LNG接收站儲罐區(qū)集液池的設(shè)計

高曉勸

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

1 LNG儲罐泄漏風險識別

通過對LNG罐區(qū)的危險性分析，LNG儲罐及儲罐區(qū)的潛在風險主要有儲罐的全面破裂泄漏、罐頂全面失效、罐頂安全閥泄漏火災分析、LNG儲罐輸入/輸出管線泄漏分析四個方面。

根據(jù)荷蘭CPR紫皮書，儲罐的全面破裂和罐頂全面失效發(fā)生的推薦概率為1×10-8，管線全破裂失效概率推薦值為5×10-7，都可認為是可忽略概率。壓力釋放裝置排放高度確定時，已考慮熱輻射的影響。因此，僅考慮LNG進出口管線發(fā)生泄漏時的泄放量。

NFPA—59A—2019對于管道的設(shè)計溢出量的要求見表1，考慮50mm孔徑下對應(yīng)的泄漏量。依據(jù)《石油天然氣防火規(guī)范》要求，集液池用于收集管道、閥門等處泄漏事故中泄漏的液化天然氣，攔蓄區(qū)用于收集儲罐破裂等重大泄漏事故中泄漏的液化天然氣。接收站LNG儲罐多采用全容式混凝土頂儲罐，全容罐能夠有效地防止罐內(nèi)的LNG泄漏，因此LNG儲罐不需要考慮攔蓄堤，故儲罐區(qū)集液池僅考慮進出料管道發(fā)生泄漏LNG的收集。大尺寸管道發(fā)生全破裂的概率依據(jù)HCRD和OGP數(shù)據(jù)庫為不可置信的場景，故此處不考慮管道全破裂工況。因此需要在接收站設(shè)備設(shè)施設(shè)計、采購、安裝、運行、維護的全生命周期內(nèi)加強機械完整性管理，提升企業(yè)的過程管理水平，尤其是特別關(guān)注管徑較大的長管線的設(shè)備完整性管理。

表1 設(shè)計溢出

相比較于相關(guān)文獻報道的采用卸船管線全破裂場景下LNG的泄漏量，集液池的容積按照蒸發(fā)后剩余的LNG存量進行設(shè)計，該文獻認為該場景下泄漏的LNG大部分蒸發(fā)，但是大量的LNG氣化后的造成的后果影響并沒有在設(shè)計中進行考慮。

2 集液池設(shè)置的原則

集液池的設(shè)計容積要遵循：①管道的泄漏量考慮50mm孔徑下，10min的泄漏量和管道存量的總和；②考慮集液池所在區(qū)域內(nèi)管道的最大一處可能泄漏量；③LNG泄漏時消防泡沫的量和該區(qū)域可能發(fā)生的雨水量的總和。

LNG泄漏收集系統(tǒng)采用收集盤收集LNG，同時采用導流管或?qū)Я鳒峡刂频孛婊蚱脚_上泄漏的大面積LNG流淌，將LNG集中收集通過露天的導向管道導流到集液池中，避免在地面形成蒸汽云的流動層，在集液池中使用高倍數(shù)泡沫覆蓋，進一步降低了火災或爆炸的可能性。集液池事故工況下收集的LNG依靠物流蒸發(fā)的方式排出。

集液池內(nèi)LNG的蒸發(fā)熱量來源有3個方面，分別是地面熱傳導、空氣對流傳熱和輻射熱。

1）熱傳導：由于LNG和混凝土地面存在較大的溫度差，液池汽化的熱量主要來自于其覆蓋的地面。LNG液池的熱通量既與地面溫度有關(guān)，又與LNG沸騰形式有關(guān)，包括核沸騰、膜沸騰和過渡沸騰。

LNG 與地面發(fā)生熱傳遞，蒸發(fā)量計算方法：

式中，Sc為空氣的施密特常數(shù)；μa為空氣的動力黏度，ρa為空氣的密度，Dac為空氣的擴散系數(shù)；Ua為10高度處環(huán)境的風速；ΔHv為特定溫度下的蒸發(fā)潛熱；Mc為泄漏LNG的分子量；Pv泄漏液體的飽和蒸氣壓；R為氣體常數(shù)。

2）空氣對流傳熱：空氣對流傳熱的作用是使氣云垂直抬升，該空氣來自于大氣和液池界面之間的摩擦層。當風速足夠大時，空氣進入摩擦層并使空氣和低溫氣云混合。相對于補充的空氣，LNG氣云的溫度較低，空氣釋放凝結(jié)潛熱，導致氣云溫度穩(wěn)步上升。

對流傳遞熱量計算公式為：

式中，λa為空氣的熱傳導系數(shù)；r為液池在某時刻液池擴展的半徑；L為液池的直徑；Nu為Nussel常數(shù)。

其中，Pr為普朗特常數(shù)，；Re為雷諾數(shù)，；Cpa為空氣比熱容，μa為空氣黏度。

3）輻射熱（含太陽熱輻射和長波熱輻射）：輻射傳遞熱量分為兩部分，一部分為太陽輻射Qsolar，一部分為長波輻射Qlong。

式中，Sr為熱通量；ε為液池釋放系數(shù)，0.095；σ為史蒂芬-波茲曼常數(shù)。

研究表明，太陽輻射熱及長波輻射熱對液池溫度和熱量傳遞的貢獻較小，在計算過程中將其忽略。

3 計算模型的選擇

3.1 LNG集液池蒸汽云擴散要求

擴散隔離區(qū)邊界的空氣中氣體平均濃度不應(yīng)超過甲烷爆炸下限的50%。集液池天然氣蒸氣云擴散隔離區(qū)邊界不應(yīng)超出站場圍墻，站場重要設(shè)施（發(fā)生火災時，影響火災撲救或可能造成重大人身傷亡的設(shè)施，如集中控制室、裝車控制室、辦公室等人員較為集中的場所）不應(yīng)設(shè)置在液化天然氣蒸氣云擴散隔離區(qū)內(nèi)。氣象條件按帕斯奎爾大氣穩(wěn)定度F（Pasquill）及2m/s風速計算。

3.2 LNG集液池熱輻射要求

LNG一旦泄漏通過收集盤、導流溝收集進集液池，遇點火源引燃迅速發(fā)生回火，形成集液池火災，周圍的人員、設(shè)備和建筑物都可能收到熱輻射的影響，根據(jù)《石油天然氣設(shè)計防火規(guī)范》，集液池到液化天然氣站場內(nèi)外活動場所、建（構(gòu)）筑物的隔熱距離需要滿足要求。計算集液池池火災熱輻射值時，需采用液化天然氣燃燒的熱輻射計算模型確定；燃燒面積應(yīng)按集液池內(nèi)全部容積的表面積確定；集液池內(nèi)壁至液化天然氣站場內(nèi)設(shè)施隔熱距離不應(yīng)小于15m。需要特別提出的是當集液池毗鄰無建、構(gòu)筑物的海域時，隔熱距離可 不做限制。

3.3 熱輻射計算天氣條件的選擇

站場區(qū)域出現(xiàn)頻率大于或等于5%的風速、環(huán)境溫度、相對濕度、大氣穩(wěn)定度等氣象條件等因素。

4 工程實例

4.1 工程概況

當?shù)貧庀髼l件資料：年平均溫度20.3℃，極端最高37.4℃，極端最高0.9℃；年平均相對濕度80%；日照輻射強度0.5kW/ m2；年平均風速6.6m/s，最大風速44m/s。

LNG組成：以含甲烷99.84%的貧液進行計算。

4.2 泄漏量

泄漏量按照低溫罐內(nèi)泵出口管道發(fā)生泄漏時的泄漏質(zhì)量進行計算，泄漏量為34.2kg/s，集液池的容積需要考慮10min的泄漏量、相連管道容積以及消防泡沫雨水的容積之和，因此確定罐區(qū)集液池的容積為90m3。

4.3 蒸汽云擴散及熱輻射計算

運用Phast軟件計算罐區(qū)集液池池火的危害影響距離見表2。

表2 罐區(qū)集液池熱輻射范圍計算表

由表2可以看出，風速越大熱輻射的影響范圍越大，同等風速條件下，大氣穩(wěn)定度不同，對熱輻射影響范圍沒有變化，因此進行接收站熱輻射計算時，需要考慮該區(qū)域出現(xiàn)頻率大于或等于5%的風速下的最大影響范圍，避免選用計算最大風速下的熱輻射影響范圍，造成過度設(shè)計。

風速越大蒸汽云擴散的影響距離越大，同等風速下，大氣穩(wěn)定度越穩(wěn)定，越不利于可燃氣云的擴散，蒸汽云擴散的影響距離越大。以上各種工況，在2F的天氣下，蒸汽云影響范圍最大。

接收站選址及總平面布置時，結(jié)合集液池的熱輻射距離及蒸汽云擴散的安全距離進行設(shè)計，為接收站設(shè)計提供依據(jù)，能有效降低事故風險。

5 結(jié)語

1）參考NFPA—59A—2019及GB 50183，集液池有效容積考慮50mm可置信孔徑下，10min的泄漏量進行計算。

2）大氣穩(wěn)定度越穩(wěn)定，蒸汽云擴散的影響距離越大，2F天氣條件下的影響范圍最大。

3）風速越大，集液池的熱輻射影響距離越大，進行接收站熱輻射計算時，需要考慮接收站所在區(qū)域出現(xiàn)頻率大于或等于5%的風速下的影響范圍，避免過度設(shè)計。

4）在工程設(shè)計及運行中，應(yīng)加強對LNG管道完整性管理，定期對LNG管線狀況進行檢查，防止因腐蝕、意外碰撞等原因造成的管線斷裂。

5）嚴格控制點火源，加強LNG接收站安全檢查及監(jiān)管，避免發(fā)生火災爆炸的事件發(fā)生。