天津浮式LNG工程全容式LNG儲罐總布置設計

李廣鑫　海洋石油工程股份有限公司

天津浮式LNG工程全容式LNG儲罐總布置設計

李廣鑫
海洋石油工程股份有限公司

全容式LNG儲罐是LNG接收站的核心，儲罐總圖布置對儲罐設計施工及安全運營起到關鍵作用。對全容式LNG儲罐系統主工藝及儲罐上下游工藝流程進行了分析研究，確定儲罐各系統、各設備功能要求。針對各個系統的功能及儲罐內部結構，結合標準要求，同時考慮主要工藝管道布置及儲罐整體施工工藝，進行儲罐罐頂設備布置，以及罐頂平臺設計。該設計方案在天津浮式LNG項目得到成功應用，并經過第三方日本IHI公司平行設計審查批準。通過挪威船級社（中國）有限公司對PSV安全閥泄放以及儲罐BOG放空等設備布置進行的量化風險評估（QRA），儲罐總圖設計方案滿足設計要求。該全容式LNG儲罐總圖設計思路及方法，為LNG儲罐設計提供了參考指導作用。

液化天然氣；全容式LNG儲罐；總圖布置；設計

LNG（液化天然氣）儲罐在LNG接收站中用于存儲液化天然氣，是接收站的核心［1-3］。LNG儲罐按結構型式分為單容罐、雙容罐及全容罐。全容罐具有較高的安全性，儲罐采用雙層壁結構，在第一層罐體泄漏時，第二層罐體可對泄漏液體與蒸發氣實現完全封攔，且不需設置圍堰，是國內、國際上LNG接收站存儲系統常用的儲罐結構型式［4-8］。

1　儲罐總圖設計方案分析

1.1行業標準

自從我國于2006年在深圳大鵬建成我國第一座LNG接收站以來，LNG行業標準的制定工作嚴重滯后，我國正在應用的LNG工程建設相關標準規范大多引用國外標準規范有關內容。如國標《液化天然氣（LNG）生產、儲存和運裝（GB/T 20368）》等同NFPA 59A—2009相關內容，國標《液化天然氣設備與安裝 陸上裝置（GB/T 22724）》等同歐標BS EN 1473相關內容。

全容式LNG儲罐，設計壓力約為30 kPa左右，儲罐本體設計應滿足《Design and Construction ofLarge，Welded，LowPressureStorageTanks（API 620）》，《Design and Manufacture of Site Built，Vertical，Cylindrical，Flat Bottomed Steel Tanks for the Storage of Refrigerated，Liquefied Gases with Operating Temperatures Between 0℃and-165℃（EN 14620）》標準；儲罐總圖設計應滿足《StandardfortheProduction，Storage，and Handling of Liquefied Natural Gas（LNG）（NFPA59A—2009）》標準要求，或歐標《Installation and Equipment for Liquefied Natural Gas Design of Onshore Installations（BS EN 1473）》，以及《石油天然氣工程設計防火規范（GB 50183—2004）》《建筑設計防火新規范（GB 50016）》《工業企業總平面設計規范（GB 50187）》要求。

1.2儲罐罐區布置

1.2.1環境因素

產生高溫及有害氣體、煙、霧、粉塵的生產設施，應布置在廠區全年最小頻率風向的上風側且地勢開闊、通風條件良好的地段。罐區內儲罐成組或成排布置，儲罐產生可燃有害氣體，應根據主頻風向，首先確定整個罐區的選址，再考慮單個儲罐的布置。儲罐區屬于甲類危險區，位置應滿足以上規定，且宜布置在碼頭一側。

1.2.2罐區道路布置

（1）罐區消防通道的布置。在液化烴、可燃液體、可燃氣體的罐區內，任何儲罐中心至消防車道的距離應符合現行國家標準《石油天然氣工程設計防火規范（GB 50183—2004）》的有關規定，供消防車通行單車道路面內緣轉彎半徑不應小于12 m，道路宜呈環狀布置。

（2）罐區人行道的布置。人行道寬度不宜小于1.0 m，沿主干道布置時不宜小于1.5 m。儲罐間距應不小于相鄰儲罐直徑和的四分之一［9-11］。

1.2.3罐區儲罐布置

儲罐宜進行標準化設計，減少設計、施工工作量及偏差，有利于提高工作效率、降低風險、縮短工期，節約人力及資源成本。因此，站場內罐區位置確定后，儲罐宜根據罐區內主管廊對稱或平行布置，如圖1所示的罐區布置圖，為儲罐對稱布置。

圖1　罐區布置示意圖

1.3儲罐總圖布置方案

罐頂設備宜分區集中布置，主工藝設備盡量靠近負荷中心，并方便主要管道的布置。儀表監控設備宜分片均布于主工藝區兩側，防止測量誤差。壓力安全閥泄放系統屬危險源排放，應盡量遠離主工藝區或與主工藝區徑向對稱布置。因真空與超壓工況不會同時出現，真空安全閥可與壓力安全閥靠近布置。

綜上所述，根據儲罐上、下游工藝流程，可確定罐區內主管廊，根據罐區內主管廊，可確定儲罐罐頂主工藝區，并進一步確定儀表監控設備區及氮氣吹掃區，進行壓力及真空泄放區布置。

2　儲罐總圖布置影響因素分析

2.1儲罐主工藝系統及設備

儲罐主要工藝系統及設備包括頂進料管線、底進料管線、BOG（蒸發氣）管線、泵外輸管線、安全閥泄放系統、真空安全閥系統、儲罐罐表控制系統（液位控制、溫度控制、壓力控制、高低液位報警、內罐泄漏監控、緊急關斷等）、預冷系統、儲罐內吹掃、惰性氣體置換系統、吊機系統等。典型儲罐工藝示意圖如圖2所示。

圖2　典型儲罐工藝示意圖

由于儲罐存儲介質主要為液態，儲罐主要承受液體的靜壓力，儲罐罐壁受力由上往下逐漸增大。所以，為了避免發生儲罐泄漏等事故，所有工藝管線都布置在儲罐罐頂。

（1）儲罐內吹掃及惰性氣體置換系統。吹掃及氮氣置換設備，宜在儲罐圓周均勻布置。

（2）吊機系統。應滿足儲罐每臺外輸泵的維修吊裝要求，每臺泵的泵井宜布置在儲罐圓心的同一圓弧上。

（3）其他輔助系統。罐頂雨水排放系統，罐頂雨水應收集并引入廠區雨水排水系統；罐頂泄漏收集系統，用于收集儲罐罐頂泄漏的LNG液體，將其排入廠區地面LNG收集池，應防止LNG流入下水道、排水溝、水渠或任何有蓋板的溝渠中。

2.2儲罐上下游主工藝

LNG運輸船到達接收站LNG專用碼頭后，LNG由運輸船上的輸送泵加壓，經卸料臂匯集到LNG總管并輸送至陸上LNG儲罐；陸上儲罐內的LNG通過低壓輸送泵輸出，一部分輸送至槽車裝車系統以用于液態外輸，另一部分輸送至再冷凝器，與加壓后的BOG接觸并將之再冷凝后，進入高壓泵升壓；升壓后的高壓LNG在氣化器中氣化后輸送至首站，接至天然氣外輸管網，進入城市管網。從上下游主工藝分析中，可以確定儲罐與接收站接口管道及管廊設計。

2.3儲罐內部結構

（1）內部管道支撐要求對管嘴布置的影響。儲罐外每一條工藝管線，最終都需接入儲罐罐頂各個管嘴，進而與儲罐內部相連。所以，對于儲罐內部，需要根據功能要求對各個管嘴進行合理布置。儲罐管嘴的布置，要考慮到進入儲罐內部的管道或管道護管的支撐要求。不能距離儲罐罐壁太遠，否則難以實現內部支撐結構；同時，應考慮正常運行及地震偶然載荷工況下，泵護管及支撐整體結構振動在可接受范圍內。

（2）罐頂穹頂環梁及椽子等結構對管嘴布置的影響。罐嘴進入儲罐的內部管道及護管，應避免與穹頂環梁及椽子、儲罐吊頂板周向布置的吊桿及儲罐內甲板周向加強圈構成的多層環網碰撞；罐嘴在儲罐外部應避開罐頂平臺結構梁。管嘴需與內外部結構協調設計，合理布局，盡量減少碰撞，且滿足結構強度、配管及工藝等技術要求。

2.4超低溫管道布置

液化天然氣介質管道為超低溫管道（-165℃），管道內部介質溫度與管道外部環境溫度溫差高達200℃。巨大溫差對管道布置有特殊要求，在總圖布置空間時需考慮這一點。

如PSV（壓力安全閥）立管管道布置，為CAESARII管道應力分析軟件計算結果，如圖3所示。如果是常規管道按此方案布置滿足應力要求；但若為低溫LNG管線，則應力比高達157.02%，管線應力嚴重超標。需要將PSV出口水平管線直管段加長，增加管道柔性，管道布置空間需求加大。

圖3　PSV立管管道布置

2.5罐頂平臺的布置要求

罐頂平臺應服務于管道系統，并滿足設備操作維修要求；同時，應滿足特殊設備安全距離要求。其中，安全閥排放管口不得朝向鄰近設備或有人通過的地方，排放管口應高出平臺8 m以上或建筑物頂3.5 m以上。

2.6施工工藝對總圖布置的影響

儲罐土建施工完畢后，儲罐罐壁需設置兩個門洞，供進出儲罐內部施工；儲罐施工需在儲罐圓周方向均布兩個塔吊；同時，儲罐罐壁在圓周方向均布四處扶壁柱，作為對儲罐預埋的橫向鋼筋預緊的操作空間。因此，儲罐罐壁立管管廊、儲罐斜梯及儲罐直爬梯等布置均需避免與罐壁門洞及扶壁柱沖突。

3　儲罐總圖設計方案

根據標準，結合上述各影響因素，以及超低溫管道柔性設計要求，完成儲罐管嘴布置及主要管道設計，進而完成儲罐罐頂總圖設計方案，見圖4。

圖4 罐頂總圖布置

4　結語

以全容式LNG儲罐為研究對象，在分析LNG儲罐系統主工藝及儲罐上下游工藝流程基礎上，針對各個系統的功能及儲罐內部結構，結合標準要求，同時考慮主要工藝管道布置及儲罐整體施工工藝，進行儲罐總圖設計。

該設計方案在天津浮式LNG項目得到成功應用，并經過第三方日本IHI公司平行設計審查批準。通過挪威船級社（中國）有限公司對PSV安全閥泄放以及儲罐BOG放空等設備布置進行的量化風險評估（QRA），儲罐總圖設計方案滿足設計要求。該全容式LNG儲罐總圖設計思路及方法，為LNG儲罐設計提供了參考指導作用。

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（欄目主持張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.7.014

李廣鑫：工程師，碩士，主要從事油氣田總圖與管道設計工作。

2015-03-05