大氣濕度對LNG儲罐負壓泄放量的影響

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 翟春榮

大氣濕度對LNG儲罐負壓泄放量的影響

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 翟春榮

文章深刻分析了大氣濕度影響LNG儲罐欠壓泄放量的原因，并以具體工程項目為例，計算大氣濕度影響欠壓泄放量的影響程度，為優(yōu)化LNG儲罐欠壓泄放量計算打下基礎(chǔ)，提高了工程技術(shù)人員和管理人員的認識，在一定程度上對工程設(shè)計有所幫助。

LNG儲罐 真空安全閥 大氣濕度 負壓泄放量

0 前言

液化天然氣(LNG)儲罐是LNG接收站重要的核心設(shè)備，儲罐的安全平穩(wěn)運行是整個LNG接收站保持正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。國內(nèi)已建成投產(chǎn)或在建的LNG接收站儲罐大部分采用全容罐。由于LNG儲罐投資成本非常高，LNG儲罐的安全是工藝系統(tǒng)設(shè)計的核心，在工程設(shè)計中一般都會采用以下4個層次的措施來避免LNG儲罐出現(xiàn)負壓：

(1)在正常操作條件下，LNG儲罐的壓力均是通過壓縮機壓縮、外輸LNG儲罐的蒸發(fā)氣(Boil-Off Gas簡稱BOG)來控制，即通過調(diào)節(jié)BOG壓縮機的運行負荷來維持LNG儲罐的氣相空間壓力的穩(wěn)定；

(2)當LNG儲罐的壓力降低至一定設(shè)定值時LNG儲罐的壓力信號會自動停止BOG壓縮機的運行和LNG儲罐罐內(nèi)低壓LNG泵；

(3)當LNG儲罐壓力繼續(xù)下降至一定的設(shè)定值時，來自高壓天然氣管網(wǎng)的高壓天然氣或來自氮氣管網(wǎng)的氮氣通過補氣控制閥輸送至LNG儲罐的氣相系統(tǒng)來維持LNG儲罐的壓力；

(4)若采取上述措施后LNG儲罐的壓力仍然繼續(xù)降低，設(shè)置在LNG儲罐頂部的真空閥將會自動打開，將環(huán)境中的空氣補充至LNG儲罐，避免LNG儲罐出現(xiàn)負壓而損害LNG儲罐。

因此，真空閥作為LNG儲罐安全的最后一道保護措施，其欠壓泄放量的計算是否合理直接關(guān)系到LNG儲罐的本質(zhì)安全。

《液化天然氣設(shè)備與安裝 陸上裝置設(shè)計》(GB/T 22724—2008)、《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運》(GB/T 20368—2012)和周琳琳等《LNG儲罐壓力控制系統(tǒng)設(shè)計》、劉浩等《LNG低溫儲罐壓力安全系統(tǒng)設(shè)計》從工藝設(shè)計、操作角度分別對LNG儲罐真空閥的欠壓工況和處理量的計算做了明確和詳細的規(guī)定，但規(guī)范和文獻中極少提到在實際工程項目中大氣濕度對LNG儲罐欠壓泄放量的影響，造成LNG儲罐欠壓泄放量的計算不準確，影響LNG儲罐的本質(zhì)安全。

本文指出了影響LNG儲罐真空閥安裝位置的因素，分析大氣濕度影響LNG儲罐欠壓泄放量的原因，并以具體工程項目為例，計算了大氣濕度影響欠壓泄放量的影響程度，為優(yōu)化LNG儲罐欠壓泄放量計算打下基礎(chǔ)，對工程設(shè)計有所幫助。

1 影響真空閥的安裝位置的因素

國內(nèi)已建成投產(chǎn)或在建的LNG接收站儲罐大部分采用9%Ni鋼內(nèi)罐預應力混凝土外罐的全容罐(簡稱FCCR)，它是由9%Ni鋼制內(nèi)罐、9%Ni鋼制熱角保護、鋁合金吊頂、16MnDR鋼襯板(外罐內(nèi)壁)和預應力混凝土外罐組成。內(nèi)罐用來儲存LNG，內(nèi)罐和外罐之間盛裝絕熱材料，可減少熱量傳入，外罐用來密閉蒸發(fā)氣氣體，可在內(nèi)罐泄漏情況下承裝LNG，還并可承受一定的熱輻射及沖擊荷載。

通常LNG儲罐的真空閥安裝在LNG儲罐的頂部，真空閥出口管線穿越LNG儲罐穹頂混凝土至鋁合金吊頂空間內(nèi)。主要原因如下所示：

1.1 大氣水分預冷結(jié)冰和爆炸環(huán)境置換難易程度

LNG儲罐處于正常運行狀態(tài)時，內(nèi)罐內(nèi)氣相空間溫度通常較低，約為-140～-160 ℃，鋁合金吊頂以上空間由于吊頂部分的隔冷層保護溫度為常溫狀態(tài)。當LNG儲罐因欠壓導致真空閥開啟時，環(huán)境中的空氣會通過真空閥進入LNG儲罐的氣相空間，空氣會同LNG儲罐原有的BOG氣體混合。

當真空閥出口管線穿越LNG儲罐穹頂混凝土和鋁合金吊頂后進入內(nèi)罐的氣相空間時，空氣會和內(nèi)罐低溫的BOG混合。一方面空氣中的水分預冷會凝固成冰粒，由于冰的密度大于LNG的密度，形成的冰粒會沉降至LNG儲罐的底部，當?shù)蜏豅NG泵外輸時會在LNG儲罐的底部形成渦流，一旦冰粒隨著渦流進入低溫LNG泵，嚴重時會對低溫LNG泵的誘導輪、葉輪產(chǎn)生損壞，影響低溫LNG泵及下游管道、儀表和設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，另一方面空氣會和低溫的BOG混合形成可燃氣體，無論可燃氣體總量多少，此時儲罐需要將所有的可燃物質(zhì)排空，重新進行LNG儲罐的氮氣置換和預冷，才能投入使用，因此消除爆炸環(huán)境過程較為復雜。

當真空閥出口管線穿越LNG儲罐穹頂混凝土后進入鋁合金吊頂以上氣相空間時，空氣會和吊頂側(cè)的常溫的BOG混合。在真空閥泄放能力計算時需考慮空氣進入內(nèi)罐低溫的氣相空間，但實際運行操作時發(fā)生該工況的幾率極小，只有當真空閥開啟時間較長，大量的空氣進入并充滿吊頂空間后，沿著吊頂通氣孔進入內(nèi)罐的氣相空間，因此在實際操作過程中空氣中的水分不易進入內(nèi)罐空間，不會凝固成冰粒，對低溫LNG泵和下游設(shè)備、儀表的影響較小，利于生產(chǎn)的正常運行。而集中在吊頂上部氣相空間的可燃氣體可利用罐頂?shù)臍庀嗯欧趴赘唿c放空，通過持續(xù)的分析放空氣體的組成即可判斷出可燃氣體是否已經(jīng)放空完畢，因此消除爆炸環(huán)境的過程相對容易。

1.2 真空閥出口管線的阻力損失

LNG儲罐的設(shè)計負壓較低，通常為-0.49 kPa，充分利用環(huán)境壓力和LNG儲罐的設(shè)計負壓差，提高真空閥的泄放能力是十分必要的，因此需要盡可能降低真空閥出口管線的阻力損失，提高真空閥的泄放量。顯然，真空閥出口管線越短，管線阻力損失越小，真空閥的流通能力越大。

綜上所述，LNG儲罐真空閥出口管線布置應穿越LNG儲罐穹頂混凝土至鋁合金吊頂空間內(nèi)。

2 大氣濕度影響LNG儲罐欠壓處理量的計算

根據(jù)規(guī)范《液化天然氣設(shè)備與安裝 陸上裝置設(shè)計》(GB/T 22724—2008)要求，LNG儲罐欠壓泄放量應考慮BOG壓縮機運行、低壓LNG泵運行和大氣壓升高三種因素同時疊加的工況，均未提及大氣濕度對LNG儲罐欠壓泄放量的影響。而實際操作過程中當空氣進入LNG儲罐內(nèi)罐時，空氣中的水分會凝結(jié)為冰粒，在一定程度上減少了用了補充LNG儲罐壓力的氣體的體積流量，因此真空閥的泄放量應考慮一定的裕量來彌補水蒸氣凝結(jié)造成的影響。

本節(jié)以具體工程項目為例計算大氣濕度影響欠壓泄放量的影響程度。表1為某工程項目的溫度、壓力和濕度條件。

表1 某工程項目的溫度、壓力和濕度條件

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，通過模擬軟件Hysys可以計算出環(huán)境溫度(T0)所對應的水的飽和蒸汽壓(p1)為：7.944 kPa。

利用公式(1)、(2)和(3)進行計算：

其中：p2——大氣中水蒸氣的分壓，kPa；

p1——水蒸氣飽和蒸汽壓，kPa；

p0——絕對最低氣壓，kPa；

H0——濕度；——大氣中水蒸氣的體積分數(shù)；

綜上所述，本案例中大氣濕度對LNG儲罐欠壓泄放量的影響較大，應考慮7.1%的裕量才能滿足LNG儲罐實際的補氣需求，因此在計算LNG儲罐欠壓泄放量時應考慮一定程度的裕量來彌補大氣濕度對欠壓泄放量的影響。

3 結(jié)語

通過分析影響LNG儲罐真空閥安裝位置的因素以及剖析大氣濕度影響LNG儲罐欠壓泄放量的原因，形成以下結(jié)論：

(1)LNG儲罐真空閥出口管線布置應穿越LNG儲罐穹頂混凝土至鋁合金吊頂空間內(nèi)。

(2)計算LNG儲罐欠壓泄放量時應考慮一定程度的裕量來彌補大氣濕度對欠壓泄放量的影響，才能保證LNG儲罐的本質(zhì)安全。

Effect of Atmospheric Humidity on Negative Pressure Discharge of LNG Tank

Shanghai Natural Gas Pipeline and Network Co., Ltd. Zhai Chunrong

This paper explains the relationship between atmospheric humidity and negative pressure discharge.Taking a certain specific project as example, it analyzes the influence of atmospheric humidity on negative pressure discharge, offers parameters to the optimization design of LNG tank. At the same time, this paper has actual guiding significance for similar engineering management.

rLNG Tank, Vacuum relief valve, atmospheric humidity, negative pressure discharge