液化轻烃低温储罐安全排放问题探讨

液化轻烃低温储罐安全排放问题探讨

自1954年美国建造了第一个低温双壁储水库以来，低温低温储存技术已有63年的历史。相对于压力球罐储存,低温常压储罐的储存压力低、保冷效果好,其占地面积、投资和安全性都优于球罐;但也因为相同的原因,大型低温常压储罐系统更复杂,对材料和设备要求更高,而且大型低温常压储罐单罐储存量大,一般在1万m大型低温常压储罐内储存介质包括LNG和各种液化烃,如乙烯、丙烯、丙烷、混合碳四、LPG等。大多数情况下,其闪蒸气(BOG)都由BOG压缩机组回收,但在出现非正常工况超压时,会存在安全泄放的问题。由于大型低温常压罐设计压力都很低,设计压力一般在-0.5~+29kPa(g),排放气管道尺寸大,且火炬背压要求低,国内很多低温常压储罐的安全泄放都是直接排向大气。由于不同的储存介质相对于空气的密度不同,对某些储存介质,这样的设置可能存在一定的安全风险。下面将就此方面进行探讨。1由于大型低温储水池的高压，其压力1.1罐内液体的闪蒸气产生机理在大型低温常压储罐中,储存的介质都处于低温常压饱和状态,一般压力在-0.5~+29kPa(g),储存温度由于介质的不同而不同(见表1)。正常情况下,外界环境都会以太阳辐射或对流的方式向罐内介质传热,虽然储罐具有优秀的保冷设施,但传热不可避免,由此产生的闪蒸汽量与储存介质的物性、保冷层的厚度和储罐容积相关。当液体向储罐内进料时,会产生大量的闪蒸气。一方面,低温液体从低温卸船码头或者低温槽车装卸站台至罐内,需要一段至少数百米的管线,管线虽然有良好保冷措施,但不能避免会持续从环境吸收热量。有些工厂采用真空双层管作为卸料管道,这可以显著降低管道冷损,但真空双层管价格昂贵,大多数工厂还是采用覆盖保冷材料的钢管作为卸料管道。另一方面,液体进料时体积置换会产生与进料液体基本相同体积的气体。其次,如果采用卸料低温泵或者低温船泵的方式将低温液体送入储罐,泵本身产生的热量也会随之带入储罐中而产生闪蒸气。低温泵本身具有良好的保冷特征,且泵外环境温度高于泵的操作温度,低温泵电机的电能除了通过声音和管道设备震动耗散外,大部分能量几乎都最终转化为罐内液体的热能。另外,低温液体管道需要保冷,以免突然冷料流过产生过大的应力造成管道或管件的破坏,此部分循环流动的保冷低温液体也会从环境中吸收热量,进而产生闪蒸气。除上述因素外,外界环境变化或输送泵打循环都可能产生闪蒸气。1.2冷凝器的能力一般而言,为了减少日常储存时物料的损失,采取闪蒸气压缩冷凝的方式,将这部分闪蒸气重新冷凝降温为低温液体后回收,闪蒸气压缩冷凝的能力一般可按上述因素产生的闪蒸气量合理叠加选择。一般正常工况下,闪蒸气总量不会非常大,以浙江某工厂的2台6万m但非正常工况产生的闪蒸气量则远大于正常工况。一般对于低温储罐来说,非正常工况的闪蒸气产生量主要考虑全厂停电、全厂停仪表气、外部火灾、台风、储存液体的翻滚、内罐泄漏与失效等工况的可能组合,选择其中最大者作为设计工况。表2中列举了山西某液化天然气储运站的1台1万m2储水池的大型压力保护为了避免由于上述因素导致的储罐超压,除了闪蒸气压缩冷凝外,大型低温常压储罐一般都考虑了额外的多重超压保护措施。2.1储罐压力监测对LNG低温全容罐,一般超压保护的分级设置都有相对统一的模式:当闪蒸气压缩冷凝系统故障,不能抑制压力升高时,储罐压力监测会报警,进而联锁打开闪蒸气总管的火炬放空自动阀门,如果压力仍然不能控制,储罐上的数个先导式安全阀会相继开启,将LNG气体直接排入大气。表3是山西某液化天然气储运站的1万m2.2设置闪蒸气总管的火炬放空自动阀门对低温乙烯、丙烷、丙烯、混合碳四常压储罐的压力泄放,一般没有统一的设计模式,不同的设计单位会采取不同的设计理念。当闪蒸气压缩冷凝不能控制压力升高时,首先储罐压力监测会报警和联锁,然后打开闪蒸气总管的火炬放空自动阀门。如果压力仍然不能控制,有些设计类似于LNG储罐,先导式安全阀将气体直接排入大气,还有一些设计则与LNG储罐不同,储罐上的先导式安全阀会将气体密闭排入火炬系统,当压力仍然不能控制时,储罐上设置的数个泄压人孔会开启,气体直接排入大气。对后者的设计来说,先导式安全阀的泄放能力考虑了各种较为极端的工况,浙江某工厂2台6万m然而,如果分析大气中丙烷等液化烃的扩散特征与天然气的异同,就可以发现,即使包含较极端的泄放工况,安全阀排放气不直排大气,而是排放至火炬有其设计的安全性和合理性。3密度对天然气、空气的影响LNG或丙烷、丙烯等液化烃泄放至大气后,其运动状态除了取决于当时的大气状态、风速外,也取决于与空气的密度比。当大气状态稳定、风速很低时,一般与空气相比,密度的大小直接决定了其运动状态。图1为各种液化烃和LNG的密度-温度曲线,其中粗实线表示了空气的密度-温度曲线。低温常压储罐在超压泄放时,温度接近于其泄放压力下的沸点,通过安全阀泄放至大气后会与大气发生强烈混合换热,温度逐渐升高。在我国大部分地区,大气温度一般都在-30℃以上,接触到冷泄放气后,靠近泄放气的空气团会迅速降温,与泄放气成为一个混合气团,在大气中整体上升或下沉。因此,作为泄放气密度参照的空气密度-温度曲线(图1中粗实线),在图中假定最低值为-30℃。从图1中很容易看出,天然气在约-135℃以上,密度会小于空气;乙烯在约-35℃以上,密度才会略小于空气,与相同温度下空气的密度接近;丙烯、丙烷、异丁烷、异丁烯和正丁烷,在相同温度下,密度都大于空气。也就是说,对于LNG低温储罐,超压泄放入大气的冷天然气会在与空气的混合中迅速被加热,密度逐渐减小。开始时,冷天然气团会有下降运动的趋势,但被加热到约-135℃以上,密度小于空气后,开始逐渐向上运动,同时进一步与空气混合扩散。地面上可能出现天然气浓度在爆炸极限内的区域,仅在天然气储罐周围很小的区域内,而天然气储罐近距离范围内一般是没有操作人员或点火源的,因此作为事故状态的超压泄放,为保护储罐安全,将天然气排入大气,其风险在一定程度上是可以接受。但对于丙烯、丙烷、异丁烷、异丁烯和正丁烷等液化烃来说,超压泄放入大气后,在一边与空气混合扩散的同时,一边有下沉的趋势,在储罐附近相当大的范围内都会出现可燃气体的积累,并且浓度会在爆炸极限内,特别是大气状况稳定无风、扩散混合作用减弱时,近地面可燃气体高浓度区的范围更大。液化烃与空气的爆炸混合气体会沿地面蔓延,对整个储运区或工厂都是极大的隐患,一旦出现点火源就可能会发生严重的蒸汽云爆炸。据研究人员分析计算,对2台100m对于乙烯,超压泄放入大气后与天然气类似,在空气中扩散的同时被加热,当温度在约-35℃以上时,乙烯密度略小于空气,几乎与空气相同。在-30℃时,乙烯气与空气的比重为0.978,与20℃空气的比重为1.179;在20℃时,乙烯气与空气的比重为0.975。因此,大气状况稳定无风时,乙烯可能会与空气在近地面和空中形成更稳定的混合物,混合物有可能在爆炸极限内,一旦出现点火源,同样可能会发生严重的蒸汽云爆炸,为了降低这种安全风险,乙烯超压泄放气体也最好能够密闭排入地面火炬系统。4大气超压泄放(1)低温常压储罐非正常工况下的闪蒸汽产生量远大于正常工况,一般采用安全阀超压排放,排放去向根据排放介质的不同应谨慎考虑。(2)由于超压泄放入大气的天然气在温度上升后明显比空气轻,在大气中扩散的同时向上运动,地面不会出现大范围的爆炸性气体积累。非正常工况(台