【论文精选】天然气液化工厂LNG储罐扩建安全技术

作者：袁辉，高黎敏，谢庆南

第一作者单位：陕西省燃气设计院有限公司

摘自《煤气与热力》2020年10月刊

 

1   概述

 

LNG是管输天然气的补充，在治理散煤污染领域里，在天然气管道不能到达的煤改气用户或工业燃料用户，以及村镇用户等地方发挥至关重要作用，同时，上游生产厂家扩大储存规模的需求也越来越大，其储存与安全也随之越来越受到关注。本文主要从总图布置、工艺设计、消防系统等方面对天然气液化工厂储罐扩建方面的安全性提出一定要求和措施。

 

2   总图布置及储罐基础

 

①依据的标准规范

 

天然气液化工厂属于甲A类火灾危险厂站，储罐扩建的总图布置主要遵循GB 51261—2019《天然气液化工厂设计标准》、GB 50160—2008《石油化工企业设计防火标准》（2018年版）、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》（2018年版）以下简称GB 50016—2014（2018年版）、GB 50187—2012《工业企业总平面设计规范》等；常用的国外标准主要有美国标准NFPA 59A《液化天然气（LNG）生产、储存和装运标准》，依据这些规范的相关规定进行设计^［1］。

 

②储罐选型

 

目前LNG储存分为带压和常压两种，储罐主要分为真空绝热储罐、子母罐和常压储罐。考虑储存规模大、时间长、市场灵活等特点，基本上都采用常压储罐，LNG低温常压储罐又分为单容罐、双容罐和全容罐。以10 000 m³单容罐、双容罐、全容罐为例进行对比，见表1。

 

表1   10 000 m³单容罐、双容罐、全容罐比较

 

根据表1可以得出，选用何种形式储罐可以从安全性、占地、投资、施工期及难易程度等对比中作出初步选择。

 

③储罐基础

 

目前，大型立式平底型圆筒储罐的基础有高架式和落地式两种^［2］。因高架式具有空气流通通畅、隔热环节无需特殊设计、基础发生冷冻膨胀概率小等特点，故目前多采用高架式的混凝土桩基基础。基础承台由柱腿支撑，可保证空气流通畅通。内罐底部与外罐底部之间设置隔热层，使用玻璃砖及珠光砂混凝土等热导率小的材料作为支撑层，隔断内罐冷能，即接触LNG的材料温度为-162 ℃，而到混凝土承台可以升到接近常温。

 

3   工艺设计

 

LNG储罐扩建一般不涉及新增液化装置、辅助用料，其主要由储运系统、BOG回收系统及氮气和仪表空气系统组成。

 

3.1  储运系统

 

LNG自原工艺装置的液化单元经节流后进入新增储罐单元中，进入储罐的进液管采用环形喷淋装置，以保证在首次进液时内罐均匀冷却，避免局部温差应力较大。

 

新增储罐的安全防护措施是整个扩建项目的关键。以20 000 m³储罐为例，从压力、液位、温度、预防分层翻滚、干粉灭火、喷淋冷却等方面逐一介绍安全控制系统。

 

①压力测量和控制措施

 

由于传热作用，储罐内LNG蒸发导致储罐压力上升。另外，储罐灌充LNG时置换出的气体及闪蒸气也将导致储罐压力上升。为了维持罐内压力在正常操作范围，LNG储罐一般设有压力测量和控制调节系统，储罐顶安装1套超压自动放空系统，3套呼气泄放阀（2用1备）和3套真空吸气阀（2用1备），作为保护储罐免受破坏的措施。

 

为避免储罐压力偏离可控范围，出现压力过高或过低，储罐设计有多层安全保护措施。

 

a.防止储罐超压安全控制措施

 

通过BOG管道回收储罐蒸发的气体；通过压力调节阀将超压气体排入火炬放空系统；通过顶部放空管道将超压气体就地排入大气，由于天然气密度较小，储罐顶部为开阔区域，可直接排向大气；呼气泄放阀起跳，将储罐的气体排入空气中。

 

b.防止储罐压力过低的安全保护顺序

 

向罐内补充天然气或氮气；储罐真空吸气阀向罐内补充空气。

 

储罐压力在控制室显示和记录，部分压力变送器带就地压力指示，储罐压力由集散控制系统（DCS）自动控制，压力高高报警时通过安全仪表系统（SIS）紧急放空保护，其高、低压力控制见表2（表中数据根据项目实际情况可能会有调整）。

 

表2  高、低压力控制

 

 

②液位测量和控制措施

 

LNG储罐一般设有2套伺服液位计检测，1套雷达液位计检测。液位信号远传至原厂区的中控室，并与储罐进料切断阀、出料切断阀联锁。当液位过高时，联锁关闭进液阀，确保安全充灌和防止溢罐；当液位过低时，联锁停泵，防止过低液位时启动潜液泵可能导致产生气蚀。一般储罐的有限储存液位为1 400～24 600 mm，其高、低液位控制见表3（表中数据根据项目实际情况可能会有调整）。

 

表3   高、低液位控制

 

 

③温度测量

 

一般在储罐内罐外壁、内罐底板、内罐筒体等部位设置温度监测元件，能够保证在开车预冷时对储罐不同位置进行准确测温，满足均匀降温预冷、灵活调节的生产操作需要。所有温度信号均引至主控室DCS进行监视，储罐温度测点布置见表4（表中数据根据项目实际情况可能会有调整；一般单容罐、双容罐、全容罐均由内罐和外罐组成）。

 

表4   储罐温度测点布置

 

 

④LNG分层翻滚预防措施

 

a.对LNG不同高度密度进行检测

 

LNG储罐一般设置有LTD（液位-温度-密度）检测系统，对储罐不同高度的LNG密度进行循环检测，一旦发现密度差达到报警值，控制室显示报警，提醒操作人员采取措施。

 

 

b.对LNG不同高度进行温度检测

 

为了检测到LNG储罐是否出现分层情况，LNG储罐配置有温度探头，用来测量储罐不同高度的LNG温度，输送至控制室进行判断。

 

c.避免LNG出现分层的措施

 

储罐接收具有不同密度的LNG进入同一储罐前进行分析，根据分析结果选择进液管道。进液物料LNG密度相近时，选用底部进液；当储罐储存LNG密度大于进液物料LNG密度时，选用底部进液；当储罐储存LNG密度小于进液物料LNG密度时，选用顶部进液；利用离心泵打回流来混合上层和下层LNG液体。

 

⑤干粉灭火装置

 

储罐顶部泄放平台位置一般设置局部喷射式干粉灭火系统。罐顶放空区域一般设置2台火焰探测器，报警时联锁启动放空口干粉灭火装置。干粉灭火系统具备3种启动方式：自动控制、手动控制和机械应急操作。

 

⑥喷淋冷却装置

 

储罐一般配套喷淋水冷却消防装置1套，由管路、喷头以及给水立管等组成。设置于罐顶、罐壁，系统的设置符合相关规范。

 

喷头的布置间距满足其喷出的扇形水幕在罐壁上有一定的相交，防止产生盲区。

 

⑦其他

 

可燃气体泄漏检测：一般在储罐顶部平台设置可燃气体泄漏探测器5只，输出 4~20 mA 信号。

 

3.2  BOG回收系统

 

LNG储罐扩建产生的BOG主要来自3处：第一是节流后进入LNG储罐会闪蒸一部分BOG；第二是由于LNG储罐与外界环境的温差也会导致少量LNG蒸发为BOG；第三是装车时，从槽车返回的部分BOG。一般将BOG回收后进入原工艺装置，一部分复热后增压作为导热油炉、厨房用气，一部分经压缩后再液化。若原厂BOG压缩回收系统不能满足新增BOG的处理需求，则LNG储罐扩建后就需要新增BOG压缩机回收系统。

 

 

3.3  氮气和仪表空气系统

 

LNG储罐扩建所需的氮气主要用于储罐主、次容器的夹层保证微正压，罐内潜液泵泵注氮封；所需要的仪表空气主要作为储罐罐顶紧急切断阀、调节阀等气动气源。若原厂空压制氮系统不能满足新增储罐和BOG处理系统的需求，LNG储罐扩建后需要新增空压制氮系统。

 

4   消防系统

 

 

根据GB 51261—2019、GB 50183—2004和GB 50016—2014（2018年版）的相关规定，天然气液化工厂基本设置有独立的消防系统，一般由消防给水系统、高倍数泡沫灭火系统、干粉灭火系统及移动式干粉灭火器等组成。

 

针对LNG储罐扩建的消防系统，是否增加消防水量，主要依据新增储罐容积。当采用同原有储罐相同的储罐并保证储罐间距（布置在着火罐直径1.5倍范围之外），可以不用考虑新增消防水量，但需新增高倍数泡沫灭火系统、干粉灭火系统及移动式干粉灭火器等；当采用的储罐比原有LNG储罐大时，按照规范进行布置并与原有储罐间距为相邻着火罐直径1.5倍范围之外时，消防水量应按照新增储罐表面积重新计算确定，这样就需新增消防设施即新增消防泵、消防水池（罐）、干粉灭火器等。

 

5   结语

 

LNG储罐扩建最终归结于储运和消防系统的安全技术设计。根据不同使用工况和要求，确定合理的储罐类型、选定合适的支撑隔热结构，并依据规范进行合理总图布置、考虑新增储运系统与原有工艺装置有序衔接、完善消防系统等都是LNG储罐扩建安全有力的保证。

参考文献：

 

［1］顾安忠，鲁雪生，金国强，等. 液化天然气技术手册［M］. 北京：机械工业出版社，2010： 251-265.

 

［2］朱保国，李晓明，宋启祥，等. 液化天然气储罐安全技术分析［J］. 石油化工设备，2010（1）： 87.