【论文精选】液化天然气罐箱周转堆场的设计

作者：闫猛，韩志刚，李艳艳，刘建海

第一作者单位：艾索兰德（天津）国际贸易有限公司

摘自《煤气与热力》2021年1月刊

 

1   概述

 

LNG集装箱式罐箱（以下简称罐箱）周转堆场（“LNG集装箱式罐箱周转堆场”以下简称罐箱堆场）根据建设规模，除具备罐箱的暂存与周转基本功能外，还可包含罐箱整车的暂存及交通事故应急避险处理等辅助功能。目前，LNG已被列入《特别管控危险化学品目录（第一版）》，这对LNG的储运监管提出了更高要求，使罐箱物流产业政策及罐箱堆场规划建设受到业内关注。

 

2   产业支持政策

 

2017年6月23日，国家发展改革委、科技部、工业和信息化部等发布发改能源［2017］1217号文件《加快推进天然气利用意见》，其中“（六）加大科技创新”，要求加大加快提升水运、铁路、公路LNG运输效率，推进多式联运，探索研发集装箱方式运输LNG的技术和装备，增强LNG运输的灵活性。

 

2020年4月10日，国家发展改革委、财政部、自然资源部等发布发改价格［2020］567号文件《关于加快推进天然气储备能力建设的实施意见》，其中“二、明确重点建设任务”，要求发挥LNG罐箱宜储宜运、调运灵活的特点，推进罐箱多式联运试点示范，多措并举提高储气能力。

 

2020年7月2日，交通运输部发布交海规9文件号《整船载运LNG可移动罐柜安全运输要求（试行）》，其中“七、LNG罐箱港口装卸作业安全要求”，要求在没有罐柜堆存条件的港口，不得在港内堆存，在港口装卸作业要采用直装直取方式进行，罐箱和载有罐箱的车辆不得在港口内滞留。

 

3   罐箱堆场设计规范

 

目前适用于罐箱堆场设计的主要规范有：GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》（以下简称GB 50183—2004）、GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（以下简称GB 50016—2014）、SH 3093—1999《石油化工企业卫生防护距离》（以下简称SH 3093—1999）、GB/T 20368—2012《液化天然气（LNG）生产、储存和装运》（以下简称GB/T 20368—2012）、AQ/T 3046—2013《化工企业定量风险评价导则》（以下简称AQ/T 3046—2013）、JT 397—2007《危险货物集装箱港口作业规程》（以下简称JT 397—2007）等。

 

GB 50183—2004在第3.1.1条、第3.2.2条、第4.0.8条、第5.2.2条、第8.5节中，明确有LNG为甲（A）类火灾危险性物质、厂站储存规模及分级、基本防火间距、消防供水等要求。

 

GB 50016—2014在第4.4节中，提出了罐区与明火或散发火花地点、场外建筑物等的防火间距；在第4.4.2条中要求，数个储罐的总容积大于3 000 m³ 时，应分组布置；在第4.2.3条中要求，罐组内甲类储罐的布置不应超过2排。

 

AQ/T 3046—2013的附录E.3.2中，提出了一种评价物质连续稳态源泄漏后扩散距离的模型方程，可用于估算LNG经容器破裂孔泄漏后的气体扩散距离。

 

SH 3093—1999中第2.0.1条要求，厂站装置区与居住区的卫生防护距离不应小于150 m，当小于150 m时，应根据环境影响报告书的结论确定。

 

JT 397—2007中第5.3.6条要求，罐箱应单层存放。

 

GB/T 20368—2012中，对LNG设施的设计、选址、施工、操作等提出了要求。

 

经综合研究，罐箱堆场主要遵循GB 50183—2004、GB 50016—2014开展设计，同时要参照SH 3093—1999、GB/T 20368—2012、AQ/T 3046—2013、JT 397—2007等相关内容。

 

4   某罐箱堆场的设计方案 

4.1  罐箱堆场分级

 

华南地区某罐箱堆场为单一功能吞吐周转堆场，设计容纳32 台长度为13.716 m的罐箱，单罐箱内层罐的容积约53 m³，罐箱堆场总储存容积约1 700 m³。依据GB 50183—2004第3.2.2条，该罐箱堆场等级为四级。罐箱内LNG平均密度约452.4kg/m³。在20 ℃、101 325 Pa条件下，天然气的密度约0.71 kg/m³。

 

4.2  罐箱堆场生产设施

 

结合本项目功能需求，罐箱堆场内设置露天罐箱储存区及其周边的防火围堰与消防环形道路、消防水泵房、消防水池、备用发电机房、变配电室、仪控室、回车场、地磅、龙门吊车、综合管理用房及门卫值班室、避雷塔、材料仓库、堆场实体围墙等生产设施。

 

防火围堰内罐组为2排平行单层排放，围堰容积大于罐箱的总容积，围堰内设置排液沟槽、防爆集液隔离排污池。

 

依据GB 50016—2014第8.5节，罐箱堆场消防水量取30 L/s，火灾延续时间取6 h，配套900 m³ 消防水池、消防泵房、发电机房各1 座。防火围堰内设置可燃气体探测报警器、低温探测器及火焰探测器等设施，围堰外设置宽度为4.5 m的环形消防车道。

 

罐箱堆场的生产供电系统符合GB 50052—2009《供配电系统设计规范》第2.0.2 条的双重电源要求。在综合管理用房内设置仪控室，设置24 h场区实时影像监视系统。

 

设置1 座横跨围堰区的龙门吊车，吊车落地轨道一端与回车场相连，回车场与防火围堰之间设置1 座避雷塔。

 

4.3  主要防火间距的确定 

4.3.1 基本要求

 

罐箱堆场防火间距在满足GB 50183—2004第4.0.8条中表4.0.4与第5.2.2条中表5.2.1、GB 50016—2014第4.4节中表4.4.1、SH 3093—1999第2.0.1条等要求的基础上，还需按GB50183—2004第10.3.4条、第10.3.5条的要求，计算出在防火围堰火灾及罐箱LNG泄漏扩散事故状态下，火焰热辐射量分别为4 kW/m²、9 kW/m²、30 kW/m²时的距围堰外沿的隔热距离，以及LNG蒸气云扩散隔离界内空气中燃气的平均体积分数为2.5 ％时的（在20 ℃、101 325 Pa条件下，折算成燃气的质量浓度为0.017 8 kg/m³）距围堰外沿的距离。要求在热辐射量4 kW/m²界限内，不得有50 人以上的室外活动场所；9 kW/m² 界限内，不得有活动场所、学校、居民区等在用建筑物；30 kW/m² 界限内，不得有即使是能耐火且提供热辐射保护的在用构筑物。同时，上述室外活动场所、建筑物，以及场内重要设施不得设置在LNG蒸气云扩散隔离区内空气中燃气的平均体积分数大于2.5 ％（在20 ℃、101 325 Pa条件下，折算成燃气的质量浓度为0.017 8 kg/m³）的区域内。

 

依据SH 3093—1999第2.0.1条，防火围堰外沿距居住区防护距离不应小于150 m。

 

4.3.2 GB 50183—2004主要防火间距

 

依据GB 50183—2004第4.0.8条中表4.0.4，防火围堰外沿距离100 人以上的居住区、村镇、公共建筑设施的防火间距不小于60 m，距离100 人以下散居房屋的防火间距不小于50 m。

 

依据GB 50183—2004第5.2.2条中表5.2.1，防火围堰外沿距罐箱堆场消防泵房、变配电室、发电机房等全场性重要设施的防火间距不小于55 m，距离有明火或散发火花地点（含锅炉房）的防火间距不小于60 m。

 

4.3.3 GB 50016—2014主要防火间距

 

依据GB 50016—2014第4.4节中表4.4.1，防火围堰外沿距公共建筑的防火间距不小于110 m，距离明火或散发火花地点及室外变、配电站的防火间距不小于70 m。

 

4.3.4 热辐射隔热距离估算

 

依据GB 50183—2004第10.3.4条的条文说明中的公式（10），计算距防火围堰外沿的热辐射隔热距离d。经布置，防火围堰面积A约2 800 m²，尺寸为40 m×70 m，长宽比不大于2。火焰热辐射量为4 kW/m²、9 kW/m²、30 kW/m²时对应的公式（10）中的热通量校正系数F分别为3.5、2、0.8。经计算，火焰热辐射量为4 kW/m²、9 kW/m²、30 kW/m²时对应的距防火围堰外沿的热辐射隔热距离d分别为185.203 m、105.83 m、42.332 m，向上圆整后取186 m、106 m、43 m。

 

4.3.5 LNG蒸气云扩散隔离距离估算

 

①计算依据

 

LNG蒸气云扩散距离与光照、温度、湿度、风速、风向、地面粗糙度、大气稳定度、泄漏量、泄漏速率、人为因素等综合条件相关，计算过程复杂，也存在一定不确定性，通常利用经验公式与试验相结合的办法确定。本文依据AQ/T 3046—2013《化工企业定量风险评价导则》附录E.3.2 中的公式E.33（即连续稳态源的烟羽的Pasquill-Gifford模型扩散方程）、表E.7中的扩散系数方程以及附录E.1.2中连续排放的LNG泄漏质量流量计算公式E.2等，对LNG泄漏形成的蒸气云扩散距离进行估算。

 

②LNG泄漏场景

 

假设围堰内某1 台罐箱的DN 50 mm出液管道被撞，储罐形成与管道截面积大致相同的不规则破裂口，LNG由破裂口泄漏在空气中。

 

③LNG泄漏质量流量计算

 

罐箱内LNG密度ρ取452.4 kg/m³，泄漏孔面积A约0.002 m²，罐箱泄漏孔泄漏系数C₀按AQ/T 3046—2013中附录E.1.1的经验数据取0.61，罐箱内LNG平均绝对压力p取4×10⁵ Pa，环境绝对压力p₀为101 325 Pa，重力加速度g取9.81 m/s²，泄漏孔上方LNG高度差（即罐箱内液面与泄漏口的高度差）h_L约2 m。将已知数据代入AQ/T 3046—2013的附录E.1.2中的公式E.2，经计算，连续排放的LNG泄漏物料质量流量q_m为20.351 kg/s，向上圆整取21 kg/s。

 

④LNG蒸气云扩散距离估算

 

大气温度为20 ℃，Pasquill大气稳定等级为D（农村条件），地面有效粗糙度为0.1 m。在AQ/T 3046—2013的附录E.3.2中的公式E.33中，LNG泄漏物连续排放时，形成稳定的流场后，给定地点（x，y，z，h_r）的燃气质量浓度为0.017 8 kg/m³，侧风向距离y取0 m，LNG泄漏物料质量流量q_m为21 kg/s，环境风速u取2 m/s，垂直风向距离z（给定地点高程）取2 m，泄漏点源强的有效高度h_r取2 m。经迭代计算，所求的侧风向的扩散系数σ_y为16.579 m，垂直风向的扩散系数σ_z为10.961 m，下风向距离x（满足燃气质量浓度为0.0178 kg/m³的扩散边界距离）为209.401 m，向上圆整取210 m。

 

4.3.6 防火间距综合选取

 

综上，按照GB 50183—2004、GB 50016—2014、SH 3093—1999、AQ/T 3046—2013等规范选取或计算得到的罐箱堆场主要防火间距存在不一致性，其防火间距应结合基本要求及建筑物具体情况、性质进行分类选取。

 

①罐箱堆场外，符合GB 50183—2004第10.3.4条、第10.3.5条要求的室外活动场所、建筑物，距防火围堰外沿的防火间距依据本文计算的LNG蒸气云扩散隔离距离选取，取210 m，这样可同时满足以上4个规范（GB 50183—2004、GB 50016—2014、SH 3093—1999、AQ/T 3046—2013）的防火间距要求。

 

②罐箱堆场外，除第①条所指的室外活动场所、建筑物以外的其他场所及建筑物，其距防火围堰外沿的防火间距主要依据GB 50183—2004第4.0.8条中表4.0.4等相关要求选取，但是，其中的明火或散发火花地点距防火围堰外沿的防火间距应依据GB 50016—2014第4.4节中表4.4.1选取，取70 m。

 

③罐箱堆场内，消防水泵房、消防水池、变配电室、备用发电机房等全场性重要设施距防火围堰外沿的防火间距，依据本文计算的LNG蒸气云扩散隔离距离选取，取210m，这样可同时满足以上4个规范（GB 50183—2004、GB 50016—2014、SH 3093—1999、AQ/T 3046—2013）的防火间距要求。

 

④罐箱堆场内，仪控室、综合管理用房、地磅、门卫值班室、材料仓库、避雷塔等非全场性重要设施的建筑物及人员活动场所，距防火围堰外沿的防火间距主要依据GB 50183—2004第5.2.2条中表5.2.1等相关要求选取。

 

4.4  场区布局

 

本着节约用地原则，本项目罐箱堆场被分隔成两个邻近的独立地块分别实施，包含消防水泵房、消防水池、变配电间及备用发电机房等重要设施的场区占地约1 500 m²，包含罐箱区、办公用房、门卫等的主场区占地约12 000 m²，两场区合计占地约13 500 m²。两场区经相关管道与线缆连通，两场区用地边界防火间距按210 m选取。

 

4.5  供应规模

 

罐箱堆场设计每天外运10 台罐箱，计划年工作330 d，罐箱平均充装率为0.85，则年LNG供应规模约67 256.046 t。

 

5   结语及建议

 

①罐箱堆场项目国家政策支持，设计规范成熟，项目建成后有利于罐箱长距离运输过程的中继暂存和整船进口罐箱的快速暂存周转等物流环节平稳安全运营。

 

②依据GB 50183—2004的方法计算得到的罐箱堆场热辐射隔热距离、依据AQ/T 3046—2013的方法计算得到的LNG蒸气云扩散隔离距离等主要防火间距偏大，项目选址困难，建议进一步优化计算方法。