大型常壓LNG雙金屬全容儲罐建造

陳杰，郭旭，翟耀峰，孟樹森，唐志光，顧楓，朱彬，陳海華

（張家港中集圣達因工程有限公司，江蘇 張家港 215600）

現在中國正面臨著嚴重的環境問題，在生態環境污染日益嚴重的形勢面前，為了優化能源消費結構，改善大氣環境，實現可持續發展的經濟戰略，LNG作為一種清潔能源，具備使用安全、熱值高而備受廣泛關注，其相關產業受到國家的重視并得到大力支持。用于儲存LNG的容器也逐步向大型化發展，而LNG雙金屬全容儲罐以建造占地面積小、建造成本低、建造周期短、保冷效果好、運行安全性高等優點受到LNG產業市場的青睞。本文以1臺雙金屬全容儲罐為例，重點對該產品的結構、設計進行研究。

1 雙金屬全容儲罐罐體介紹

LNG低溫常壓雙金屬全容儲罐[1]設備為平底、內吊頂、外拱頂、立式雙圓筒金屬壁、全包容結構。儲罐由主容器、次容器、底部絕熱層、熱角保護層、夾層絕熱層、梯子平臺等組件構成。

主容器為自支撐式、鋼制、頂部敞開式，儲存LNG單壁罐。主容器整個置于底部絕熱層之上，并與次容器壁之間預留有夾層，夾層空間填充密實的珠光砂，以保持儲罐具有良好的絕熱性能；主容器筒體采用不等厚設計，并設置多道整圈加強筋加強，主容器頂部設置內吊頂。吊頂板通過多條不銹鋼扁鋼與次容器頂部徑向梁進行可靠的連接，以保持良好的承重性能，吊頂板之上鋪設玻璃纖維棉，以保持主容器頂部空間范圍內具有良好的絕熱性能；次容器是一個具有拱頂的自支撐式、鋼制、密閉式儲罐。頂部采用工字鋼和加強筋板組成的帶肋結構，次容器在正常操作條件下，作為儲罐主要蒸發氣容器，并支撐主容器的絕熱層材料；在主容器泄漏的工況下，也能夠儲存泄漏的全部LNG。在主容器與次容器底部、夾層空間設置熱角保護，主要作用是在主容器發生泄漏時，底部空間內的泄漏LNG不能直接與次容器筒體底部和底板直接相接觸，防止在主容器發生泄漏時通過次容器壁板冷量傳遞到次容器筒體與底板的大角焊縫位置，使得大角焊縫承受巨大的溫差應力。主容器、次容器下部四周均勻設置了錨固裝置，并與基礎預埋錨固裝置進行可靠連接，使主容器、次容器緊固于儲罐基礎承臺之上，以防止設備在工作載荷和外力（如風載荷、地震載荷等）的作用下產生傾斜與提升。主容器底板和次容器底板之間鋪設泡沫玻璃磚作為底部絕熱層和承受主容器和介質的重量。次容器筒體壁板與熱角保護筒體部分夾層300 mm環形空間內砌設泡沫玻璃磚作為保冷材料和支撐物，用以隔絕在儲罐側壁方向發生的冷量傳遞。

2 設計

2.1 結構強度、穩定性分析計算[2]

主要包括：筒體強度計算、日蒸發率計算、呼吸閥計算、BOG量的計算、補氣量計算、底部絕熱層強度計算、潛液泵泵柱計算、補強圈計算及珠光砂壓力計算。

對于罐頂設計，頂蓋結構是用來支撐平臺、泵柱、動載荷臂、懸浮頂和一些其他載荷諸如靜載荷、動載荷以及隨機載荷的總載荷，現在常用的校核頂蓋結構參數的方法是載荷系數法，次容器頂部框架設計基于有限元分析計算。

2.2 工藝安全設計

主要包括：超壓保護、低壓保護、高液位連鎖、低液位連鎖、夾層泄漏檢測、噴淋水冷卻系統、干粉滅火系統、可燃氣體泄漏檢測等[3]。

2.2.1 壓力控制

LNG全容罐罐內壓力升高時，控制措施如下：頂部設置一路BOG回收管線，當罐內壓力達到設定值時，BOG管道氣動閥打開，抽取罐內BOG，使罐內壓力維持在安全范圍內；頂部配備呼氣閥，當罐內壓力達到設定值時自動開啟，泄放罐內BOG。

LNG全容罐罐內壓力降低時，控制措施如下：設備設置一路自動補氣管線，當罐內壓力降低至設定值時，通過補氣管道向罐內補充常溫介質氣體或氮氣；頂部配備吸氣閥，當罐內壓力達到設定值時吸氣閥自動開啟，向罐內補充空氣。

2.2.2 液位控制

儲罐設置兩臺伺服液位計（帶液位及密度檢測功能）用來連續計量罐內的液位。設置一臺雷達液位超限控制開關，用于儲罐高液位報警。儲罐液位控制措施如下：

1）當液位達到設定的高液位時，控制室報警燈閃爍；

2）當液位達到設定的高高液位時，控制室報警燈閃爍，系統自動切斷進液緊急切斷閥；

3）當液位達到設定的低液位時，控制室報警燈閃爍；

4）當儲罐液位達到設定的低低液位時，控制室報警燈閃爍，系統自動切斷出液緊急切斷閥，潛液泵不能啟動。

2.2.3 溫度檢測

主容器溫度檢測用于儲罐預冷，觀察鋼板溫度變化。主容器與次容器夾層空間溫度檢測用于觀察儲罐運行過程中是否有內漏故障。LNG全容罐溫度檢測點布置如下：主容器壁溫度監控為－200～+650 ℃，數字信號（雙支式表面溫度計，6支）；主容器底板溫度監控：－200～+650 ℃，數字信號（雙支式表面溫度計，5 支）；主容器與次容器夾層空間監控為－200～+650 ℃，數字信號（雙支式表面溫度計，4 支）；主容器液體溫度監控為－200～+650℃，數字信號（液體平均溫度計11點，單支式）。

2.2.4 可燃氣體檢測點

全容罐頂部操作平臺設置多個點式可燃氣體泄漏檢測和可燃氣體泄漏報警系統，輸出4～20 mA信號進DCS系統，實時檢測儲罐頂部管道是否存在泄漏。

2.2.5 LNG全容罐消防控制方案[4]

1）噴淋水系統。儲罐頂部及次容器外壁各設置一圈水噴淋保護，防止儲罐壁溫過高而造成罐內LNG蒸發。

2）干粉系統。儲罐頂部的呼氣閥放散口、自動放空放散口設置干粉滅火系統，防止放散氣體燃燒，威脅儲罐安全。干粉裝置與放散口的溫度檢測及火焰探測連鎖，兩者同時出現開啟信號時，干粉裝置進行自動滅火。

3 工藝管線設計

3.1 進液管線

由液化裝置區送出來的液化天然氣送至LNG儲罐。進液管道采用真空管道，最大限度地減少冷損，進液管至頂部操作平臺后分為2路，其中一路為頂部進液，另一路為底部進液，分別設置遠程控制閥，儲罐運行期間為全開狀態，并設置根部閥，儲罐初次進液使用底部進液，設備正常運行期間頂進液和底部進液切換的依據是：

1）進液物料LNG密度相近時，選用底部進液；

2）當儲罐儲存LNG密度大于進液物料LNG密度時，選用底部進液；

3）當儲罐儲存LNG密度小于進液物料LNG密度時，選用頂部進液；

3.2 排液管線

儲罐主容器內部安裝2臺LNG潛液泵，通過潛液泵將LNG送至裝車站，排液總管設置孔板流量計、遠程控制閥等，排液主管線上所有閥門在儲罐正常運行期間均處于全開狀態，排液管線上設有泵后回流支路，對出液流量進行調節。

3.3 補氣管線

儲罐設置1路補氣管，儲罐壓力低至報警值時對儲罐進行補氣，管線設置遠程控制閥，通過控制閥對儲罐壓力進行補氣。

3.4 儲罐吸氣閥

儲罐設置3套吸氣閥，并設置根部閥，遇儲罐內部壓力低時，吸氣閥自動打開，向儲罐內部吸入空氣，防止負壓對儲罐穩定性的破壞，根部閥處于常開狀態，3臺吸氣閥不允許同時檢修，檢修時先關閉各自根部閥。

3.5 BOG回收管線

儲罐運行時產生的BOG通過回收管線輸送至壓縮機回收。管線上設置控制閥，在儲罐正常運行中為關閉狀態，當儲罐壓力達到15 kPa時，控制閥自動打開，BOG回收管線暢通，BOG氣體去往壓縮機，當BOG泄放使儲罐壓力降低至15 kPa時，控制閥自動關閉，管線切斷。BOG回收管線設置根部閥，該閥門在儲罐正常運行期間均處于全開狀態。

3.6 儲罐呼氣閥

儲罐設置2套防超壓呼氣閥，并設置根部閥，當儲罐內部壓力達到24 kPa時，呼氣閥自動打開，將儲罐內部超壓氣體排放至儲罐外部，防止儲罐超壓，根部閥處于常開狀態，2臺呼氣閥不允許同時檢修，檢修時先關閉各自根部閥。

3.7 泵后回流管線

儲罐設置有潛液泵后回流管線，回流管線引出口位于排液總管上，回流管線上各設置根部止回閥，防止液體倒流。同時潛液泵泵后回流管線上各設置控制閥，控制閥與潛液泵排液管線上流量計關聯，控制閥設置前端根部閥、后端根部閥。

3.8 裝車液相回流管線

儲罐設置一路裝車液相回流管線，用于裝車位LNG回罐，設置常開根部閥。

3.9 裝車BOG回流管線

儲罐設置一路裝車氣相回流管線，用于裝車位NG回罐，設置常開根部閥。

4 結束語

對于同等儲存容積，雙金屬全容儲罐一次投資費用低，占地小 、附加值高，建造技術難度大、要求高，擁有該技術的國家少，市場潛力巨大。