液化烴碼頭集液池設(shè)計(jì)的若干問題探討

曾春雷，梅洛洛，洪雷，胡興喬

（1.交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088；2.舟山市港航事業(yè)發(fā)展中心，浙江 舟山 316000；3.中化興中石油轉(zhuǎn)運(yùn)（舟山）有限公司，浙江 舟山 316022；4.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100035）

1 研究背景

我國(guó)LNG 碼頭建設(shè)至今，已有近20 年的建設(shè)工程經(jīng)驗(yàn)，大部分工程問題已得到解決[1]。2020年1 月1 日，JTS 158—2019《油氣化工碼頭設(shè)計(jì)防火規(guī)范》實(shí)施。該規(guī)范第6.1.3 條首次提出液化天然氣和低溫液化烴碼頭應(yīng)設(shè)置緊急泄漏收集池。因此首先要確定的關(guān)鍵問題包括[2]：1）集液池容積要設(shè)多大；2）集液池設(shè)計(jì)位置、容積、開口尺寸有何關(guān)系，如何確定集液池容積和長(zhǎng)寬高。

這些問題，即使在集液池應(yīng)用較為普遍的液化天然氣碼頭中，依然沒有達(dá)成共識(shí)[3]。現(xiàn)有的和在建的液化天然氣碼頭，集液池尺寸和容積各不相同[4]。

LNG 碼頭通?？坎吹闹髁Υ蜑?7.4 萬(wàn)m3，卸料臂主流尺寸為406.4 mm（16"），但不同碼頭的集液池容積差別巨大（集液池最大容積比最小容積多出了36%）。部分碼頭集液池容積差別不大，但開口尺寸差別很大。LNG 碼頭集液池設(shè)置位置各有不同，如：設(shè)置在工作平臺(tái)后沿、靠船墩后沿、系纜墩后沿等處[5]。同時(shí)對(duì)集液池容積、開口大小、集液池位置設(shè)計(jì)不同，考慮因素各異。這些問題的確定，可為碼頭結(jié)構(gòu)形式選擇提供依據(jù)[6]。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究問題細(xì)化

通過(guò)調(diào)研現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)內(nèi)不同設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)思路，將LNG 碼頭集液池容積設(shè)計(jì)中，需要考慮的因素歸納如下：

1）GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第B.0.3 條“設(shè)置集液池的工藝區(qū)域泄漏量，應(yīng)按某單一泄漏源10 min 內(nèi)最大可信泄漏量計(jì)算”。

2）GB/T 20368—2012《液化天然氣（LNG）生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》第5.2.2.2 條“氣化區(qū)、工藝區(qū)或LNG 轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)的攔蓄區(qū)，最小容積應(yīng)等于任一事故泄漏源，在10 min 內(nèi)或在主管部門認(rèn)可的證明監(jiān)視和停車規(guī)定的更短時(shí)間內(nèi)，可能排放到該攔蓄區(qū)的LNG、易燃制冷劑和易燃液體的最大體積”。

3）國(guó)外最新規(guī)范NFPA59A—2019《Standard for the Production，Storage，and Handing of Liquefied Natural GAS（LNG）》要求口徑大于DN150 的工藝管道的泄漏量計(jì)算泄漏口徑取為50 mm。

4）AQ/T 3046—2013《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》中給出中孔泄漏的代表口徑為25 mm。

5）卸料臂泄漏時(shí)按1 min（ESD 系統(tǒng)在1 min內(nèi)完成關(guān)斷）泄放時(shí)間考慮[4]。

6）在計(jì)算集液池收集量時(shí)，國(guó)內(nèi)某設(shè)計(jì)院按碼頭第1 道緊急切斷閥關(guān)閉后，最大液相管道內(nèi)殘液全部泄漏進(jìn)行計(jì)算。

從調(diào)研結(jié)果看，集液池容積計(jì)算主要有兩類方法：一類是基于事故情景的泄漏模擬計(jì)算。泄漏事故情景主要考慮25 mm 或50 mm 的泄漏口徑、1 min 或10 min 泄漏時(shí)長(zhǎng)。另外，泄漏量還與泄漏點(diǎn)的液體壓力有關(guān)。目前，泄漏點(diǎn)壓力主要考慮0.33 MPa 和0.28 MPa 兩種情景。另一類按照碼頭第1 道緊急切斷閥關(guān)閉后，最大液相管道內(nèi)殘液全部泄漏計(jì)算。

在集液池容積確定后，集液池設(shè)置位置需滿足GB 50183—2004《石油天然氣工程防火設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.3.4 條“熱輻射量達(dá)30 000 W/m2界線以內(nèi)，不得有即使是能耐火且提供熱輻射保護(hù)的在用構(gòu)筑物”的要求。即需要控制集液池池火對(duì)碼頭控制室、雨淋閥室、變配電間及機(jī)柜間的熱輻射影響[7]。另外，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，集液池開口尺寸對(duì)池火熱輻射覆蓋范圍影響大。有必要深入探討集液池設(shè)置位置（與碼頭控制室的安全距離）與集液池開口尺寸之間的制約關(guān)系。

3 研究思路

通過(guò)上述分析，給出集液池容積設(shè)計(jì)的兩條路線：1）基于事故情景下泄漏量模擬計(jì)算路線（簡(jiǎn)稱“路線一”）。即對(duì)各可能泄漏口徑、泄漏時(shí)長(zhǎng)、泄漏點(diǎn)壓力進(jìn)行窮舉計(jì)算泄漏量值。2）基于最大液相管內(nèi)殘液量計(jì)算路線（簡(jiǎn)稱“路線二”），即對(duì)各碼頭第一道緊急切斷閥設(shè)置位置、液相管尺寸進(jìn)行窮舉計(jì)算液相管道內(nèi)的殘液量。具體技術(shù)路線見圖1。

圖1 集液池容積研究的技術(shù)路線圖Fig.1 Technical roadmap for volume study of impounding basin

為研究集液池設(shè)置位置與開口尺寸之間的制約關(guān)系，給出技術(shù)路線見圖2。通過(guò)窮舉所有可能的集液池尺寸，并計(jì)算其對(duì)應(yīng)的熱輻射范圍，最后通過(guò)對(duì)比分析選出合理可行的開口尺寸。以上兩技術(shù)路線中，泄漏量、集液池?zé)彷椛溆?jì)算，需要運(yùn)用模擬軟件迭代試算求解。

圖2 集液池開口尺寸與設(shè)置位置研究的技術(shù)路線圖Fig.2 Technical roadmap for study on opening size and position of impounding basin

4 算例驗(yàn)證

以某港LNG 碼頭為例。該碼頭設(shè)計(jì)主力船型為17.5 萬(wàn)m3船舶，可靠泊8 萬(wàn)～26.6 萬(wàn)m3船舶，泊位長(zhǎng)為395 m，采用蝶形布置。卸料臂尺寸為406.4 mm（16"），碼頭卸料臂處泄漏壓力考慮0.33 MPa 和0.28 MPa 兩種。建設(shè)方案中卸料總管考慮3 種常用尺寸965.2 mm（38"），1 016 mm（40"），1 066.8 mm（42"）；第一道緊急切斷閥位置（與卸料臂接口距離）考慮比選3 種情況30 m、40 m、50 m。集液池開口尺寸（長(zhǎng)×寬）考慮比選常見的3 種方案5 m×5 m，6 m×6 m，8 m×5 m。

集液池容積研究迭代試算的方案歸納見表1。

表1 集液池容積研究中需要迭代試算的方案Table 1 Iterative trial scheme in volume study of impounding basin

集液池開口尺寸與位置研究中，集液池開口尺寸按5 m×5 m，6 m×6 m，8 m×5 m 進(jìn)行迭代試算。

本文選用TNO ETTECTS 軟件進(jìn)行計(jì)算。該軟件成熟，結(jié)果可視化程度高[8-11]。

4.1 模型計(jì)算結(jié)果

運(yùn)用TNO ETTECTS 軟件，對(duì)表1 中路線一的試算方案進(jìn)行泄漏量計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 采用路線一的泄漏量計(jì)算結(jié)果Table 2 Result of leakage calculation of Route I

對(duì)表1 中路線二的試算方案進(jìn)行液相管道內(nèi)殘液量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 采用路線二的液相管道內(nèi)殘液量計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation result of residual liquid volume in liquid product pipeline of Route Ⅱ

運(yùn)用TNO ETTECTS 軟件，對(duì)不同集液池開口尺寸試算方案進(jìn)行熱輻射計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 集液池開口尺寸試算方案的熱輻射計(jì)算結(jié)果Table 4 Thermal radiation calculation results of trial calculation of opening size of impounding basin

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

表2 和表3 計(jì)算出了集液池需要收集的LNG 量。進(jìn)一步，根據(jù)中國(guó)石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 06043—2021《液化天然氣泄漏收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指南》要求，集液池容積還需考慮1 h 最大降雨量和1 m深高倍數(shù)泡沫量。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)小時(shí)最大降雨量為7.93 mm。

分析表2 可知，泄漏口徑考慮25 mm 時(shí)，各種方案下的LNG 泄漏量加上小時(shí)最大降雨量和1 m 深高倍數(shù)泡沫量，均遠(yuǎn)小于LNG 碼頭集液池常規(guī)設(shè)計(jì)容積。泄漏口徑按25 mm 考慮，計(jì)算出的泄漏量偏小，得不到工程可接受結(jié)果。

分析表2 可知，泄漏口徑考慮50 mm、泄漏時(shí)長(zhǎng)考慮1 min 時(shí)，各方案下的LNG 泄漏量加上小時(shí)最大降雨量和1 m 深高倍數(shù)泡沫量，均遠(yuǎn)小于LNG 碼頭集液池常規(guī)設(shè)計(jì)容積。泄漏口徑考慮50 mm、泄漏時(shí)長(zhǎng)考慮1 min 時(shí)，計(jì)算出的泄漏量偏小，得不到工程可接受結(jié)果。

分析表2 可知，泄漏口徑考慮50 mm、泄漏時(shí)長(zhǎng)考慮10 min 時(shí)，不同泄漏點(diǎn)壓力條件下，泄漏量計(jì)算結(jié)果相差不大，且接近LNG 碼頭集液池常規(guī)設(shè)計(jì)容積（表1），各試算方案計(jì)算結(jié)果均可滿足工程要求。

分析表3 可知，卸料液相總管尺寸不同、第一道緊急切斷閥位置不同，液相管道內(nèi)殘液量不同。其加上小時(shí)最大降雨量和1 m 深高倍數(shù)泡沫量均不超過(guò)LNG 碼頭集液池常規(guī)設(shè)計(jì)容積（表1），均可滿足工程要求。

進(jìn)一步分析表3 可知，第一道緊急切斷閥設(shè)置位置很大程度上影響液相管道內(nèi)殘液量計(jì)算結(jié)果。對(duì)比表2（技術(shù)路線一），表3（技術(shù)路線二）計(jì)算結(jié)果差異較大。故針對(duì)集液池容積計(jì)算，本研究推薦采用如下泄漏場(chǎng)景：泄漏口徑取50 mm、泄漏時(shí)長(zhǎng)取10 min、泄漏點(diǎn)壓力取0.33 MPa。

分析表4 可知，集液池開口尺寸對(duì)池火熱輻射覆蓋范圍的影響較大。開口尺寸越大熱輻射影響范圍越大。當(dāng)熱輻射覆蓋范圍接近或超過(guò)碼頭控制室等時(shí)，該集液池設(shè)置位置或集液池開口尺寸不可接受，需要調(diào)整位置或開口尺寸。因此，集液池設(shè)置位置（與碼頭控制室等的距離）、開口尺寸是2 個(gè)耦合變量，設(shè)計(jì)時(shí)需要統(tǒng)籌考慮。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)碼頭集液池容積、開口尺寸、設(shè)置位置的設(shè)計(jì)難題開展研究。結(jié)合國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及不同設(shè)計(jì)人員的做法，給出了對(duì)比研究的技術(shù)路線和求解方法。結(jié)合現(xiàn)有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出如下結(jié)論：

1）針對(duì)集液池容積計(jì)算，本研究推薦采用的泄漏場(chǎng)景為：泄漏口徑取50 mm、泄漏時(shí)長(zhǎng)取10 min、泄漏點(diǎn)壓力取0.33 MPa。

2）集液池設(shè)置位置（與碼頭控制室等的距離）、開口尺寸是2 個(gè)耦合變量，設(shè)計(jì)時(shí)需要統(tǒng)籌考慮。

通過(guò)對(duì)工程實(shí)踐案例的剖析，驗(yàn)證了本研究路線和方法的可行性，為國(guó)內(nèi)其他液化烴碼頭集液池設(shè)計(jì)提供有益的借鑒和參考。