天津浮式LNG工程全容式LNG儲罐總布置設(shè)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(shè)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(shè)計施工及安全運(yùn)營起到關(guān)鍵作用。對全容式LNG儲罐系統(tǒng)主工藝及儲罐上下游工藝流程進(jìn)行了分析研究，確定儲罐各系統(tǒng)、各設(shè)備功能要求。針對各個系統(tǒng)的功能及儲罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求，同時考慮主要工藝管道布置及儲罐整體施工工藝，進(jìn)行儲罐罐頂設(shè)備布置，以及罐頂平臺設(shè)計。該設(shè)計方案在天津浮式LNG項目得到成功應(yīng)用，并經(jīng)過第三方日本IHI公司平行設(shè)計審查批準(zhǔn)。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(shè)備布置進(jìn)行的量化風(fēng)險評估（QRA），儲罐總圖設(shè)計方案滿足設(shè)計要求。該全容式LNG儲罐總圖設(shè)計思路及方法，為LNG儲罐設(shè)計提供了參考指導(dǎo)作用。

液化天然氣；全容式LNG儲罐；總圖布置；設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，在第一層罐體泄漏時，第二層罐體可對泄漏液體與蒸發(fā)氣實(shí)現(xiàn)完全封攔，且不需設(shè)置圍堰，是國內(nèi)、國際上LNG接收站存儲系統(tǒng)常用的儲罐結(jié)構(gòu)型式［4-8］。

1　儲罐總圖設(shè)計方案分析

1.1行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

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(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作嚴(yán)重滯后，我國正在應(yīng)用的LNG工程建設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范大多引用國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有關(guān)內(nèi)容。如國標(biāo)《液化天然氣（LNG）生產(chǎn)、儲存和運(yùn)裝（GB/T 20368）》等同NFPA 59A—2009相關(guān)內(nèi)容，國標(biāo)《液化天然氣設(shè)備與安裝 陸上裝置（GB/T 22724）》等同歐標(biāo)BS EN 1473相關(guān)內(nèi)容。

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

1.2儲罐罐區(qū)布置

1.2.1環(huán)境因素

產(chǎn)生高溫及有害氣體、煙、霧、粉塵的生產(chǎn)設(shè)施，應(yīng)布置在廠區(qū)全年最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)且地勢開闊、通風(fēng)條件良好的地段。罐區(qū)內(nèi)儲罐成組或成排布置，儲罐產(chǎn)生可燃有害氣體，應(yīng)根據(jù)主頻風(fēng)向，首先確定整個罐區(qū)的選址，再考慮單個儲罐的布置。儲罐區(qū)屬于甲類危險區(qū)，位置應(yīng)滿足以上規(guī)定，且宜布置在碼頭一側(cè)。

1.2.2罐區(qū)道路布置

（1）罐區(qū)消防通道的布置。在液化烴、可燃液體、可燃?xì)怏w的罐區(qū)內(nèi)，任何儲罐中心至消防車道的距離應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范（GB 50183—2004）》的有關(guān)規(guī)定，供消防車通行單車道路面內(nèi)緣轉(zhuǎn)彎半徑不應(yīng)小于12 m，道路宜呈環(huán)狀布置。

（2）罐區(qū)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(yīng)不小于相鄰儲罐直徑和的四分之一［9-11］。

1.2.3罐區(qū)儲罐布置

儲罐宜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，減少設(shè)計、施工工作量及偏差，有利于提高工作效率、降低風(fēng)險、縮短工期，節(jié)約人力及資源成本。因此，站場內(nèi)罐區(qū)位置確定后，儲罐宜根據(jù)罐區(qū)內(nèi)主管廊對稱或平行布置，如圖1所示的罐區(qū)布置圖，為儲罐對稱布置。

圖1　罐區(qū)布置示意圖

1.3儲罐總圖布置方案

罐頂設(shè)備宜分區(qū)集中布置，主工藝設(shè)備盡量靠近負(fù)荷中心，并方便主要管道的布置。儀表監(jiān)控設(shè)備宜分片均布于主工藝區(qū)兩側(cè)，防止測量誤差。壓力安全閥泄放系統(tǒng)屬危險源排放，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離主工藝區(qū)或與主工藝區(qū)徑向?qū)ΨQ布置。因真空與超壓工況不會同時出現(xiàn)，真空安全閥可與壓力安全閥靠近布置。

綜上所述，根據(jù)儲罐上、下游工藝流程，可確定罐區(qū)內(nèi)主管廊，根據(jù)罐區(qū)內(nèi)主管廊，可確定儲罐罐頂主工藝區(qū)，并進(jìn)一步確定儀表監(jiān)控設(shè)備區(qū)及氮?dú)獯祾邊^(qū)，進(jìn)行壓力及真空泄放區(qū)布置。

2　儲罐總圖布置影響因素分析

2.1儲罐主工藝系統(tǒng)及設(shè)備

儲罐主要工藝系統(tǒng)及設(shè)備包括頂進(jìn)料管線、底進(jìn)料管線、BOG（蒸發(fā)氣）管線、泵外輸管線、安全閥泄放系統(tǒng)、真空安全閥系統(tǒng)、儲罐罐表控制系統(tǒng)（液位控制、溫度控制、壓力控制、高低液位報警、內(nèi)罐泄漏監(jiān)控、緊急關(guān)斷等）、預(yù)冷系統(tǒng)、儲罐內(nèi)吹掃、惰性氣體置換系統(tǒng)、吊機(jī)系統(tǒng)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(zhì)主要為液態(tài)，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(fā)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(nèi)吹掃及惰性氣體置換系統(tǒng)。吹掃及氮?dú)庵脫Q設(shè)備，宜在儲罐圓周均勻布置。

（2）吊機(jī)系統(tǒng)。應(yīng)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(tǒng)。罐頂雨水排放系統(tǒng)，罐頂雨水應(yīng)收集并引入廠區(qū)雨水排水系統(tǒng)；罐頂泄漏收集系統(tǒng)，用于收集儲罐罐頂泄漏的LNG液體，將其排入廠區(qū)地面LNG收集池，應(yīng)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(yùn)輸船到達(dá)接收站LNG專用碼頭后，LNG由運(yùn)輸船上的輸送泵加壓，經(jīng)卸料臂匯集到LNG總管并輸送至陸上LNG儲罐；陸上儲罐內(nèi)的LNG通過低壓輸送泵輸出，一部分輸送至槽車裝車系統(tǒng)以用于液態(tài)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(jìn)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(wǎng)，進(jìn)入城市管網(wǎng)。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(shè)計。

2.3儲罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（1）內(nèi)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(jìn)而與儲罐內(nèi)部相連。所以，對于儲罐內(nèi)部，需要根據(jù)功能要求對各個管嘴進(jìn)行合理布置。儲罐管嘴的布置，要考慮到進(jìn)入儲罐內(nèi)部的管道或管道護(hù)管的支撐要求。不能距離儲罐罐壁太遠(yuǎn)，否則難以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)；同時，應(yīng)考慮正常運(yùn)行及地震偶然載荷工況下，泵護(hù)管及支撐整體結(jié)構(gòu)振動在可接受范圍內(nèi)。

（2）罐頂穹頂環(huán)梁及椽子等結(jié)構(gòu)對管嘴布置的影響。罐嘴進(jìn)入儲罐的內(nèi)部管道及護(hù)管，應(yīng)避免與穹頂環(huán)梁及椽子、儲罐吊頂板周向布置的吊桿及儲罐內(nèi)甲板周向加強(qiáng)圈構(gòu)成的多層環(huán)網(wǎng)碰撞；罐嘴在儲罐外部應(yīng)避開罐頂平臺結(jié)構(gòu)梁。管嘴需與內(nèi)外部結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)設(shè)計，合理布局，盡量減少碰撞，且滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、配管及工藝等技術(shù)要求。

2.4超低溫管道布置

液化天然氣介質(zhì)管道為超低溫管道（-165℃），管道內(nèi)部介質(zhì)溫度與管道外部環(huán)境溫度溫差高達(dá)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(diǎn)。

如PSV（壓力安全閥）立管管道布置，為CAESARII管道應(yīng)力分析軟件計算結(jié)果，如圖3所示。如果是常規(guī)管道按此方案布置滿足應(yīng)力要求；但若為低溫LNG管線，則應(yīng)力比高達(dá)157.02%，管線應(yīng)力嚴(yán)重超標(biāo)。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(yīng)服務(wù)于管道系統(tǒng)，并滿足設(shè)備操作維修要求；同時，應(yīng)滿足特殊設(shè)備安全距離要求。其中，安全閥排放管口不得朝向鄰近設(shè)備或有人通過的地方，排放管口應(yīng)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(shè)置兩個門洞，供進(jìn)出儲罐內(nèi)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(yù)埋的橫向鋼筋預(yù)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(shè)計方案

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合上述各影響因素，以及超低溫管道柔性設(shè)計要求，完成儲罐管嘴布置及主要管道設(shè)計，進(jìn)而完成儲罐罐頂總圖設(shè)計方案，見圖4。

圖4 罐頂總圖布置

4　結(jié)語

以全容式LNG儲罐為研究對象，在分析LNG儲罐系統(tǒng)主工藝及儲罐上下游工藝流程基礎(chǔ)上，針對各個系統(tǒng)的功能及儲罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求，同時考慮主要工藝管道布置及儲罐整體施工工藝，進(jìn)行儲罐總圖設(shè)計。

該設(shè)計方案在天津浮式LNG項目得到成功應(yīng)用，并經(jīng)過第三方日本IHI公司平行設(shè)計審查批準(zhǔn)。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(shè)備布置進(jìn)行的量化風(fēng)險評估（QRA），儲罐總圖設(shè)計方案滿足設(shè)計要求。該全容式LNG儲罐總圖設(shè)計思路及方法，為LNG儲罐設(shè)計提供了參考指導(dǎo)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(shè)計工作。

2015-03-05