LNG加氣站EAG加熱器選型分析計(jì)算

陜西通源天然氣股份有限公司 羅映輝

根據(jù)GB 50156－2012《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范(2014年版)》3.0.12之規(guī)定，LNG加氣站分為3個(gè)等級(jí)：一級(jí)站的儲(chǔ)罐總?cè)莘e為120 m3＜V≤180 m3，二級(jí)站的儲(chǔ)罐總?cè)莘e為60 m3＜V≤120 m3，三級(jí)站的儲(chǔ)罐總?cè)莘e為V≤60 m3。

目前分布最廣的當(dāng)屬LNG加氣三級(jí)站。其設(shè)計(jì)加氣規(guī)模一般為3萬m3/d,主要工藝設(shè)備包括LNG儲(chǔ)罐、泵橇、卸車增壓器、儲(chǔ)罐增壓器、EAG(Emission Ambient Gas放散氣)加熱器、LNG加氣機(jī)、BOG回收橇等。

LNG加氣站生產(chǎn)運(yùn)行中儲(chǔ)罐安全閥緊急排放的全部是低溫氣體(遠(yuǎn)低于－113℃)。此時(shí)天然氣的重度大于常溫下的空氣，排放時(shí)不易擴(kuò)散，會(huì)向下積聚。因此需設(shè)置EAG加熱器，使放散氣先通過該加熱器，再經(jīng)過與空氣換熱后的天然氣比重會(huì)小于空氣，從而通過放空豎管高空排放時(shí)不會(huì)形成可燃?xì)怏w蒸氣云積聚，即不易形成爆炸性混合物。

因此，EAG加熱器是LNG加氣站或氣化站安全系統(tǒng)的最重要設(shè)備之一。它的選型正確與否，關(guān)系到LNG加氣站在極端條件下(火災(zāi)或LNG罐內(nèi)翻滾)的事故處理能力，一旦選擇失誤，將可能造成難以挽回的損失。

一般而言，LNG加氣站在卸車、加氣、儲(chǔ)罐超壓時(shí)只有微量的放散氣，且經(jīng)過EAG加熱器后的出口氣體溫度僅低于環(huán)境溫度10 K左右。此時(shí)，通過放空豎管高位排放的氣態(tài)LNG非常安全。因此，只有極端條件(火災(zāi)或LNG罐內(nèi)翻滾)才是EAG放散量計(jì)算及EAG加熱器選型的基礎(chǔ)。

不少專家和技術(shù)人員在LNG加氣站的技術(shù)評(píng)審會(huì)上或是論文中，都質(zhì)疑LNG加氣三級(jí)站配置的150 m3/h EAG加熱器型號(hào)太小，難以滿足事故工況下的緊急排放。為此，本文通過某項(xiàng)目實(shí)例計(jì)算儲(chǔ)罐火災(zāi)或LNG翻滾2種事故狀態(tài)下儲(chǔ)罐及管道系統(tǒng)的EAG泄放量，再來分析EAG加熱器選型。

1 項(xiàng)目概況

某LNG加氣三級(jí)站的設(shè)備配置中，選用1臺(tái)60 m3低溫儲(chǔ)罐，罐內(nèi)LNG密度430 kg/m3，靜態(tài)日蒸發(fā)率0.21%；EAG加熱器選用1臺(tái)150 m3/h，進(jìn)、出口管路均為DN40(D45 mm×3 mm)，PIR保冷厚度C100。環(huán)境最低氣溫－15 ℃，最高氣溫43 ℃。

2 事故狀況下EAG泄放量計(jì)算

2.1 火災(zāi)環(huán)境

2.1.1 儲(chǔ)罐容器安全放散量

低溫儲(chǔ)罐選用1臺(tái)60 m3珠光砂填充真空容器，泄放壓力為1.44 MPa，珠光砂在常壓、77～310 K下導(dǎo)熱系數(shù)＜0.03 W/m·K，干空氣在常壓、253～922 K下平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.043 W/m·K，取λ空氣=0.043 W/m·K。

根據(jù)GB/T 18442.6－2019《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第6部分：安全防護(hù)》附錄A《罐體安全泄放量和超壓泄放裝置排放能力計(jì)算》A.1.2.2，真空絕熱容器的絕熱系統(tǒng)完好或部分完好，但夾層真空已喪失，且外部遭遇火災(zāi)或922 K高溫的情況下，由熱壁傳入內(nèi)容器的總熱流量H按式(1)、式(2)計(jì)算：

式中：H——由熱壁傳入內(nèi)容器的總熱量，W；

Td——對(duì)應(yīng)于儲(chǔ)存深冷介質(zhì)的內(nèi)容器或傳熱構(gòu)件冷端表面溫度，根據(jù)GB/T 18442.3－2019《固定式真空絕熱深冷壓力容器第3部分：設(shè)計(jì)》附錄B《常見冷凍液化氣體熱力學(xué)數(shù)據(jù)》B.4，在1.44 MPa放散壓力下甲烷的飽和溫度為157 K；

Uif——在火災(zāi)條件下(922 K和1個(gè)大氣壓下)絕熱材料總的傳熱系數(shù)，W/ m2·K；

Ar——內(nèi)容器與外殼面積的平均值，110 m2；

λif——絕熱材料在Td與922 K之間的平均導(dǎo)熱系數(shù)，取兩者(氣體或空氣)之中的較大者，即0.043 W/m·K；

ti——絕熱材料的名義厚度，0.24 m。

經(jīng)計(jì)算，由式(2)得出：Uif=λif/ti=0.043/0.24=0.18 W/m2·K，由式(1)得出：H=2.6×(922－157)×0.18×1100.82≈16 898.54 W。

容器放散量的計(jì)算公式為：

式中，WS1——容器系統(tǒng)安全泄放量，kg/h；

q——儲(chǔ)罐內(nèi)天然氣氣化潛熱，376.1 kJ/kg。

由式(3)得出：WS1=3.6×16 898.54 /376.1 =161.75 kg/h。

2.1.2 管道系統(tǒng)安全泄放量

根據(jù)TSG D0001－2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程-工業(yè)管道》附錄E《安全泄放裝置計(jì)算》E1.3.1 (2)管道系統(tǒng)安全泄放量計(jì)算如下：

式中：WS2——管道系統(tǒng)安全泄放量，kg/h；

t——泄放壓力下介質(zhì)的飽和溫度，根據(jù)GB/T 18442.3－2019《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》附錄B《常見冷凍液化氣體熱力學(xué)數(shù)據(jù)》B.4，甲烷在1.76 MPa放散壓力下飽和溫度為163 K；

λ——常溫下絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；

Ar——容器及管道受熱面積，m2；

δ——保溫層厚度，取0.1 m；

q——?dú)饣瘽摕幔踩y泄放壓力1.76 MPa時(shí)，取352.4 kJ/kg。

LNG加氣站中地下管道大部分型號(hào)為DN40，長度約270 m，則Ar=40.7 m2，保冷材料為PIR，λ=0.075 6 W/m·K。代入式(4)，得：WS2=2.61×(650－163)×0.075 6×40.70.82/(0.1×352.4)=56.96 kg/h。

計(jì)算表明，儲(chǔ)罐容器與管道系統(tǒng)同時(shí)處于火災(zāi)環(huán)境時(shí)最大放散量WS=WS1＋WS2=161.75＋56.96=218.71 kg/h，換算為體積量即312.4 m3/h。

2.2 LNG翻滾狀態(tài)

LNG翻滾對(duì)于低溫容器而言是另一種極端放散條件。主要原因是向已裝有LNG的儲(chǔ)罐內(nèi)充注新的LNG時(shí)兩者混合速度過快，或由于LNG中的N2(氮?dú)?優(yōu)先蒸發(fā)而使儲(chǔ)罐內(nèi)的液體發(fā)生分層。當(dāng)分層液體之間的溫差＞0.2 K，密度差＞0.5 kg/m3時(shí)，一般認(rèn)為發(fā)生了分層。LNG潛在翻滾發(fā)生前，其氣化速率遠(yuǎn)低于正常值；當(dāng)翻滾發(fā)生時(shí)，液體蒸發(fā)率劇增。

若LNG中N2含量≥1%、采用立式容器、每天氣化量不大且儲(chǔ)存時(shí)間較長時(shí)，翻滾發(fā)生的可能性將明顯增大。

根據(jù)GB 51156－2015《液化天然氣接收站工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A《氣體排放量計(jì)算》A.0.6中，由翻滾引起的氣化量應(yīng)使用合適有效的數(shù)學(xué)模型計(jì)算，在無數(shù)學(xué)模型可用的情況下，翻滾時(shí)的流量可按式(5)計(jì)算：

式中：GB——翻滾產(chǎn)生的氣體量，kg/h；

GT——正常蒸發(fā)的氣體量，kg/h；

V——儲(chǔ)罐的有效體積，即設(shè)計(jì)液位下儲(chǔ)罐能儲(chǔ)存的液體體積60×90%=54 m3，忽略浸沒在液體中構(gòu)件(如各種管道，內(nèi)直梯等)所占的體積，m3；

η——儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)率0.21%；

ρ——LNG密度430 kg/m3。

由式(5)計(jì)算得出：GB=100×54×0.21%×430/24=203.18 kg/h，換算為體積量即290.25 m3/h。

可見，失火狀態(tài)下的放散氣總量大于翻滾放散氣量，應(yīng)以失火放散氣量為最大放散氣量WS=218.71 kg/h，換算為體積量即312.4 m3/h。

所以，本站所選擇的EAG加熱器，必須滿足在火災(zāi)環(huán)境922 K的流量達(dá)到218.71 kg/h或LNG翻滾狀態(tài)下的流量達(dá)到203.18 kg/h才是合理的。

下面具體對(duì)2種事故狀態(tài)下的EAG加熱器流通能力進(jìn)行驗(yàn)證。

3 EAG加熱器流通能力校驗(yàn)

根據(jù)化工部工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定HG/T 20570.2－1995《安全閥的設(shè)置和選用》13.0.4.2及HG/T 20570.6－1995《管徑選擇》1.0.3，管徑的計(jì)算公式為：

式中：d——管道內(nèi)徑計(jì)算值，mm；

W——管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/h；

μ——介質(zhì)在管內(nèi)的平均流速，m/s；

ρ——介質(zhì)在工作條件下的密度，kg/m3。

在事故狀態(tài)下(高溫氣態(tài))的天然氣排放管出口馬赫數(shù)可取值≤0.5，已知聲速為340 m/s，因此出口流速值≤0.5×340=170 m/s。出口流速的具體取值應(yīng)考慮不同的事故狀態(tài)，相對(duì)于火災(zāi)(922 K)狀況下的LNG在管道內(nèi)部的流速、分子劇烈運(yùn)動(dòng)的活力，LNG在翻滾狀態(tài)下的排放速度顯然較低。通常，火災(zāi)環(huán)境下介質(zhì)在管內(nèi)的平均流速取100 m/s，翻滾狀態(tài)下取80 m/s。

(1) 已知火災(zāi)環(huán)境時(shí)放散量W=218.71 kg/h，ρ=0.7 kg/m3，則d=33.2 mm。

(2) 已知翻滾狀態(tài)下放散量W=203.18 kg/h，ρ=0.7 kg/m3，則d=35.0 mm。

本站所選用EAG加熱器(150 m3/h)的進(jìn)出口的鋼管型號(hào)均為DN40，內(nèi)徑為39 mm，所以該型號(hào)能夠滿足火災(zāi)或LNG翻滾這2種事故狀態(tài)下事故狀態(tài)下的天然氣排放。

4 結(jié)語

國內(nèi)常見的LNG加氣三級(jí)站所采用的EAG加熱器以150 m3/h型號(hào)居多，該型號(hào)是指在正常操作條件下，EAG加熱器每小時(shí)排放氣態(tài)LNG體積量可以達(dá)到150 m3。該型號(hào)的進(jìn)出口管徑均為DN40，通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)也完全能滿足事故狀態(tài)下需要的排放量。但如果直接將事故狀態(tài)下EAG流量的計(jì)算結(jié)果作為EAG加熱器選型的依據(jù)，就會(huì)做出完全錯(cuò)誤的判斷，導(dǎo)致設(shè)備投資加大。

因此，LNG加氣三級(jí)站采用150 m3/h EAG加熱器完全滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的技術(shù)要求，同時(shí)也符合設(shè)備選型的經(jīng)濟(jì)合理性原則。