lng圆柱型常压低温储罐的安全保护系统

lng圆柱型常压低温储罐的安全保护系统

天然气作为一种清洁能源，正在迅速开发。目前国内从改变能源结构和改善环境状况角度出发,正积极发展液化天然气(LNG)技术,液化天然气项目在各地纷纷启动。沿海城市一般建液化天然气接收站,从海外接收液化天然气;而内地拥有天然气资源地区则建设天然气液化工厂。无论是液化天然气接收站,还是天然气液化厂,低温储罐都是最为关键的设备,所占项目的投资比例也较高。文献中介绍了各种天然气储罐,其中应用最为广泛的是圆柱型常压低温储罐。本文探讨此类低温储罐的安全保护系统的设计。罐内储存的LNG为饱和液体,罐内温度为-160℃～-163℃,尽管低温储罐有良好的绝热性能,但罐内和环境的热量交换导致少量LNG蒸发成闪蒸气(BOG),低温储罐压力控制在比外界大气压略高(50mbarg)。如果BOG气体不能及时排出,储罐可能会超压;反之如果BOG压缩机的抽气量过大等因素会造成储罐罐出现负压。不难想象,无论超压还是负压,对储罐均会产生严重的威胁,因此压力安全保护系统的设计十分关键。1压力控制技术按照标准分类,LNG圆柱型常压低温储罐可分为单包容、双包容和全包容类型,设计压力通常为-6mbarg～140mbarg,如果采用混凝土罐顶,自重较重,设计的正压还可以高些。无论哪种形式,基本都是微正压。影响LNG低温储罐压力上升的因素包括:①LNG进入储罐产生的容积置换效应;②大气压的下降;③从环境吸入热量,包括正常吸热、火灾和翻滚等的LNG蒸发。影响LNG低温储罐压力下降的因素包括:①LNG泵对外输送产生的容积置换;②BOG压缩机空吸(无LNG进料);③外界大气压的上升。应该说两种因素一定程度上相互抵消,再加上通过调节BOG压缩机的抽气量大小,可以维持罐在正常压力范围内。LNG储罐压力控制总体思路是由于大气压变化,物料进出,正常吸热产生的常规压力波动通过调节BOG压缩机的抽气量维持罐压;火灾或翻滚等极端情况下罐压剧烈变化,需要安全阀和真空阀等保护性措施。因此归纳起来可以分为两个层次,即常规压力控制系统和压力安全保护系统。常规压力控制系统可用变频、机械调速或多台机组,通过BOG压缩机抽气量的变化调节LNG储罐的压力。BOG压缩机最大处理能力根据前面所述导致储罐压力上升的几种因素共同作用时的BOG量,不包括火灾,LNG翻滚极端状况来确定。当BOG压缩机出现故障或LNG储罐压力剧烈变化超出BOG压缩机调节能力范围时,压力安全保护系统启动对付极端状况,确保储罐的安全。2储罐安全阀、真空阀、自适应bog量的计算以上讨论提供了LNG储罐压力控制的基本思路,但并没为工程设计提供BOG量的计算方法,无法为储罐安全阀、真空阀、调节阀及BOG压缩机提供设计参数及选型。下面针对单个LNG储罐不同工况引起的BOG量逐个分析,给出计算方法或估算方法,并对可能出现的组合工况进行分析。2.1罐内不同进料量bog量的计算在LNG进料过程中,由于外来LNG的注入,必然导致液位上升,为维持储罐的微正压,液面上层空间的BOG气体应及时排出,其体积流量和进入LNG体积流量大体相同,即所谓容积置换。从LNG船泵送来的LNG的特点是液体流量大,基本无气相。对于从液化装置来的LNG通常在进入储罐前要经过节流阀降压,温度进一步降低,并有5%～10%少量气化,进料实际是气液两相的体积流量。容积置换产生BOG量应以最大进料流量为计算基准。W1=Wfillingρfilling×ρng(1)W1=Wfillingρfilling×ρng(1)式中,W1为容积置换产生的BOG量,kg/h;Wfilling为LNG储罐最大进料速度,kg/h;ρfilling为流体密度(气液混合进料为混合密度),kg/m3;ρng为泄放时天然气密度,kg/m3。对于从LNG船泵送来的LNG,如果进料的LNG的温度高于罐压下LNG的泡点温度,会有部分LNG在罐内瞬间闪蒸,假设进料LNG为饱和液体,则闪蒸BOG气体量WF应该加入W1,文献给出的计算方法如下:WF=Wfilling×FflashFflash=1−exp[C(T2−T1)Δhv]WF=Wfilling×FflashFflash=1-exp[C(Τ2-Τ1)Δhv]式中,WF为进料瞬间闪蒸产生的BOG量,kg/h;Fflash为闪蒸气体所占的重量分率;C为LNG的热容,kJ/(kg·K);T2-T1为罐压下LNG的泡点温度与进料LNG的温差,℃;Δhv为LNG储罐泄压状态下气化潜热,kJ/kg。2.2bog气体量的计算由于外部环境会向储罐不断传递热量,使得储罐内LNG气化,产生BOG气体。考虑到从外部环境吸热产生的BOG气体量因天气、太阳辐射等因素有较大变化,一般可考虑LNG高液位时,在最苛刻条件,即夏季一昼夜平均吸热量作为计算基准。W2=3600×QΔhv(2)W2=3600×QΔhv(2)式中,W2为从环境正常吸热产生BOG气体量,kg/h;Q为高液位下从环境正常吸热量(以夏季一天为计算基准),kW。2.3产生bog气体量在LNG泵全回流状态下,可假设泵运转的机械能全部转化为热能,则产生BOG气体量为:W3=3600×NΔhv(3)W3=3600×ΝΔhv(3)式中,W3为LNG泵在打回流过程中的产生BOG气体量,kg/h;N为LNG泵的功率,kW。2.4bog气体量的估算大气压力下降产生的BOG气体量。假定储罐处于操作压力下运转,大气压力的下降,将导致储罐内表压增大,为了维持LNG储罐表压一定,需要从LNG储罐排出部分BOG气体W4G,另外罐内压力降低必然引起罐内气液界面层LNG过热产生BOG气体W4L,两部分加和就是大气压力下降产生的BOG气体量。W4L目前只能用经验公式估算,主要是通过BOG的蒸发量和LNG气液界面的压差之间的经验关联得出:式中,W4为大气压下降产生的BOG气体量,kg/h;W4G为大气压下降直接置换的BOG气体量,kg/h;W4L为大气压下降引起界面液体产生的BOG气体量,kg/h;V为LNG储罐气相空间,m3;Pamb为环境压力(取最低环境压力),Pa;dp/dt为环境气压最大变化率,Pa/h;W2LL为低液位下从环境吸热产生BOG气体量,kg/h;Ps1为一小时内大气压最大变化量,inH2O;Ps2为低液位下(取20%满液位)对应的气液界面压差,inH2O。2.5泄气量的计算LNG低温储罐外部火灾引起的BOG气体量。对于LNG大型储罐,湿润表面积应为地面以上至30英尺(9.14m)高度以下的面积。泄放量W5的计算方法参见文献。W5=3.6×71000×F×A0.82+QΔhv(5)W5=3.6×71000×F×A0.82+QΔhv(5)式中,W5为LNG低温储罐外部火灾引起的BOG气体量,kg/h;F为环境因子;A为润湿表面积,m2。2.6放空w6的计算储罐围堰内管路系统发生火灾引起BOG量。围堰内管路系统发生火灾时,只考虑离地面30英尺(9.14m)以下充满LNG的管道,泄放量W6的计算方法参见有关文献。W6=3.6×71000×F×A0.82+QΔhv(6)W6=3.6×71000×F×A0.82+QΔhv(6)式中,W6为储罐围堰内管路系统发生火灾引起BOG量,kg/h。2.7火炬系统的最大bog气体量LNG液体翻滚BOG。有关液体翻滚的泄放量计算是一个比较复杂的工况,在没有具体工程设计模型的条件下,按照标准规定计算,W7=100×W2式中,W7为LNG液体由于翻滚产生的BOG气体量,kg/h。以上分析只针对独立工况,实际情况是多种工况可能同时出现,应考虑在不同工况下可能同时发生的最苛刻情况。以下列出了不同工况的组合情况:(1)正常工作条件下的最大BOG产生量:W1+W2+W3+W4。(2)火灾工作条件下最大BOG产生量:W5+W6。(3)翻滚条件下最大BOG产生量:W7。值得注意的是对于LNG液化厂而言,W1+W2可作为BOG压缩机最大处理能力的设计依据;但对于LNG接收站则较复杂,当LNG船卸料时容积置换的BOG气体大部分返回LNG船,剩余去BOG压缩机,而当LNG船卸料间隙期,无LNG进料,BOG的气体量以容积置换为主,两种正常工况条件下BOG的气体量相差较大,加之接收站的LNG储罐数量多(大于等于两个),正常的BOG的气体量变化很大,实际是通过BOG压缩机组来调节处理量。W1+W2+W3+W4可作为BOG气体去火炬系统调节阀最大通过量的设计依据,当BOG压缩机出现故障时可考虑BOG气体通过控制阀能排放火炬系统。火灾条件和翻滚均为非正常工况条件,但不应考虑同时出现,取较大值可以作为LNG储罐安全阀或阀组泄放量的依据。3真空分析分析各种LNG储罐产生负压工况的目的是为LNG储罐真空阀的设计提供依据,同时也为补干燥天然气或氮气调节阀提供设计依据。3.1真空阀需要补充的空气量由于储罐内LNG的不断送出,导致液位下降,如果又不进料,罐内气相空间增大,罐压降低,此时如果不能补充外部天然气来维持压力,将造成储罐出现负压。在此工况下,真空阀需要补充的空气量V1计算如下:V1=Vpump×ρair,Pρair,N(8)V1=Vpump×ρair,Ρρair,Ν(8)式中,V1为LNG泵对外输送时真空阀需要补充的空气量,Nm3/h;Vpump为LNG泵最大流量,m3/h;ρair,P为真空阀起跳时空气密度,kg/m3;ρair,N为标准状态下空气密度,kg/m3。3.2放空空气量计算无进料时,BOG压缩机的空吸会造成LNG储罐内的真空,在此工况下,真空阀需要补充的空气量V2计算如下:V2=Wmax‚copmρng×ρair,Pρair,N(9)V2=Wmax‚copmρng×ρair,Ρρair,Ν(9)式中,V2为BOG压缩机空吸真空阀需要补充的空气量,Nm3/h;Wmax,copm为压缩机最大抽气能力,kg/h。3.3真空泄压阀泄气量大气压力升高造成空气吸入量。大气压力的升高,将导致储罐内表压减小,为了维持LNG储罐表压一定,必然需要从外部补充气体V3,否则可能出现真空。此时真空泄压阀的泄放量V3计算如下:V3=VPamb×dpdt×ρair,Pρair,N(10)V3=VΡamb×dpdt×ρair,Ρρair,Ν(10)式中,V3为大气气压升高真空泄压阀的泄放量,Nm3/h。由于以上工况可能同时发生,因此真空阀最大吸入空气量应为V1+V2+V3。干燥天然气和氮气补入调节阀的最大流量应该不小于大气压力升高产生的空气吸入量。4安全阀的泄气量和真空阀的排出量以新疆鄯善广汇的1.5×106Nm3/d液化天然气工厂的3×104m3单包容LNG储罐为例计算安全阀的泄放量和真空阀的吸入量。LNG储罐的基本设计参数和泄放条件下天然气性质参数见表1和表2。4.1泄漏缓冲区4.1.1进料气液混合物密度条件:LNG储罐最大进料流量为60355kg/h;进料气液混合物密度为24.91kg/m3。将上述条件代入式(1),得LNG进料过程中的容积置换产生的BOG量:W1=6053kg/h4.1.2细胞系统3.32kv条件:高液位下环境正常漏热量为73.39kW。将上述条件代入式(2),得LNG从环境正常吸热产生BOG气体量:W2=598kg/h4.1.3lkg泵条件:LNG泵的功率N为82.5kW。将上述条件代入式(3),得LNG泵在完全回流时产生BOG气体量:W3=672kg/h4.1.4g储罐气相空间条件:最高环境大气压下降变化率为18mbar/h;LNG储罐气相空间(最大)为46251m3;环境压力(取最低环境压力)为941.8mbar。将上述条件代入式(4),得大气压力下降产生的BOG气体量:W4=2208kg/h4.1.5环境因子环境因子条件:大罐润湿面积为1181m2;环境因子为0.0021。将上述条件代入式(5),得LNG低温储罐外部火灾引起的BOG气体量:W5=996kg/h4.1.6因子模型条件:大罐润湿面积为30m2;环境因子为1.0。将上述条件代入式(5),得储罐围堰内管路系统发生火灾引起BOG气体量:W6=6743kg/h4.1.7最大bog产生量根据W2由式(7)得LNG液体翻滚BOG气体量:W7=59800kg/h正常工作条件下的最大BOG产生量:W1+W2+W3+W4=9530kg/h火灾工作条件下的最大BOG产生量:W5+W6=7739kg/h翻滚条件下的最大BOG产生量:W7=59800kg/h4.2真空装置的吸入量4.2.1泵无法出国输送条件:LNG泵输出最大流量为320m3/h。将上述条件代入式(8),得真空阀需要补充的空气量:V1=321.13Nm3/h4.2.2空吸波格辽宁省条件:压缩机最大抽气能力为6390.21kg/h。将上述条件代入式(9),得真空阀需要补充的空气量:V2=2984.1Nm3/h4.2.3真空阀需要补充的空气量条件:最高环境大气压升高变化率为18mbar/h。将上述条件代入式(10),