不能控制，儲(chǔ)罐上的數(shù)個(gè)先導(dǎo)式安全閥會(huì)相繼開(kāi)啟，將LNG氣體直接排入大氣。表3是山西某液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)站的1萬(wàn)m3LNG雙金屬壁低溫全容罐各級(jí)聯(lián)鎖壓力和排放量。

表3 山西某1萬(wàn)m3 LNG雙金屬壁低溫全容罐各級(jí)超壓保護(hù)動(dòng)作壓力和排放量

2.2 其他液化輕烴低溫常壓儲(chǔ)罐的超壓保護(hù)

對(duì)低溫乙烯、丙烷、丙烯、混合碳四常壓儲(chǔ)罐的壓力泄放，一般沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)模式，不同的設(shè)計(jì)單位會(huì)采取不同的設(shè)計(jì)理念。當(dāng)閃蒸氣壓縮冷凝不能控制壓力升高時(shí)，首先儲(chǔ)罐壓力監(jiān)測(cè)會(huì)報(bào)警和聯(lián)鎖，然后打開(kāi)閃蒸氣總管的火炬放空自動(dòng)閥門(mén)。如果壓力仍然不能控制，有些設(shè)計(jì)類似于LNG儲(chǔ)罐，先導(dǎo)式安全閥將氣體直接排入大氣，還有一些設(shè)計(jì)則與LNG儲(chǔ)罐不同，儲(chǔ)罐上的先導(dǎo)式安全閥會(huì)將氣體密閉排入火炬系統(tǒng)，當(dāng)壓力仍然不能控制時(shí)，儲(chǔ)罐上設(shè)置的數(shù)個(gè)泄壓人孔會(huì)開(kāi)啟，氣體直接排入大氣。

對(duì)后者的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，先導(dǎo)式安全閥的泄放能力考慮了各種較為極端的工況，浙江某工廠2臺(tái)6萬(wàn)m3丙烷雙金屬壁低溫全容罐的各級(jí)超壓保護(hù)排放量見(jiàn)表4。在這種設(shè)計(jì)下，除非最極端工況出現(xiàn)，同時(shí)2臺(tái)以上安全閥發(fā)生故障，否則泄壓人孔永遠(yuǎn)不會(huì)開(kāi)啟，相當(dāng)于泄壓人孔是完全的冗余配置。而且，此種設(shè)計(jì)需要配套的火炬能力遠(yuǎn)大于安全閥直排大氣時(shí)的設(shè)計(jì)。以本例的6萬(wàn)m3丙烷罐為例，如果安全閥直接排空，火炬能力和BOG總管放火炬閥門(mén)的能力都可以從85t/h降至約10.5t/h，較明顯地減少了配套設(shè)施的投資。

表4 浙江某工廠的2臺(tái)6萬(wàn)m3丙烷雙金屬壁低溫全容罐的各級(jí)超壓保護(hù)排放量

然而，如果分析大氣中丙烷等液化烴的擴(kuò)散特征與天然氣的異同，就可以發(fā)現(xiàn)，即使包含較極端的泄放工況，安全閥排放氣不直排大氣，而是排放至火炬有其設(shè)計(jì)的安全性和合理性。

3 低溫LNG與其他液化輕烴在大氣中擴(kuò)散

LNG或丙烷、丙烯等液化烴泄放至大氣后，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)除了取決于當(dāng)時(shí)的大氣狀態(tài)、風(fēng)速外，也取決于與空氣的密度比。當(dāng)大氣狀態(tài)穩(wěn)定、風(fēng)速很低時(shí)，一般與空氣相比，密度的大小直接決定了其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖1為各種液化烴和LNG的密度-溫度曲線，其中粗實(shí)線表示了空氣的密度-溫度曲線。

圖1 LNG、各種液化烴和空氣的密度-溫度曲線

低溫常壓儲(chǔ)罐在超壓泄放時(shí)，溫度接近于其泄放壓力下的沸點(diǎn)，通過(guò)安全閥泄放至大氣后會(huì)與大氣發(fā)生強(qiáng)烈混合換熱，溫度逐漸升高。在我國(guó)大部分地區(qū)，大氣溫度一般都在-30℃以上，接觸到冷泄放氣后，靠近泄放氣的空氣團(tuán)會(huì)迅速降溫，與泄放氣成為一個(gè)混合氣團(tuán)，在大氣中整體上升或下沉。因此，作為泄放氣密度參照的空氣密度-溫度曲線(圖1中粗實(shí)線)，在圖中假定最低值為-30℃。

從圖1中很容易看出，天然氣在約-135℃以上，密度會(huì)小于空氣；乙烯在約-35℃以上，密度才會(huì)略小于空氣，與相同溫度下空氣的密度接近；丙烯、丙烷、異丁烷、異丁烯和正丁烷，在相同溫度下，密度都大于空氣。

也就是說(shuō)，對(duì)于LNG低溫儲(chǔ)罐，超壓泄放入大氣的冷天然氣會(huì)在與空氣的混合中迅速被加熱，密度逐漸減小。開(kāi)始時(shí)，冷天然氣團(tuán)會(huì)有下降運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但被加熱到約-135℃以上，密度小于空氣后，開(kāi)始逐漸向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)一步與空氣混合擴(kuò)散。地面上可能出現(xiàn)天然氣濃度在爆炸極限內(nèi)的區(qū)域，僅在天然氣儲(chǔ)罐周圍很小的區(qū)域內(nèi)，而天然氣儲(chǔ)罐近距離范圍內(nèi)一般是沒(méi)有操作人員或點(diǎn)火源的，因此作為事故狀態(tài)的超壓泄放，為保護(hù)儲(chǔ)罐安全，將天然氣排入大氣，其風(fēng)險(xiǎn)在一定程度上是可以接受。

但對(duì)于丙烯、丙烷、異丁烷、異丁烯和正丁烷等液化烴來(lái)說(shuō)，超壓泄放入大氣后，在一邊與空氣混合擴(kuò)散的同時(shí)，一邊有下沉的趨勢(shì)，在儲(chǔ)罐附近相當(dāng)大的范圍內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)可燃?xì)怏w的積累，并且濃度會(huì)在爆炸極限內(nèi)，特別是大氣狀況穩(wěn)定無(wú)風(fēng)、擴(kuò)散混合作用減弱時(shí)，近地面可燃?xì)怏w高濃度區(qū)的范圍更大。液化烴與空氣的爆炸混合氣體會(huì)沿地面蔓延，對(duì)整個(gè)儲(chǔ)運(yùn)區(qū)或工廠都是極大的隱患，一旦出現(xiàn)點(diǎn)火源就可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的蒸汽云爆炸。據(jù)研究人員分析計(jì)算，對(duì)2臺(tái)100m3的液化石油氣(丙烷、丁烷)儲(chǔ)罐，其蒸汽云爆炸的致死半徑為66m，重傷半徑為146m，輕傷半徑266m，財(cái)產(chǎn)損失半徑235m[4]。在此種情況下，為了杜絕直接向大氣超壓泄放，導(dǎo)致二次危害的發(fā)生，宜將丙烯、丙烷、異丁烷、異丁烯和正丁烷等液化烴氣體排入地面火炬系統(tǒng)，雖然配套設(shè)施的投資會(huì)有一定增加，但大大降低了實(shí)際可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于乙烯，超壓泄放入大氣后與天然氣類似，在空氣中擴(kuò)散的同時(shí)被加熱，當(dāng)溫度在約-35℃以上時(shí)，乙烯密度略小于空氣，幾乎與空氣相同。在-30℃時(shí)，乙烯氣與空氣的比重為0.978，與20℃空氣的比重為1.179；在20℃時(shí)，乙烯氣與空氣的比重為0.975。因此，大氣狀況穩(wěn)定無(wú)風(fēng)時(shí)，乙烯可能會(huì)與空氣在近地面和空中形成更穩(wěn)定的混合物，混合物有可能在爆炸極限內(nèi)，一旦出現(xiàn)點(diǎn)火源，同樣可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的蒸汽云爆炸，為了降低這種安全風(fēng)險(xiǎn)，乙烯超壓泄放氣體也最好能夠密閉排入地面火炬系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)低溫常壓儲(chǔ)罐非正常工況下的閃蒸汽產(chǎn)生量遠(yuǎn)大于正常工況，一般采用安全閥超壓排放，排放去向根據(jù)排放介質(zhì)的不同應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。

(2)由于超壓泄放入大氣的天然氣在溫度上升后明顯比空氣輕，在大氣中擴(kuò)散的同時(shí)向上運(yùn)動(dòng)，地面不會(huì)出現(xiàn)大范圍的爆炸性氣體積累。非正常工況(臺(tái)風(fēng)、外部火災(zāi)、翻滾等)的超壓泄放經(jīng)過(guò)安全閥直接排至大氣的方式在一定程度上可以接受，安全風(fēng)險(xiǎn)較低。

(3)乙烯、丙烯、丙烷、異丁烷、異丁烯和正丁烷等輕烴氣體與空氣密度相差不大，或比空氣重，在近地面可能會(huì)出現(xiàn)大范圍的爆炸性氣體環(huán)境。即使是非正常工況(臺(tái)風(fēng)、外部火災(zāi)、翻滾等)的超壓泄放，也應(yīng)盡量排至火炬管網(wǎng)，以免出現(xiàn)嚴(yán)重危害。

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