大型常壓LNG雙金屬全容儲(chǔ)罐建造

陳杰，郭旭，翟耀峰，孟樹森，唐志光，顧楓，朱彬，陳海華

（張家港中集圣達(dá)因工程有限公司，江蘇 張家港 215600）

現(xiàn)在中國(guó)正面臨著嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，在生態(tài)環(huán)境污染日益嚴(yán)重的形勢(shì)面前，為了優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，改善大氣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，LNG作為一種清潔能源，具備使用安全、熱值高而備受廣泛關(guān)注，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)受到國(guó)家的重視并得到大力支持。用于儲(chǔ)存LNG的容器也逐步向大型化發(fā)展，而LNG雙金屬全容儲(chǔ)罐以建造占地面積小、建造成本低、建造周期短、保冷效果好、運(yùn)行安全性高等優(yōu)點(diǎn)受到LNG產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的青睞。本文以1臺(tái)雙金屬全容儲(chǔ)罐為例，重點(diǎn)對(duì)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 雙金屬全容儲(chǔ)罐罐體介紹

LNG低溫常壓雙金屬全容儲(chǔ)罐[1]設(shè)備為平底、內(nèi)吊頂、外拱頂、立式雙圓筒金屬壁、全包容結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)罐由主容器、次容器、底部絕熱層、熱角保護(hù)層、夾層絕熱層、梯子平臺(tái)等組件構(gòu)成。

主容器為自支撐式、鋼制、頂部敞開式，儲(chǔ)存LNG單壁罐。主容器整個(gè)置于底部絕熱層之上，并與次容器壁之間預(yù)留有夾層，夾層空間填充密實(shí)的珠光砂，以保持儲(chǔ)罐具有良好的絕熱性能；主容器筒體采用不等厚設(shè)計(jì)，并設(shè)置多道整圈加強(qiáng)筋加強(qiáng)，主容器頂部設(shè)置內(nèi)吊頂。吊頂板通過(guò)多條不銹鋼扁鋼與次容器頂部徑向梁進(jìn)行可靠的連接，以保持良好的承重性能，吊頂板之上鋪設(shè)玻璃纖維棉，以保持主容器頂部空間范圍內(nèi)具有良好的絕熱性能；次容器是一個(gè)具有拱頂?shù)淖灾问健撝?、密閉式儲(chǔ)罐。頂部采用工字鋼和加強(qiáng)筋板組成的帶肋結(jié)構(gòu)，次容器在正常操作條件下，作為儲(chǔ)罐主要蒸發(fā)氣容器，并支撐主容器的絕熱層材料；在主容器泄漏的工況下，也能夠儲(chǔ)存泄漏的全部LNG。在主容器與次容器底部、夾層空間設(shè)置熱角保護(hù)，主要作用是在主容器發(fā)生泄漏時(shí)，底部空間內(nèi)的泄漏LNG不能直接與次容器筒體底部和底板直接相接觸，防止在主容器發(fā)生泄漏時(shí)通過(guò)次容器壁板冷量傳遞到次容器筒體與底板的大角焊縫位置，使得大角焊縫承受巨大的溫差應(yīng)力。主容器、次容器下部四周均勻設(shè)置了錨固裝置，并與基礎(chǔ)預(yù)埋錨固裝置進(jìn)行可靠連接，使主容器、次容器緊固于儲(chǔ)罐基礎(chǔ)承臺(tái)之上，以防止設(shè)備在工作載荷和外力（如風(fēng)載荷、地震載荷等）的作用下產(chǎn)生傾斜與提升。主容器底板和次容器底板之間鋪設(shè)泡沫玻璃磚作為底部絕熱層和承受主容器和介質(zhì)的重量。次容器筒體壁板與熱角保護(hù)筒體部分夾層300 mm環(huán)形空間內(nèi)砌設(shè)泡沫玻璃磚作為保冷材料和支撐物，用以隔絕在儲(chǔ)罐側(cè)壁方向發(fā)生的冷量傳遞。

2 設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性分析計(jì)算[2]

主要包括：筒體強(qiáng)度計(jì)算、日蒸發(fā)率計(jì)算、呼吸閥計(jì)算、BOG量的計(jì)算、補(bǔ)氣量計(jì)算、底部絕熱層強(qiáng)度計(jì)算、潛液泵泵柱計(jì)算、補(bǔ)強(qiáng)圈計(jì)算及珠光砂壓力計(jì)算。

對(duì)于罐頂設(shè)計(jì)，頂蓋結(jié)構(gòu)是用來(lái)支撐平臺(tái)、泵柱、動(dòng)載荷臂、懸浮頂和一些其他載荷諸如靜載荷、動(dòng)載荷以及隨機(jī)載荷的總載荷，現(xiàn)在常用的校核頂蓋結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法是載荷系數(shù)法，次容器頂部框架設(shè)計(jì)基于有限元分析計(jì)算。

2.2 工藝安全設(shè)計(jì)

主要包括：超壓保護(hù)、低壓保護(hù)、高液位連鎖、低液位連鎖、夾層泄漏檢測(cè)、噴淋水冷卻系統(tǒng)、干粉滅火系統(tǒng)、可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)等[3]。

2.2.1 壓力控制

LNG全容罐罐內(nèi)壓力升高時(shí)，控制措施如下：頂部設(shè)置一路BOG回收管線，當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，BOG管道氣動(dòng)閥打開，抽取罐內(nèi)BOG，使罐內(nèi)壓力維持在安全范圍內(nèi)；頂部配備呼氣閥，當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)開啟，泄放罐內(nèi)BOG。

LNG全容罐罐內(nèi)壓力降低時(shí)，控制措施如下：設(shè)備設(shè)置一路自動(dòng)補(bǔ)氣管線，當(dāng)罐內(nèi)壓力降低至設(shè)定值時(shí)，通過(guò)補(bǔ)氣管道向罐內(nèi)補(bǔ)充常溫介質(zhì)氣體或氮?dú)?；頂部配備吸氣閥，當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)吸氣閥自動(dòng)開啟，向罐內(nèi)補(bǔ)充空氣。

2.2.2 液位控制

儲(chǔ)罐設(shè)置兩臺(tái)伺服液位計(jì)（帶液位及密度檢測(cè)功能）用來(lái)連續(xù)計(jì)量罐內(nèi)的液位。設(shè)置一臺(tái)雷達(dá)液位超限控制開關(guān)，用于儲(chǔ)罐高液位報(bào)警。儲(chǔ)罐液位控制措施如下：

1）當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定的高液位時(shí)，控制室報(bào)警燈閃爍；

2）當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定的高高液位時(shí)，控制室報(bào)警燈閃爍，系統(tǒng)自動(dòng)切斷進(jìn)液緊急切斷閥；

3）當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定的低液位時(shí)，控制室報(bào)警燈閃爍；

4）當(dāng)儲(chǔ)罐液位達(dá)到設(shè)定的低低液位時(shí)，控制室報(bào)警燈閃爍，系統(tǒng)自動(dòng)切斷出液緊急切斷閥，潛液泵不能啟動(dòng)。

2.2.3 溫度檢測(cè)

主容器溫度檢測(cè)用于儲(chǔ)罐預(yù)冷，觀察鋼板溫度變化。主容器與次容器夾層空間溫度檢測(cè)用于觀察儲(chǔ)罐運(yùn)行過(guò)程中是否有內(nèi)漏故障。LNG全容罐溫度檢測(cè)點(diǎn)布置如下：主容器壁溫度監(jiān)控為－200～+650 ℃，數(shù)字信號(hào)（雙支式表面溫度計(jì)，6支）；主容器底板溫度監(jiān)控：－200～+650 ℃，數(shù)字信號(hào)（雙支式表面溫度計(jì)，5 支）；主容器與次容器夾層空間監(jiān)控為－200～+650 ℃，數(shù)字信號(hào)（雙支式表面溫度計(jì)，4 支）；主容器液體溫度監(jiān)控為－200～+650℃，數(shù)字信號(hào)（液體平均溫度計(jì)11點(diǎn)，單支式）。

2.2.4 可燃?xì)怏w檢測(cè)點(diǎn)

全容罐頂部操作平臺(tái)設(shè)置多個(gè)點(diǎn)式可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)和可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警系統(tǒng)，輸出4～20 mA信號(hào)進(jìn)DCS系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)罐頂部管道是否存在泄漏。

2.2.5 LNG全容罐消防控制方案[4]

1）噴淋水系統(tǒng)。儲(chǔ)罐頂部及次容器外壁各設(shè)置一圈水噴淋保護(hù)，防止儲(chǔ)罐壁溫過(guò)高而造成罐內(nèi)LNG蒸發(fā)。

2）干粉系統(tǒng)。儲(chǔ)罐頂部的呼氣閥放散口、自動(dòng)放空放散口設(shè)置干粉滅火系統(tǒng)，防止放散氣體燃燒，威脅儲(chǔ)罐安全。干粉裝置與放散口的溫度檢測(cè)及火焰探測(cè)連鎖，兩者同時(shí)出現(xiàn)開啟信號(hào)時(shí)，干粉裝置進(jìn)行自動(dòng)滅火。

3 工藝管線設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)液管線

由液化裝置區(qū)送出來(lái)的液化天然氣送至LNG儲(chǔ)罐。進(jìn)液管道采用真空管道，最大限度地減少冷損，進(jìn)液管至頂部操作平臺(tái)后分為2路，其中一路為頂部進(jìn)液，另一路為底部進(jìn)液，分別設(shè)置遠(yuǎn)程控制閥，儲(chǔ)罐運(yùn)行期間為全開狀態(tài)，并設(shè)置根部閥，儲(chǔ)罐初次進(jìn)液使用底部進(jìn)液，設(shè)備正常運(yùn)行期間頂進(jìn)液和底部進(jìn)液切換的依據(jù)是：

1）進(jìn)液物料LNG密度相近時(shí)，選用底部進(jìn)液；

2）當(dāng)儲(chǔ)罐儲(chǔ)存LNG密度大于進(jìn)液物料LNG密度時(shí)，選用底部進(jìn)液；

3）當(dāng)儲(chǔ)罐儲(chǔ)存LNG密度小于進(jìn)液物料LNG密度時(shí)，選用頂部進(jìn)液；

3.2 排液管線

儲(chǔ)罐主容器內(nèi)部安裝2臺(tái)LNG潛液泵，通過(guò)潛液泵將LNG送至裝車站，排液總管設(shè)置孔板流量計(jì)、遠(yuǎn)程控制閥等，排液主管線上所有閥門在儲(chǔ)罐正常運(yùn)行期間均處于全開狀態(tài)，排液管線上設(shè)有泵后回流支路，對(duì)出液流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.3 補(bǔ)氣管線

儲(chǔ)罐設(shè)置1路補(bǔ)氣管，儲(chǔ)罐壓力低至報(bào)警值時(shí)對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行補(bǔ)氣，管線設(shè)置遠(yuǎn)程控制閥，通過(guò)控制閥對(duì)儲(chǔ)罐壓力進(jìn)行補(bǔ)氣。

3.4 儲(chǔ)罐吸氣閥

儲(chǔ)罐設(shè)置3套吸氣閥，并設(shè)置根部閥，遇儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力低時(shí)，吸氣閥自動(dòng)打開，向儲(chǔ)罐內(nèi)部吸入空氣，防止負(fù)壓對(duì)儲(chǔ)罐穩(wěn)定性的破壞，根部閥處于常開狀態(tài)，3臺(tái)吸氣閥不允許同時(shí)檢修，檢修時(shí)先關(guān)閉各自根部閥。

3.5 BOG回收管線

儲(chǔ)罐運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的BOG通過(guò)回收管線輸送至壓縮機(jī)回收。管線上設(shè)置控制閥，在儲(chǔ)罐正常運(yùn)行中為關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)儲(chǔ)罐壓力達(dá)到15 kPa時(shí)，控制閥自動(dòng)打開，BOG回收管線暢通，BOG氣體去往壓縮機(jī)，當(dāng)BOG泄放使儲(chǔ)罐壓力降低至15 kPa時(shí)，控制閥自動(dòng)關(guān)閉，管線切斷。BOG回收管線設(shè)置根部閥，該閥門在儲(chǔ)罐正常運(yùn)行期間均處于全開狀態(tài)。

3.6 儲(chǔ)罐呼氣閥

儲(chǔ)罐設(shè)置2套防超壓呼氣閥，并設(shè)置根部閥，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力達(dá)到24 kPa時(shí)，呼氣閥自動(dòng)打開，將儲(chǔ)罐內(nèi)部超壓氣體排放至儲(chǔ)罐外部，防止儲(chǔ)罐超壓，根部閥處于常開狀態(tài)，2臺(tái)呼氣閥不允許同時(shí)檢修，檢修時(shí)先關(guān)閉各自根部閥。

3.7 泵后回流管線

儲(chǔ)罐設(shè)置有潛液泵后回流管線，回流管線引出口位于排液總管上，回流管線上各設(shè)置根部止回閥，防止液體倒流。同時(shí)潛液泵泵后回流管線上各設(shè)置控制閥，控制閥與潛液泵排液管線上流量計(jì)關(guān)聯(lián)，控制閥設(shè)置前端根部閥、后端根部閥。

3.8 裝車液相回流管線

儲(chǔ)罐設(shè)置一路裝車液相回流管線，用于裝車位LNG回罐，設(shè)置常開根部閥。

3.9 裝車BOG回流管線

儲(chǔ)罐設(shè)置一路裝車氣相回流管線，用于裝車位NG回罐，設(shè)置常開根部閥。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于同等儲(chǔ)存容積，雙金屬全容儲(chǔ)罐一次投資費(fèi)用低，占地小 、附加值高，建造技術(shù)難度大、要求高，擁有該技術(shù)的國(guó)家少，市場(chǎng)潛力巨大。