關(guān)于LNG儲罐工作容積影響因素的探討

賈保印，白改玲

中國寰球工程有限公司，北京100012

關(guān)于LNG儲罐工作容積影響因素的探討

賈保印，白改玲

中國寰球工程有限公司，北京100012

針對LNG儲罐容積認(rèn)識混亂的現(xiàn)象，分析相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合國內(nèi)外實際工程項目及現(xiàn)場工程經(jīng)驗，明確了LNG儲罐容積的含義，分析影響LNG儲罐工作容積的主要因素，這些因素主要有LNG儲罐類型、最高操作液位、地震時液面晃動高度、潛液泵所需最小液位、泵井收縮量、施工質(zhì)量和精度等。研究表明：明確LNG儲罐容積的含義可為設(shè)計、施工及管理人員提供可靠的指導(dǎo)性基準(zhǔn)，有利于形成儲罐罐容及尺寸系列標(biāo)準(zhǔn)化；提高儲罐容積利用率可降低工程項目的建設(shè)成本和提高行業(yè)內(nèi)的市場競爭力。

LNG儲罐；公稱容積；工作容積；晃動高度；潛液泵；泵井收縮

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(yùn)行是整個LNG接收站保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵[1-2]。

在LNG儲罐的工程設(shè)計、建設(shè)及應(yīng)用過程中，工程設(shè)計人員、施工人員和管理人員對LNG儲罐容積、建設(shè)成本、工期及經(jīng)濟(jì)性出現(xiàn)了不同的認(rèn)識和理解，主要是行業(yè)內(nèi)對LNG儲罐容積定義不清晰、不明確。如兩個不同的工程項目中，對外同為20萬m3的LNG全容罐，其實際的內(nèi)罐幾何容積相差將近3萬m3，兩個LNG儲罐的建設(shè)周期、施工難度、建設(shè)費(fèi)用、市場競爭力差距較大，因此明確和統(tǒng)一LNG儲罐容積的含義十分必要。

此外，相同公稱容積的LNG儲罐用于不同的工程項目中，受工程站址、罐內(nèi)安裝的潛液泵等因素的影響，其工作容積明顯不同。由于LNG儲罐的造價非常高，最大程度增大LNG儲罐的工作容積，提高儲罐容積利用率可明顯降低工程項目的建設(shè)成本和提高行業(yè)內(nèi)的市場競爭力。目前很少文獻(xiàn)對影響LNG儲罐工作容積的影響因素進(jìn)行詳細(xì)的說明探討或明確規(guī)定。

針對LNG儲罐容積認(rèn)識混亂的現(xiàn)象，本文以LNG全容罐為例，對LNG工作容積及其影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 LNG全容罐的基本結(jié)構(gòu)

國內(nèi)已建成投產(chǎn)或在建的LNG接收站儲罐大部分采用由9%Ni鋼制內(nèi)罐、9%Ni鋼制底角保護(hù)、鋁合金吊頂、16MnDR鋼襯板（外罐內(nèi)壁）和預(yù)應(yīng)力混凝土外罐組成的全容罐（簡稱FCCR），如圖1所示。內(nèi)罐用來儲存LNG，內(nèi)罐和外罐之間充裝絕熱材料，可減少熱量傳入[3-5]，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，并可承受一定的熱輻射及沖擊荷載。

2 LNG儲罐工作容積定義及影響因素

2.1 LNG儲罐工作容積定義

通過分析API 625-2010“Tank systems for refrigerated liquefied gas storage”及國內(nèi)《石油化工設(shè)計手冊》，可將LNG儲罐的容積分為三類：公稱容積、儲存容積和工作容積（有效容積），如圖2所示。

圖1 全容罐（FCCR）的基本結(jié)構(gòu)示意

（1）公稱容積：LNG儲罐內(nèi)罐圓柱部分幾何容積的圓整值，即按照內(nèi)罐幾何尺寸計算出來的容積。

（2）儲存容積：正常操作條件下允許儲存的最大容積，即按照內(nèi)罐的設(shè)計液位計算出來的容積。

圖2 全容罐（FCCR）的儲罐容積

（3）工作容積（有效容積）：正常操作條件下允許的最高操作液位（高報警液位）和允許的最低操作液位（低報警液位）之間的容積，即按照內(nèi)罐的高低液位之間計算出來的容積，也是正常狀態(tài)下潛液泵泵送的容積。

表1列出了三個實際工程項目中典型LNG儲罐的容積。

表1 L NG儲罐的容積

由表1所示，不同項目中相同公稱容積的LNG儲罐，其儲存容積和工作容積也會有所不同。

綜上所述，對于結(jié)構(gòu)、幾何容積相同的罐型，罐體結(jié)構(gòu)的投資基本相同。由于工作容積是LNG項目實際操作運(yùn)行所關(guān)注的參數(shù)，故LNG儲罐的投資應(yīng)按照工作容積進(jìn)行對比才更有意義，因此提高其工作容積是工程項目設(shè)計優(yōu)化的重要內(nèi)容和方向。

2.2 LNG儲罐工作容積的影響因素

由圖2所示，LNG儲罐的工作容積為正常操作條件下允許的最高操作液位（高報警液位）和允許的最低操作液位（低報警液位）之間容積，因此對于直徑和公稱容積固定的LNG儲罐，影響最高操作液位和最低操作液位的因素即為影響LNG儲罐工作容積的因素。影響LNG儲罐工作容積的因素有建設(shè)站址、地震時液面晃動高度、潛液泵的廠商數(shù)據(jù)、泵井收縮量和施工精度等，以下逐一進(jìn)行分析論述。

2.2.1 地震時液面晃動高度

根據(jù)規(guī)范GB/T 26978.1-2011《現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)液化天然氣儲罐的設(shè)計與建造》和API 625-2010“Tank systems for refrigerated liquefied gas storage”要求，當(dāng)LNG儲罐液位為最高操作液位時，LNG儲罐的內(nèi)罐高度應(yīng)按照能承受安全停運(yùn)地震（以下稱“SSE”）和運(yùn)行基準(zhǔn)地震（以下稱“OBE”）作用進(jìn)行設(shè)計，因此LNG儲罐最高操作液位應(yīng)為內(nèi)罐高度減去地震時液面晃動高度。通常將SSE計算的晃動高度與OBE計算的晃動高度另加300mm后的數(shù)值進(jìn)行比較，選擇較大值作為地震時晃動波高。

地震時晃動波高由“計算地震加速度值”來確定，而“計算地震加速度值”取決于工程站址所在地區(qū)國家發(fā)布的地震加速度值、工程項目中LNG儲罐采用的隔震設(shè)施等因素，如某工程站址的國家規(guī)定的地震加速度值較高，但實際項目中采用一定的隔震措施后即可降低地震加速度值，修正后的地震加速度值即為“計算地震加速度值”，以此數(shù)據(jù)作為儲罐液面晃動高度的計算基準(zhǔn)。對于固定公稱容積的LNG儲罐，根據(jù)適宜的高徑比，選定內(nèi)罐高度和直徑，并在此直徑基礎(chǔ)上利用計算地震加速度值通過不斷試差來最終確定最高操作液位。

因此，對于固定的公稱容積和內(nèi)罐高度的LNG儲罐，由于不同建設(shè)地點的SSE和OBE值不同，計算出的地震時晃動波高不同，則儲罐的最高操作液位也不同，進(jìn)而可能導(dǎo)致LNG儲罐的工作容積不同，地震時晃動波高越大，則LNG儲罐的工作容積越小。

2.2.2 潛液泵所需最低液位

LNG儲罐的最低操作液位由潛液泵的特性確定，比如潛液泵的正常啟動最低液位值、必需汽蝕余量（揚(yáng)程下降3%）等，上述數(shù)據(jù)隨潛液泵設(shè)備特性參數(shù)的不同而差異較大，應(yīng)視具體供貨商的產(chǎn)品特性選取潛液泵所需最小液位高度。因此，對于固定的公稱容積和內(nèi)罐高度的LNG儲罐，潛液泵正常啟動最低液位越小，則LNG儲罐的工作容積越大。

2.2.3 泵井收縮量

泵井材質(zhì)為不銹鋼，泵井安裝過程處于常溫狀態(tài)，運(yùn)行時處于低溫狀態(tài)（-161℃），當(dāng)進(jìn)行泵井預(yù)冷時，泵井會隨著溫度的降低收縮。由于泵井的固定端位于LNG儲罐的罐頂部分，泵井會向上收縮，造成潛液泵遠(yuǎn)離LNG儲罐內(nèi)罐罐底底板。不同型號的不銹鋼，其收縮系數(shù)不同，造成泵井收縮量不同；相同材質(zhì)的泵井，泵井的高度不同，也會造成泵井的收縮量不同。因此影響泵井收縮量的主要因素為泵井高度和泵井材質(zhì)。由于泵井收縮量導(dǎo)致潛液泵的操作液位升高，因此泵井收縮量對LNG儲罐工作容積的影響與潛液泵的正常啟動最小液位相同，泵井的收縮量越大，則LNG儲罐的工作容積越小。

2.2.4 施工精度

大型LNG儲罐內(nèi)罐直徑較大，通常底板由許多的鋼板焊接而成，鋼板的焊接通常采用搭接焊工藝，該焊接工藝特點及現(xiàn)場施工條件、施工精度水平造成內(nèi)罐底板并不是完全平整的，內(nèi)罐底板的不同位置距離泵井底部的絕對高度不同，因此泵井安裝位置和施工精度也會影響最小操作液位的取值。設(shè)計中通常規(guī)定泵井底閥與儲罐底板之間的間隙，施工精度不同會導(dǎo)致此間隙值不同，間隙越大，則LNG儲罐的工作容積越小。

3 結(jié)論

通過上述對LNG儲罐容積定義的闡述以及影響LNG儲罐工作容積因素的探討，得出以下結(jié)論：

（1）明確LNG儲罐容積的含義可為設(shè)計、施工及管理人員提供可靠的指導(dǎo)性基準(zhǔn)；有利于形成儲罐罐容及尺寸系列標(biāo)準(zhǔn)化，指導(dǎo)工程設(shè)計；同時明確對比基準(zhǔn)，便于建設(shè)單位和設(shè)計人員在LNG儲罐選型時進(jìn)行技術(shù)及經(jīng)濟(jì)對比。

（2）提高儲罐容積利用率可降低工程項目的建設(shè)成本和提高行業(yè)內(nèi)的市場競爭力。

（3）影響儲罐工作容積的因素有LNG儲罐類型、最高操作液位、地震時液面晃動高度、潛液泵所需最小液位、泵井收縮量、施工質(zhì)量和精度等，工程實踐中應(yīng)針對不同項目特點，密切關(guān)注和優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)最佳的工作容積和經(jīng)濟(jì)性。

[1]王珊珊，高天喜，黃永剛．20萬立方米全容式LNG儲罐可實施性研究[J].化工設(shè)計，2014，24（4）：24-30.

[2]王立敏.國內(nèi)外LNG行業(yè)的變化與趨勢[J].國際石油經(jīng)濟(jì)，2008（12）：57-62.

[3]顧安忠.液化天然氣技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：288-291.

[4]成永強(qiáng)，崔婧.大型LNG儲罐的吹掃干燥技術(shù) [J].實驗研究，2013，32（1）：28-31.

[5]賈保印，宋媛玲，李嬋，等．液化天然氣全容罐干燥置換氮?dú)庥昧坑嬎鉡J]．煤氣與熱力，2015，35（8）：5-10.

Discussion on factors affecting working volume ofL NGtank

JIABaoyin，BAIGailing
China Huanqiu Contracting&Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100012，China

LNGstorage tank；nominalvolume；working volume；sloshing height；submerged pump；pump wellshrink

賈保印（1983-），男，山東聊城人，工程師，2009年畢業(yè)于天津大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)，現(xiàn)主要從事液化天然氣領(lǐng)域的設(shè)計和研發(fā)工作。Email：jiabaoyin@hqcec.com

2017-02-17

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.04.011

Abstrac：With consideration to the relevant standard，domestic and international engineering projects and field engineering experience，the definition of LNG tank volume is ascertained.The key parameters to affect the working volume are studied and analyzed.The main factors affecting the working volume of LNG tank are LNG tank type，highest operational level，seismic liquid surface sloshing height，required minimum liquid level of submerged pump，pump well shrink length，construction quality and precision.The research shows that the ascertained definition of LNG tank working volume can provide the reliable guiding standard for personnel of design，construction and management，and is conducive to the formation of standards about tank capacity and size series;improving the working volume can reduce project construction cost and improve the market competitiveness in the industry.