液化輕烴低溫儲罐安全排放去向的探討

，， ，

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

自1954年美國建造第一臺低溫雙壁儲罐以來，低溫常壓儲存技術至今已有63年的歷史[1]，其在國內(nèi)外都已有成熟的應用。2008年，僅日本就擁有大型LNG低溫常壓儲罐區(qū)27座[2]。上世紀90年代，我國廣東省深圳市建設了最早的大型低溫常壓儲罐，常壓儲存LPG[1]。隨后在沿海省份陸續(xù)建造了儲存各種介質(zhì)的低溫常壓儲罐，其中有LNG、乙烯、丙烯、丙烷、LPG等。

相對于壓力球罐儲存，低溫常壓儲罐的儲存壓力低、保冷效果好，其占地面積、投資和安全性都優(yōu)于球罐；但也因為相同的原因，大型低溫常壓儲罐系統(tǒng)更復雜，對材料和設備要求更高，而且大型低溫常壓儲罐單罐儲存量大，一般在1萬m3以上，最大可到20萬m3，爆炸危險性介質(zhì)存量大，一旦發(fā)生危險，損失難以估量[3]。

大型低溫常壓儲罐內(nèi)儲存介質(zhì)包括LNG和各種液化烴，如乙烯、丙烯、丙烷、混合碳四、LPG等。大多數(shù)情況下，其閃蒸氣(BOG)都由BOG壓縮機組回收，但在出現(xiàn)非正常工況超壓時，會存在安全泄放的問題。由于大型低溫常壓罐設計壓力都很低，設計壓力一般在-0.5～+29kPa(g)，排放氣管道尺寸大，且火炬背壓要求低，國內(nèi)很多低溫常壓儲罐的安全泄放都是直接排向大氣。由于不同的儲存介質(zhì)相對于空氣的密度不同，對某些儲存介質(zhì)，這樣的設置可能存在一定的安全風險。下面將就此方面進行探討。

1 大型低溫常壓儲罐超壓的原因

1.1 正常工況儲罐產(chǎn)生的閃蒸氣

在大型低溫常壓儲罐中，儲存的介質(zhì)都處于低溫常壓飽和狀態(tài)，一般壓力在-0.5～+29kPa(g)，儲存溫度由于介質(zhì)的不同而不同(見表1)。正常情況下，外界環(huán)境都會以太陽輻射或?qū)α鞯姆绞较蚬迌?nèi)介質(zhì)傳熱，雖然儲罐具有優(yōu)秀的保冷設施，但傳熱不可避免，由此產(chǎn)生的閃蒸汽量與儲存介質(zhì)的物性、保冷層的厚度和儲罐容積相關。

表1 幾種液化烴的常壓沸點

當液體向儲罐內(nèi)進料時，會產(chǎn)生大量的閃蒸氣。一方面，低溫液體從低溫卸船碼頭或者低溫槽車裝卸站臺至罐內(nèi)，需要一段至少數(shù)百米的管線，管線雖然有良好保冷措施，但不能避免會持續(xù)從環(huán)境吸收熱量。有些工廠采用真空雙層管作為卸料管道，這可以顯著降低管道冷損，但真空雙層管價格昂貴，大多數(shù)工廠還是采用覆蓋保冷材料的鋼管作為卸料管道。另一方面，液體進料時體積置換會產(chǎn)生與進料液體基本相同體積的氣體。其次，如果采用卸料低溫泵或者低溫船泵的方式將低溫液體送入儲罐，泵本身產(chǎn)生的熱量也會隨之帶入儲罐中而產(chǎn)生閃蒸氣。低溫泵本身具有良好的保冷特征，且泵外環(huán)境溫度高于泵的操作溫度，低溫泵電機的電能除了通過聲音和管道設備震動耗散外，大部分能量幾乎都最終轉化為罐內(nèi)液體的熱能。

另外，低溫液體管道需要保冷，以免突然冷料流過產(chǎn)生過大的應力造成管道或管件的破壞，此部分循環(huán)流動的保冷低溫液體也會從環(huán)境中吸收熱量，進而產(chǎn)生閃蒸氣。

除上述因素外，外界環(huán)境變化或輸送泵打循環(huán)都可能產(chǎn)生閃蒸氣。

1.2 閃蒸氣的回收和處理

一般而言，為了減少日常儲存時物料的損失，采取閃蒸氣壓縮冷凝的方式，將這部分閃蒸氣重新冷凝降溫為低溫液體后回收，閃蒸氣壓縮冷凝的能力一般可按上述因素產(chǎn)生的閃蒸氣量合理疊加選擇。一般正常工況下，閃蒸氣總量不會非常大，以浙江某工廠的2臺6萬m3低溫丙烷儲罐為例，其最大正常工況產(chǎn)生的閃蒸氣總量為7 600kg/h(3 804Nm3/h)。當壓縮機發(fā)生故障時，超過壓縮冷凝能力的閃蒸氣可以通過排火炬的方式處理，不會造成儲罐超壓。

但非正常工況產(chǎn)生的閃蒸氣量則遠大于正常工況。一般對于低溫儲罐來說，非正常工況的閃蒸氣產(chǎn)生量主要考慮全廠停電、全廠停儀表氣、外部火災、臺風、儲存液體的翻滾、內(nèi)罐泄漏與失效等工況的可能組合，選擇其中最大者作為設計工況。

表2中列舉了山西某液化天然氣儲運站的1臺1萬m3LNG雙金屬壁低溫全容罐正常工況和各非正常工況的閃蒸氣產(chǎn)生量?？梢悦黠@看出，非正常工況閃蒸氣產(chǎn)生量遠大于正常工況，往往更易導致儲罐超壓。

表2 山西某1萬m3 LNG雙金屬壁低溫全容罐各工況閃蒸氣產(chǎn)生量

2 大型低溫常壓儲罐的超壓保護

為了避免由于上述因素導致的儲罐超壓，除了閃蒸氣壓縮冷凝外，大型低溫常壓儲罐一般都考慮了額外的多重超壓保護措施。

2.1 LNG低溫常壓儲罐的超壓保護

對LNG低溫全容罐，一般超壓保護的分級設置都有相對統(tǒng)一的模式：當閃蒸氣壓縮冷凝系統(tǒng)故障，不能抑制壓力升高時，儲罐壓力監(jiān)測會報警，進而聯(lián)鎖打開閃蒸氣總管的火炬放空自動閥門，如果壓力仍然不能控制，儲罐上的數(shù)個先導式安全閥會相繼開啟，將LNG氣體直接排入大氣。表3是山西某液化天然氣儲運站的1萬m3LNG雙金屬壁低溫全容罐各級聯(lián)鎖壓力和排放量。

表3 山西某1萬m3 LNG雙金屬壁低溫全容罐各級超壓保護動作壓力和排放量

2.2 其他液化輕烴低溫常壓儲罐的超壓保護

對低溫乙烯、丙烷、丙烯、混合碳四常壓儲罐的壓力泄放，一般沒有統(tǒng)一的設計模式，不同的設計單位會采取不同的設計理念。當閃蒸氣壓縮冷凝不能控制壓力升高時，首先儲罐壓力監(jiān)測會報警和聯(lián)鎖，然后打開閃蒸氣總管的火炬放空自動閥門。如果壓力仍然不能控制，有些設計類似于LNG儲罐，先導式安全閥將氣體直接排入大氣，還有一些設計則與LNG儲罐不同，儲罐上的先導式安全閥會將氣體密閉排入火炬系統(tǒng)，當壓力仍然不能控制時，儲罐上設置的數(shù)個泄壓人孔會開啟，氣體直接排入大氣。

對后者的設計來說，先導式安全閥的泄放能力考慮了各種較為極端的工況，浙江某工廠2臺6萬m3丙烷雙金屬壁低溫全容罐的各級超壓保護排放量見表4。在這種設計下，除非最極端工況出現(xiàn)，同時2臺以上安全閥發(fā)生故障，否則泄壓人孔永遠不會開啟，相當于泄壓人孔是完全的冗余配置。而且，此種設計需要配套的火炬能力遠大于安全閥直排大氣時的設計。以本例的6萬m3丙烷罐為例，如果安全閥直接排空，火炬能力和BOG總管放火炬閥門的能力都可以從85t/h降至約10.5t/h，較明顯地減少了配套設施的投資。

表4 浙江某工廠的2臺6萬m3丙烷雙金屬壁低溫全容罐的各級超壓保護排放量

然而，如果分析大氣中丙烷等液化烴的擴散特征與天然氣的異同，就可以發(fā)現(xiàn)，即使包含較極端的泄放工況，安全閥排放氣不直排大氣，而是排放至火炬有其設計的安全性和合理性。

3 低溫LNG與其他液化輕烴在大氣中擴散

LNG或丙烷、丙烯等液化烴泄放至大氣后，其運動狀態(tài)除了取決于當時的大氣狀態(tài)、風速外，也取決于與空氣的密度比。當大氣狀態(tài)穩(wěn)定、風速很低時，一般與空氣相比，密度的大小直接決定了其運動狀態(tài)。

圖1為各種液化烴和LNG的密度-溫度曲線，其中粗實線表示了空氣的密度-溫度曲線。

圖1 LNG、各種液化烴和空氣的密度-溫度曲線

低溫常壓儲罐在超壓泄放時，溫度接近于其泄放壓力下的沸點，通過安全閥泄放至大氣后會與大氣發(fā)生強烈混合換熱，溫度逐漸升高。在我國大部分地區(qū)，大氣溫度一般都在-30℃以上，接觸到冷泄放氣后，靠近泄放氣的空氣團會迅速降溫，與泄放氣成為一個混合氣團，在大氣中整體上升或下沉。因此，作為泄放氣密度參照的空氣密度-溫度曲線(圖1中粗實線)，在圖中假定最低值為-30℃。

從圖1中很容易看出，天然氣在約-135℃以上，密度會小于空氣；乙烯在約-35℃以上，密度才會略小于空氣，與相同溫度下空氣的密度接近；丙烯、丙烷、異丁烷、異丁烯和正丁烷，在相同溫度下，密度都大于空氣。

也就是說，對于LNG低溫儲罐，超壓泄放入大氣的冷天然氣會在與空氣的混合中迅速被加熱，密度逐漸減小。開始時，冷天然氣團會有下降運動的趨勢，但被加熱到約-135℃以上，密度小于空氣后，開始逐漸向上運動，同時進一步與空氣混合擴散。地面上可能出現(xiàn)天然氣濃度在爆炸極限內(nèi)的區(qū)域，僅在天然氣儲罐周圍很小的區(qū)域內(nèi)，而天然氣儲罐近距離范圍內(nèi)一般是沒有操作人員或點火源的，因此作為事故狀態(tài)的超壓泄放，為保護儲罐安全，將天然氣排入大氣，其風險在一定程度上是可以接受。

但對于丙烯、丙烷、異丁烷、異丁烯和正丁烷等液化烴來說，超壓泄放入大氣后，在一邊與空氣混合擴散的同時，一邊有下沉的趨勢，在儲罐附近相當大的范圍內(nèi)都會出現(xiàn)可燃氣體的積累，并且濃度會在爆炸極限內(nèi)，特別是大氣狀況穩(wěn)定無風、擴散混合作用減弱時，近地面可燃氣體高濃度區(qū)的范圍更大。液化烴與空氣的爆炸混合氣體會沿地面蔓延，對整個儲運區(qū)或工廠都是極大的隱患，一旦出現(xiàn)點火源就可能會發(fā)生嚴重的蒸汽云爆炸。據(jù)研究人員分析計算，對2臺100m3的液化石油氣(丙烷、丁烷)儲罐，其蒸汽云爆炸的致死半徑為66m，重傷半徑為146m，輕傷半徑266m，財產(chǎn)損失半徑235m[4]。在此種情況下，為了杜絕直接向大氣超壓泄放，導致二次危害的發(fā)生，宜將丙烯、丙烷、異丁烷、異丁烯和正丁烷等液化烴氣體排入地面火炬系統(tǒng)，雖然配套設施的投資會有一定增加，但大大降低了實際可能出現(xiàn)的安全風險。

對于乙烯，超壓泄放入大氣后與天然氣類似，在空氣中擴散的同時被加熱，當溫度在約-35℃以上時，乙烯密度略小于空氣，幾乎與空氣相同。在-30℃時，乙烯氣與空氣的比重為0.978，與20℃空氣的比重為1.179；在20℃時，乙烯氣與空氣的比重為0.975。因此，大氣狀況穩(wěn)定無風時，乙烯可能會與空氣在近地面和空中形成更穩(wěn)定的混合物，混合物有可能在爆炸極限內(nèi)，一旦出現(xiàn)點火源，同樣可能會發(fā)生嚴重的蒸汽云爆炸，為了降低這種安全風險，乙烯超壓泄放氣體也最好能夠密閉排入地面火炬系統(tǒng)。

4 結語

(1)低溫常壓儲罐非正常工況下的閃蒸汽產(chǎn)生量遠大于正常工況，一般采用安全閥超壓排放，排放去向根據(jù)排放介質(zhì)的不同應謹慎考慮。

(2)由于超壓泄放入大氣的天然氣在溫度上升后明顯比空氣輕，在大氣中擴散的同時向上運動，地面不會出現(xiàn)大范圍的爆炸性氣體積累。非正常工況(臺風、外部火災、翻滾等)的超壓泄放經(jīng)過安全閥直接排至大氣的方式在一定程度上可以接受，安全風險較低。

(3)乙烯、丙烯、丙烷、異丁烷、異丁烯和正丁烷等輕烴氣體與空氣密度相差不大，或比空氣重，在近地面可能會出現(xiàn)大范圍的爆炸性氣體環(huán)境。即使是非正常工況(臺風、外部火災、翻滾等)的超壓泄放，也應盡量排至火炬管網(wǎng)，以免出現(xiàn)嚴重危害。

參考文獻：

[1]王冰，陳學東，等.大型低溫LNG 儲罐設計與建造技術的新進展[J].天然氣工業(yè)加工利用，2010(30)：1-5.

[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，2008(12)：57-62．

[3]葛鵬．LNG儲罐全部泄漏引起蒸汽云爆炸后果定量分析[J]．內(nèi)蒙古石油化工，2014(11)：76-78．

[4]崔黎寧，楊光．石油天然氣站場總平面布置對蒸汽云爆炸的防范措施[J]．內(nèi)蒙古石油化工，2015(19)：87-88.

[5]顧安忠．液化天然氣技術[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[6]敬加強.LNG技術問答[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[7]BS EN 1473：2007 Installation and equipment for liquefied natural gas—Design of onshore installations [S]．

[8]API STD 2000：2014 Venting Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks [S]．