LNG儲罐液位及泄放設計

陳銳瑩，姜夏雪，張 晨，安東雨，衣 鵬

(中海石油氣電集團，北京 100028)

LNG儲罐的主要功能是接卸及儲存由LNG運輸船運來的LNG，利用外輸系統輸送至下游用戶。

一般大型的陸地接收終端會建造LNG全容儲罐。其基本結構是，內罐頂部為開放式結構，材料為9%Ni；內罐頂部吊頂材質為鋁合金板，與罐頂下方拉桿連接?；炷镣夤抻射摻罨炷脸信_、后張拉式混凝土罐壁、鋼筋混凝土罐頂組成，罐底承臺與罐壁、罐壁與罐頂均采用剛性連接。儲罐基礎為高架空樁基礎結構。內外罐間的環狀空間和懸掛的內吊頂均使用絕熱材料進行保冷。為確保儲罐的安全性，所有穿過儲罐氣體密封面的管道均位于罐頂，以減少內罐發生嚴重泄露的風險；在罐底設有架空式支撐平臺，以防止基礎或土壤凍結現象的發生。

其大致工藝是，每座儲罐上均配備兩條進料管線，分別將LNG送到內罐頂部和底部。進料模式取決于儲存及卸料的LNG規格。儲罐內LNG外輸是通過低壓泵進行的。低壓泵安裝在儲罐泵井內，并完全浸沒在LNG中。罐頂管道將所有的低壓泵連通，使其可以并聯操作。儲罐罐頂連接到共用的BOG總管，以便在卸料操作期間收集/置換BOG，保持儲罐壓力的平衡。

1 液位計算

儲罐液位是一個關鍵參數，可以通過其的計算初步確定內罐的高度，可以通過其的控制防止儲罐過量進料。根據規范GB51156的要求儲罐“從最高操作液位上升至高高液位的時間不宜小于10 min，達到高高液位時應聯鎖關閉入口閥門”[1]。規范中只規定了高高液位的要求，并未對低低液位設計給出規定，因此在儲罐液位設計中還應結合罐內低壓泵的情況進行設計，具體原則如下：

不可操作液位(LALLL)應綜合考慮低壓泵的氣蝕余量以及儲罐罐底的不可操作區域來進行設定；外輸關停液位(LALL)為在LALLL的基礎上考慮進行5 min的最大外輸后，儲罐下降的液位；最小操作液位(LAL)為在LALL的基礎上考慮進行10 min的最大外輸后，儲罐下降的液位；最大操作液位(LAH)為在LAL的基礎上考慮儲罐的凈容積進行設定；進料關停液位(LAHH)為在LAH的基礎上考慮進行10 min的最大進料后，儲罐上升的液位；最大設計液位(LAHHH)為在LAHH的基礎上考慮進行5 min的最大進料后，儲罐上升的液位。

圖1 液位計算的示意圖

2 泄放計算

高壓或低壓都可能對任意設備或系統造成嚴重損害。尤其，LNG的特性是溫度低、易揮發，在不考慮安全系統作用的情況下，即便少量的熱滲入都會導致整個終端處于極度危險的狀態。因此，終端的安全操作只有靠對生產狀況進行時時監控，防止危險條件的產生，才能保證設備和系統一直處于正常運行狀態。

終端操作的基本原則是“無名火”，因此，可燃氣體只有在處于下列情況時才允許釋放：1)引發嚴重危險工況；2)主要設備進行試車、維修或停運。

因此在進行壓力泄放系統設計時[2]，應考慮極端工況所產生的最大泄放量。

2.1 壓力安全閥(PSV)計算

PSV被安裝在儲罐罐頂，主要用于其超壓保護，一般在配置數量時應遵從N+1備用原則，在泄放量計算時，主要根據規范GB51156附錄A的要求工況進行計算，規范中規定應按工況可能的組合進行計算，但沒有明確規定組合工況。經過分析，在PSV泄放量的計算中可考慮以下三種假設工況組合，并選取其中最大泄放量進行PSV設計。

假設一：充裝時置換及閃蒸，以及泵冷循環帶入的熱量；

假設二：大氣壓降低，以及控制閥失靈；

假設三：翻滾，以及泵冷循環帶入的熱量。

其它特殊工況的組合，例如外部火災的組合工況不予考慮，主要是因為這些工況發生的概率很低，且相互獨立。

常規計算一般決定假設工況為工況三，主要由于儲罐中LNG的翻滾會導致儲罐內瞬間產生大量蒸發氣使儲罐出現超壓現象，如不及時通過安全閥排放，就可能造成儲罐的機械損傷，帶來經濟上的損失、環境污染甚至造成安全事故[3]。

2.2 真空安全閥(VSV)計算

VSV被安裝在儲罐罐頂，主要用于其負壓保護，一般在配置數量時應遵從N+1備用原則，在吸入量計算時，主要根據規范GB51156附錄A的要求工況進行計算，規范中規定應按工況可能的組合進行計算，但沒有明確規定組合工。經過分析，在VSV吸入浪的計算中可以考慮以下假設工況組合，通過其進行VSV設計。

假設：大氣壓升高，泵抽出最大流量，以及蒸發氣壓縮機抽出最大流量。

同時，VSV在設計流量應考慮空氣進入儲罐后，溫度將降至-165℃，空氣中的水將發生冷凝。

2.3 熱力安全閥(TSV)計算

TSV被安裝在部分低溫液體管道上。這些低溫管道中易積存液體，低溫液體不斷從環境中吸收熱量，發生熱膨脹進而出現超壓，可利用TSV，對系統進行超壓保護。

TSV不需要設置維修備用閥，因為在其維修工作進行時，可以將該管道與相鄰系統連通，避免低溫液體管道發生阻塞。

TSV均連接到泄放總管中，其設定壓力值應確保，被保護管道系統內最低標高的管段不會超壓。

TSV的材料應適用于極端操作條件和緊急情況下的入口和出口溫度。其中熱量輸入值計算，其中熱量輸入計算主要參考GB/T 8175中的相關公式進行計算[4]，TSV泄放量可依據API521中的相關公式進行計算[5]。

3 結論

LNG儲罐的設計壓力為-1～29 kPaG，設計溫度為-165℃，因此在LNG儲罐工藝設計時，液位及泄放系統設計是非常關鍵的。根據上述確定的設計方法，可以確定LNG儲罐液位設定點，可以計算LNG儲罐的泄放量及吸入量，配置相應的PSV、VSV和TSV來對其進行壓力安全保護。