影響LNG儲(chǔ)罐吊頂通氣孔尺寸的工況分析

賈保印 徐 坤 趙甲遞

中國(guó)寰球工程有限公司北京分公司, 北京 100012

0 前言

大型LNG儲(chǔ)罐通常采用吊頂結(jié)構(gòu),為了平衡吊頂上下氣相空間的壓力,需在吊頂上設(shè)置通氣孔。典型LNG儲(chǔ)罐(FCCR)通氣孔結(jié)構(gòu)見圖1～2。國(guó)內(nèi)外在大型低溫LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)建造方面已制定了專門的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn),其中規(guī)范GB/T 26978-2011《現(xiàn)場(chǎng)組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)液化天然氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造》[4]和EN 14620-2006 Design and Manufacture of Site Built,Vertical,Cylindrical,Flat-bottomed Steel Tanks for the Storage of Liquefied Natural Gases with Operating Temperatures Between 0 ℃and -165 ℃[5]中規(guī)定,吊頂通氣口的設(shè)置應(yīng)使吊頂上下空間之間的壓差產(chǎn)生的作用力不超過吊頂?shù)闹亓?以免吊頂被舉升。另外,在BS 7777-1993 Flat-bottomed,Vertical,Cylindrical Storage Tanks for Low Temperature Service[6]中規(guī)定,吊頂通氣口的設(shè)置應(yīng)避免兩側(cè)壓差大于0.241 kPa,通常計(jì)算吊頂通氣孔尺寸時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足以上標(biāo)準(zhǔn)要求。設(shè)計(jì)人員需對(duì)影響LNG儲(chǔ)罐吊頂通氣孔尺寸選取的因素進(jìn)行綜合考慮,保證LNG儲(chǔ)罐吊頂上下側(cè)的壓力平衡,避免LNG儲(chǔ)罐內(nèi)部吊頂結(jié)構(gòu)因壓力不平衡而造成損害。本文將分析LNG儲(chǔ)罐超壓、欠壓和吊頂自重等多種因素對(duì)吊頂通氣孔尺寸選取的影響,提高設(shè)計(jì)人員對(duì)通氣孔尺寸選取需考慮因素的認(rèn)識(shí)。

1 超壓工況分析

當(dāng)LNG儲(chǔ)罐施工建設(shè)完成后,需進(jìn)行壓力試驗(yàn)、氮?dú)飧稍锖椭脫Q、儲(chǔ)罐預(yù)冷、建立液位等投運(yùn)工作后才能正常使用。在上述過程中可能引起LNG儲(chǔ)罐超壓的工況主要有氮?dú)飧稍锖椭脫Q、卸船、火災(zāi)、翻滾及真空補(bǔ)氣閥誤開等,本文以開車階段氮?dú)飧稍锖椭脫Q、翻滾兩個(gè)工況為例,詳細(xì)分析超壓工況對(duì)吊頂通氣孔尺寸選取的影響。超壓工況下LNG儲(chǔ)罐(FCCR)內(nèi)氮?dú)饬飨蛞妶D1。

圖1 超壓工況下LNG儲(chǔ)罐(FCCR)內(nèi)氮?dú)饬飨驁D

1.1 開車階段氮?dú)飧稍锖椭脫Q工況

LNG儲(chǔ)罐建造完畢后在投運(yùn)前需對(duì)LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行氮?dú)飧稍锖椭脫Q,將LNG儲(chǔ)罐中的水露點(diǎn)和氧含量降低至一定水平。如水露點(diǎn)過高,水滴及水蒸氣將吸收LNG冷能而結(jié)冰,進(jìn)而導(dǎo)致工藝管道和閥門堵塞,甚至造成罐內(nèi)泵等重要設(shè)備損壞,影響接收站正常運(yùn)行;若氧氣置換不徹底,罐內(nèi)氧含量過高,天然氣易與罐內(nèi)可燃介質(zhì)形成爆炸混合物,存在安全隱患。因此在投入運(yùn)行前對(duì)全容罐進(jìn)行氮?dú)飧稍锖椭脫Q是十分必要的,以保證氣相空間的氧含量、水露點(diǎn)降低至安全水平[7],通常LNG儲(chǔ)罐氮?dú)飧稍锖椭脫Q指標(biāo)要求見表1。

通常一座16×104m3的LNG儲(chǔ)罐完成氮?dú)飧稍锖椭脫Q需耗費(fèi)氮?dú)? 400 t,而LNG站內(nèi)的制氮系統(tǒng)生產(chǎn)能力有限,無(wú)法滿足LNG儲(chǔ)罐氮?dú)飧稍锖椭脫Q用量,只能通過液氮槽車外購(gòu)。將外購(gòu)LNG儲(chǔ)存至現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)LNG儲(chǔ)罐,通過現(xiàn)場(chǎng)的臨時(shí)空溫氣化器氣化,通過氮?dú)夤芫€輸送至LNG儲(chǔ)罐,與LNG儲(chǔ)罐中已有的空氣和水蒸氣混合,混合氣體由下至上穿過吊頂,進(jìn)入穹頂空間頂部的放空管口放空至大氣中。超壓工況下LNG儲(chǔ)罐(FCCR)吊頂通氣孔氮?dú)饬飨蚴疽鈭D見圖2。

表1工程項(xiàng)目LNG儲(chǔ)罐氮?dú)飧稍锖椭脫Q指標(biāo)要求

儲(chǔ)罐氣相空間水露點(diǎn)/℃氧含量φ/(%)內(nèi)罐-202環(huán)隙-102

圖2 超壓工況下LNG儲(chǔ)罐(FCCR)吊頂通氣孔氮?dú)饬飨蚴疽鈭D

來(lái)自液氮儲(chǔ)罐的液氮,經(jīng)臨時(shí)空溫氣化器氣化后的氮?dú)獠僮鲏毫s為0.5 MPa,在儲(chǔ)罐干燥吹掃過程中如LNG儲(chǔ)罐吊頂通氣孔尺寸較小,氮?dú)饩蜁?huì)在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐集聚,致使LNG儲(chǔ)罐吊頂下部氣相空間壓力高于吊頂上部氣相空間壓力,當(dāng)兩側(cè)壓差高于0.241 kPa時(shí),就會(huì)違背規(guī)范要求,此時(shí)通氣孔尺寸是不可接受的,需調(diào)整通氣孔尺寸直至兩側(cè)壓差小于0.241 kPa。

1.2 翻滾工況

LNG接收站卸載LNG時(shí)因卸船泵做功、體積置換、LNG儲(chǔ)罐吸熱等因素,在注入LNG儲(chǔ)罐時(shí)會(huì)發(fā)生閃蒸,閃蒸出大量的天然氣蒸發(fā)氣(以下稱“BOG”)。已有大量文獻(xiàn)對(duì)LNG儲(chǔ)罐BOG產(chǎn)生原因及處理量進(jìn)行了詳細(xì)研究[8-13]。BOG存在于LNG儲(chǔ)罐中的氣相部分,隨著BOG量的增多,LNG儲(chǔ)罐的壓力會(huì)不斷升高,而對(duì)于大型LNG儲(chǔ)罐,翻滾工況下BOG產(chǎn)生量最大。1971年意大利La Spezia SNAM項(xiàng)目LNG儲(chǔ)罐在充裝完畢后18 h發(fā)生翻滾事故。儲(chǔ)罐最高壓力沖至94.7 kPa,通過安全閥等正常的放散途徑高速排放,直至槽內(nèi)壓力下降至 24 kPa 時(shí)恢復(fù)正常[14]。國(guó)內(nèi)外科研院所和工程公司已對(duì)LNG儲(chǔ)罐的翻滾進(jìn)行了大量研究[15-19],由于研究的基礎(chǔ)條件如LNG的組成、儲(chǔ)罐容積及形式、翻滾原因等不同,均沒有明確得出翻滾發(fā)生時(shí)LNG儲(chǔ)罐產(chǎn)生BOG的處理量。工程設(shè)計(jì)中通常采用規(guī)范EN 1473-2016 Installation and Equipment for Liquefied Natural Gas—Design of Onshore Installations[20]的規(guī)定:LNG儲(chǔ)罐發(fā)生翻滾產(chǎn)生的BOG量為正常日蒸發(fā)產(chǎn)生BOG量的100倍,此時(shí)BOG氣體將通過LNG儲(chǔ)罐罐頂安全泄壓系統(tǒng)排放。

當(dāng)LNG儲(chǔ)罐發(fā)生翻滾時(shí),LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐的壓力急劇增加,在LNG儲(chǔ)罐的先導(dǎo)式安全閥開啟前翻滾產(chǎn)生的大量BOG會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)通過吊頂通氣孔進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐的拱頂空間,直至LNG儲(chǔ)罐拱頂空間和內(nèi)罐空間的壓力達(dá)到先導(dǎo)式安全閥的設(shè)定壓力,安全閥開啟并泄放超壓氣體。翻滾工況下通過通氣孔的氣體流量可按照正常BOG產(chǎn)生量的100倍考慮。

1.3 通氣孔尺寸的選取

吊頂通氣孔的高度由吊頂頂部保冷材料厚度確定,而通氣孔尺寸通常由多次試差來(lái)確定,主要計(jì)算步驟如下:

1)先假定吊頂通氣孔的尺寸,根據(jù)不同超壓工況下超壓介質(zhì)實(shí)際體積流量分別計(jì)算出氣體流經(jīng)通氣孔的流速,并計(jì)算出流經(jīng)吊頂通氣孔時(shí)的阻力損失,流體阻力損失計(jì)算公式采用成熟商業(yè)軟件HYSYS中PIPE阻力計(jì)算模型,如Beggs & Brill模型。如阻力損失高于0.241 kPa,需增大通氣孔尺寸;如阻力損失小于0.241 kPa,需縮小通氣孔尺寸,直至氣體流經(jīng)吊頂通氣孔的阻力低于0.241 kPa。

2)分別計(jì)算氮?dú)飧稍锖椭脫Q、卸船、火災(zāi)、翻滾及真空補(bǔ)氣閥誤開等超壓工況的流量和流體物性,利用流體阻力計(jì)算公式得出各個(gè)工況所需的通氣孔尺寸,選取較大值作為超壓工況下的通氣孔尺寸,并以此數(shù)據(jù)進(jìn)行吊頂自重的校核。

1.4 吊頂自重的校核

吊頂自重包括吊頂本體鋁板、保冷材料、各種管線套管等附件的重量,根據(jù)規(guī)范規(guī)定[4-6]:吊頂通氣口的設(shè)置應(yīng)使吊頂上下空間之間的壓差產(chǎn)生的作用力不超過吊頂?shù)闹亓?以免吊頂被舉升,因此需核算吊頂自重折合上下壓差Δpa,如壓差Δpa大于0.241 kPa,則吊頂不會(huì)被舉升;如壓差Δpa小于0.241 kPa,則吊頂會(huì)被舉升,此時(shí)按照Δpa重新進(jìn)行吊頂通氣孔尺寸的計(jì)算。

吊頂是由吊頂本體鋁板和吊頂上保冷材料等組成,因此吊頂重量m為吊頂本體鋁板重量m1和吊頂上面玻璃纖維的重量m2之和,即m=m1+m2。

吊頂截面積A可由LNG儲(chǔ)罐半徑r計(jì)算得到,即A=π×r2。

2 欠壓工況分析

當(dāng)?shù)蛪篖NG泵、BOG壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí),會(huì)導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐中的液相空間和氣相空間物料減少,LNG儲(chǔ)罐壓力降低;環(huán)境大氣壓升高也會(huì)導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐壓力降低,為避免欠壓對(duì)LNG儲(chǔ)罐安全性的影響,通常在LNG儲(chǔ)罐外罐設(shè)置真空安全閥。真空安全閥的設(shè)計(jì)體積流量應(yīng)大于所運(yùn)行LNG泵和BOG壓縮機(jī)的實(shí)際體積流量之和。當(dāng)真空安全閥開啟時(shí),空氣進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐的拱頂空間,沿著通氣孔自上而下由拱頂空間進(jìn)入內(nèi)罐空間,維持LNG儲(chǔ)罐的壓力穩(wěn)定,避免設(shè)備損壞,見圖3～4。

將真空安全閥的額定流量、壓力、內(nèi)罐操作溫度等參數(shù)輸入HYSYS中,借助PIPE阻力計(jì)算模型(Beggs & Brill)計(jì)算流體阻力,通過不斷試差得出可接受壓差下的通氣孔尺寸,并與超壓工況下選取的通氣孔尺寸進(jìn)行比較,選取較大值即可作為該LNG儲(chǔ)罐的吊頂通氣孔尺寸。

圖3 欠壓工況下LNG儲(chǔ)罐(FCCR)氣體流向圖

圖4 欠壓工況下LNG儲(chǔ)罐(FCCR)吊頂通氣孔流體流向示意圖

3 結(jié)論

為了平衡大型LNG儲(chǔ)罐吊頂上下氣相空間的壓力,需在吊頂上設(shè)置通氣孔。分析表明:LNG儲(chǔ)罐施工、壓力試驗(yàn)、氮?dú)飧稍锖椭脫Q、運(yùn)行操作等生命周期的不同階段均可能引起LNG儲(chǔ)罐超壓和欠壓,進(jìn)而影響通氣孔尺寸的選取,因此LNG儲(chǔ)罐吊頂通氣孔尺寸的選取應(yīng)綜合考慮超壓、欠壓和吊頂自重等各種工況,取各種工況計(jì)算的最大值作為通氣孔的尺寸。

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