大型LNG全容罐寬罐和窄罐方案比較分析

張雙泉，葉芬，姜秋紅，岳家富，楊勇權(quán)中海石油海南天然氣有限公司

大型LNG全容罐寬罐和窄罐方案比較分析

張雙泉，葉芬，姜秋紅，岳家富，楊勇權(quán)中海石油海南天然氣有限公司

液化天然氣（LNG）溫度極低，通常選擇低溫微正壓方式儲存，LNG儲罐投資巨大，在LNG項(xiàng)目中非常重要。本文以國內(nèi)南方某LNG接收站LNG儲罐方案選擇為例，對兩種高徑比的全容LNG儲罐進(jìn)行優(yōu)劣比較分析，可為以后LNG儲罐結(jié)構(gòu)形式選擇及初步數(shù)據(jù)確定提供參考。

LNG儲罐；寬罐；窄罐；比較分析

1 引言

LNG（液化天然氣liquefied natural gas），一種在液態(tài)狀況下的無色流體，主要由甲烷組成，可能含有少量的乙烷、丙烷、氮或通常存在于天然氣中的其他組分，LNG溫度極低，其沸點(diǎn)在大氣壓力下約為-161.5℃。LNG無味、無毒且無腐蝕性，體積約為同量氣態(tài)天然氣體積1/600，重量僅約為同體積水45%，是一種清潔、環(huán)保型能源，LNG產(chǎn)業(yè)正在我國迅速發(fā)展。

LNG通常選擇低溫微正壓儲存方式，因此，要求LNG儲罐具有良好的耐低溫性能和優(yōu)異的保冷性能，在內(nèi)外罐之間要求填充高性能的保冷材料，罐底保冷材料還要求有足夠的承壓能力。

目前建造的LNG儲罐，主要為全容罐和薄膜罐，國內(nèi)已經(jīng)建設(shè)的大型LNG儲罐容積基本為16萬方，都為全容罐[1][2]。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)以及外觀效果考慮，全容罐徑高比（D/H）一般接近2.0，但儲罐設(shè)計(jì)承包商可根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)能力，在經(jīng)業(yè)主批準(zhǔn)的情況下，選擇不同徑高比的LNG儲罐。本文將針對兩種高徑比的全容LNG儲罐進(jìn)行優(yōu)劣比較分析。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文以國內(nèi)南方某LNG接收站為例，選取16萬方LNG儲罐兩種設(shè)計(jì)方案，分別為內(nèi)罐直徑83.8m的LNG儲罐方案（以下簡稱“寬罐”）和內(nèi)罐直徑為76.32m的LNG儲罐方案（以下簡稱“窄罐”），主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)列舉如表1：

3 比較分析

3.1 安全距離的影響

“寬罐”和“窄罐”相比，外罐外直徑相差87.4-79.92=7.48m，因此，儲罐中心確定后，“寬罐”與工藝區(qū)、控制室、建筑紅線等各設(shè)施之間的距離，需多預(yù)留7.48/2=3.74m的距離；另外，“寬罐”直徑大，要求的罐間距離也大。

各標(biāo)準(zhǔn)對安全距離的要求及“寬罐”“窄罐”對比匯總?cè)绫?。3.2抗震影響

“寬罐”占地面積更大，比“窄罐”更穩(wěn)定，無需設(shè)置錨固帶，結(jié)構(gòu)更加簡單，具有較高的抗震安全性，主要表現(xiàn)為：

3.2.1 穩(wěn)定性

地震條件下，較大的水平力作用于儲罐本身和裝載的LNG液體，因?yàn)長NG液體的重心高于儲罐承臺，導(dǎo)致較大的傾覆力矩作用于內(nèi)罐殼體的下部和內(nèi)罐底部，因此，將可能導(dǎo)致內(nèi)罐殼體的變形和內(nèi)罐底的抬升。如果此變形和抬升的力度足夠大，將有可能導(dǎo)致內(nèi)罐的泄漏和/或垮塌。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)對安全距離的要求Table 2 Safe distance required by Standard

圖3 .2.1 水平力和傾覆力矩對比示意圖Fig.3.21 Horizontal force and overturning moment

圖3 .2.2 應(yīng)力集中示意圖Fig.3.2.2 Mechanism of Stress Concentration

“寬罐”的抗震性優(yōu)于“窄罐”，這是因?yàn)椴还芎畏N構(gòu)造的儲罐，地震加速度幾乎相同，但由于寬罐內(nèi)LNG液體重心較窄罐低，故而“寬罐”的水平作用力、傾覆力矩相比“窄罐”都更小，因此，儲罐內(nèi)罐泄漏和/或垮塌的可能性也更小，地震對“寬罐”的影響更小。示意圖3.2.1。

3.2.2 結(jié)構(gòu)簡單，無錨固帶

如果內(nèi)罐處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必須使用錨固帶以抵御上述的變形和抬升。因?yàn)殄^固帶的使用必須穿透熱角保護(hù)（TCP）層并焊接在TCP板上，所以，不論在地震條件還是在操作條件下，在TCP板穿透位置將產(chǎn)生應(yīng)力的集中。通過計(jì)算，“寬罐”不使用錨固帶，不會發(fā)生上述情況，因此，“寬罐”比“窄罐”更安全。應(yīng)力集中示意如下圖3.2.2。

3.3 施工周期的影響

“寬罐”施工工期與“窄罐”相比，可縮短1個月，主要表現(xiàn)在：

·樁基數(shù)量更少：“寬罐”416根，“窄罐”428根；

·外罐墻體更低：“寬罐”9層施工，“窄罐”11層施工；

·內(nèi)罐高度更低：“寬罐”8層，“窄罐”10層；

·“寬罐”無錨固帶的方案，亦可節(jié)省一定的工期。

因?yàn)楣て诳s短，儲罐施工管理和質(zhì)量管理方面亦可節(jié)省一定費(fèi)用。

3.4 儲罐建造費(fèi)用比較

因?yàn)椤皩捁蕖背惺艿牡卣鹩绊懴鄬^低，“寬罐”方案所需的材料費(fèi)用也相對較低，主要表現(xiàn)在：

·內(nèi)罐壁板相對更薄（“寬罐”方案9Ni鋼使用量比“窄罐”節(jié)省約7.2%）；

·不需要錨固帶材料；

·儲罐樁基數(shù)量更少；

·內(nèi)罐環(huán)形底板底部泡沫玻璃強(qiáng)度降低（“寬罐”采用等級1600泡沫玻璃，“窄罐”需采用等級2400泡沫玻璃）。

“寬罐”方案也有一些對施工建造費(fèi)用增加，如：

·“寬罐”直徑增大，DOKA模板數(shù)量需要適當(dāng)增加；

·塔吊覆蓋半徑需要適當(dāng)增大。

3.5 工藝管線材料費(fèi)用比較

儲罐的高度直接影響了LNG卸料管線的尺寸，“寬罐”罐高相比“窄罐”小，所需的卸料揚(yáng)程小，“寬罐”方案所需的LNG卸料管線尺寸可降低，通過計(jì)算，“寬罐”需LNG卸料管線直徑為42’’，但“窄罐”所需的LNG卸料管線尺寸為44’’，初步減少的管線材料約為42噸。

3.6 儲罐保底LNG比較

儲罐保底液位主要跟罐內(nèi)低壓泵的性能有關(guān)，因此在相同性能泵的前提下，兩種儲罐的保底LNG液位也是相同的。由于“寬罐”底面積較大，故在相同的液位高度下剩余在罐內(nèi)的LNG量要更多。

以內(nèi)罐直徑83.8m的“寬罐”和內(nèi)罐直徑為76.32m的“窄罐”，按保底液位1.5m為例（按照常溫）計(jì)算，大致約：

“寬罐”：3.1416×83.802/4×1.5=8273.1 m3

“窄罐”：3.1416×76.322/4×1.5=6862.1 m3

表3

兩者相差=8273.1-6862.1=1411.0 m3

4 大尺寸LNG儲罐實(shí)例

目前世界上大尺寸LNG儲罐舉例列舉如表3。

5 小結(jié)

“寬罐”地震響應(yīng)值小，具有高抗震穩(wěn)定性，不需要錨固帶，能降低施工周期和費(fèi)用；但“寬罐”方案占地大，保底液多，對周邊道路、管架走向，地下管網(wǎng)等設(shè)施也將造成一定的影響，對儲罐周邊設(shè)施或周邊設(shè)施對儲罐的影響需要進(jìn)行進(jìn)一步的評估和核實(shí)。究竟選用何種徑高比的LNG儲罐，需要各LNG項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件，以及技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較分析作出評判。

[1]張超揚(yáng)帆屈長龍.LNG儲罐大型化及國產(chǎn)化發(fā)展趨勢分析[J].中國造船,2014,55(增刊1),133-140.

[2]王玲徐東杰陶志剛.LNG(液化天然氣)接收站儲罐選型方案分析[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2013,35(8)：279-283.

張雙泉（1974-），男，湖南長沙人，工程師，碩士，目前主要從事液化天然氣（LNG）項(xiàng)目的建設(shè)和管理。