大型LNG全容罐宽罐和窄罐方案比较分析

张双泉，叶芬，姜秋红，岳家富，杨勇权中海石油海南天然气有限公司

大型LNG全容罐宽罐和窄罐方案比较分析

张双泉，叶芬，姜秋红，岳家富，杨勇权中海石油海南天然气有限公司

液化天然气（LNG）温度极低，通常选择低温微正压方式储存，LNG储罐投资巨大，在LNG项目中非常重要。本文以国内南方某LNG接收站LNG储罐方案选择为例，对两种高径比的全容LNG储罐进行优劣比较分析，可为以后LNG储罐结构形式选择及初步数据确定提供参考。

LNG储罐；宽罐；窄罐；比较分析

1 引言

LNG（液化天然气liquefied natural gas），一种在液态状况下的无色流体，主要由甲烷组成，可能含有少量的乙烷、丙烷、氮或通常存在于天然气中的其他组分，LNG温度极低，其沸点在大气压力下约为-161.5℃。LNG无味、无毒且无腐蚀性，体积约为同量气态天然气体积1/600，重量仅约为同体积水45%，是一种清洁、环保型能源，LNG产业正在我国迅速发展。

LNG通常选择低温微正压储存方式，因此，要求LNG储罐具有良好的耐低温性能和优异的保冷性能，在内外罐之间要求填充高性能的保冷材料，罐底保冷材料还要求有足够的承压能力。

目前建造的LNG储罐，主要为全容罐和薄膜罐，国内已经建设的大型LNG储罐容积基本为16万方，都为全容罐[1][2]。从技术、经济以及外观效果考虑，全容罐径高比（D/H）一般接近2.0，但储罐设计承包商可根据自身经验和技术能力，在经业主批准的情况下，选择不同径高比的LNG储罐。本文将针对两种高径比的全容LNG储罐进行优劣比较分析。

2 基础数据

本文以国内南方某LNG接收站为例，选取16万方LNG储罐两种设计方案，分别为内罐直径83.8m的LNG储罐方案（以下简称“宽罐”）和内罐直径为76.32m的LNG储罐方案（以下简称“窄罐”），主要基础数据列举如表1：

3 比较分析

3.1 安全距离的影响

“宽罐”和“窄罐”相比，外罐外直径相差87.4-79.92=7.48m，因此，储罐中心确定后，“宽罐”与工艺区、控制室、建筑红线等各设施之间的距离，需多预留7.48/2=3.74m的距离；另外，“宽罐”直径大，要求的罐间距离也大。

各标准对安全距离的要求及“宽罐”“窄罐”对比汇总如表2。3.2抗震影响

“宽罐”占地面积更大，比“窄罐”更稳定，无需设置锚固带，结构更加简单，具有较高的抗震安全性，主要表现为：

3.2.1 稳定性

地震条件下，较大的水平力作用于储罐本身和装载的LNG液体，因为LNG液体的重心高于储罐承台，导致较大的倾覆力矩作用于内罐壳体的下部和内罐底部，因此，将可能导致内罐壳体的变形和内罐底的抬升。如果此变形和抬升的力度足够大，将有可能导致内罐的泄漏和/或垮塌。

表2 各标准对安全距离的要求Table 2 Safe distance required by Standard

图3 .2.1 水平力和倾覆力矩对比示意图Fig.3.21 Horizontal force and overturning moment

图3 .2.2 应力集中示意图Fig.3.2.2 Mechanism of Stress Concentration

“宽罐”的抗震性优于“窄罐”，这是因为不管何种构造的储罐，地震加速度几乎相同，但由于宽罐内LNG液体重心较窄罐低，故而“宽罐”的水平作用力、倾覆力矩相比“窄罐”都更小，因此，储罐内罐泄漏和/或垮塌的可能性也更小，地震对“宽罐”的影响更小。示意图3.2.1。

3.2.2 结构简单，无锚固带

如果内罐处于不稳定状态，必须使用锚固带以抵御上述的变形和抬升。因为锚固带的使用必须穿透热角保护（TCP）层并焊接在TCP板上，所以，不论在地震条件还是在操作条件下，在TCP板穿透位置将产生应力的集中。通过计算，“宽罐”不使用锚固带，不会发生上述情况，因此，“宽罐”比“窄罐”更安全。应力集中示意如下图3.2.2。

3.3 施工周期的影响

“宽罐”施工工期与“窄罐”相比，可缩短1个月，主要表现在：

·桩基数量更少：“宽罐”416根，“窄罐”428根；

·外罐墙体更低：“宽罐”9层施工，“窄罐”11层施工；

·内罐高度更低：“宽罐”8层，“窄罐”10层；

·“宽罐”无锚固带的方案，亦可节省一定的工期。

因为工期缩短，储罐施工管理和质量管理方面亦可节省一定费用。

3.4 储罐建造费用比较

因为“宽罐”承受的地震影响相对较低，“宽罐”方案所需的材料费用也相对较低，主要表现在：

·内罐壁板相对更薄（“宽罐”方案9Ni钢使用量比“窄罐”节省约7.2%）；

·不需要锚固带材料；

·储罐桩基数量更少；

·内罐环形底板底部泡沫玻璃强度降低（“宽罐”采用等级1600泡沫玻璃，“窄罐”需采用等级2400泡沫玻璃）。

“宽罐”方案也有一些对施工建造费用增加，如：

·“宽罐”直径增大，DOKA模板数量需要适当增加；

·塔吊覆盖半径需要适当增大。

3.5 工艺管线材料费用比较

储罐的高度直接影响了LNG卸料管线的尺寸，“宽罐”罐高相比“窄罐”小，所需的卸料扬程小，“宽罐”方案所需的LNG卸料管线尺寸可降低，通过计算，“宽罐”需LNG卸料管线直径为42’’，但“窄罐”所需的LNG卸料管线尺寸为44’’，初步减少的管线材料约为42吨。

3.6 储罐保底LNG比较

储罐保底液位主要跟罐内低压泵的性能有关，因此在相同性能泵的前提下，两种储罐的保底LNG液位也是相同的。由于“宽罐”底面积较大，故在相同的液位高度下剩余在罐内的LNG量要更多。

以内罐直径83.8m的“宽罐”和内罐直径为76.32m的“窄罐”，按保底液位1.5m为例（按照常温）计算，大致约：

“宽罐”：3.1416×83.802/4×1.5=8273.1 m3

“窄罐”：3.1416×76.322/4×1.5=6862.1 m3

表3

两者相差=8273.1-6862.1=1411.0 m3

4 大尺寸LNG储罐实例

目前世界上大尺寸LNG储罐举例列举如表3。

5 小结

“宽罐”地震响应值小，具有高抗震稳定性，不需要锚固带，能降低施工周期和费用；但“宽罐”方案占地大，保底液多，对周边道路、管架走向，地下管网等设施也将造成一定的影响，对储罐周边设施或周边设施对储罐的影响需要进行进一步的评估和核实。究竟选用何种径高比的LNG储罐，需要各LNG项目根据现场实际条件，以及技术和经济比较分析作出评判。

[1]张超扬帆屈长龙.LNG储罐大型化及国产化发展趋势分析[J].中国造船,2014,55(增刊1),133-140.

[2]王玲徐东杰陶志刚.LNG(液化天然气)接收站储罐选型方案分析[J].石油天然气学报,2013,35(8)：279-283.

张双泉（1974-），男，湖南长沙人，工程师，硕士，目前主要从事液化天然气（LNG）项目的建设和管理。