LNG储罐液位及泄放设计

陈锐莹，姜夏雪，张 晨，安东雨，衣 鹏

(中海石油气电集团，北京 100028)

LNG储罐的主要功能是接卸及储存由LNG运输船运来的LNG，利用外输系统输送至下游用户。

一般大型的陆地接收终端会建造LNG全容储罐。其基本结构是，内罐顶部为开放式结构，材料为9%Ni；内罐顶部吊顶材质为铝合金板，与罐顶下方拉杆连接。混凝土外罐由钢筋混凝土承台、后张拉式混凝土罐壁、钢筋混凝土罐顶组成，罐底承台与罐壁、罐壁与罐顶均采用刚性连接。储罐基础为高架空桩基础结构。内外罐间的环状空间和悬挂的内吊顶均使用绝热材料进行保冷。为确保储罐的安全性，所有穿过储罐气体密封面的管道均位于罐顶，以减少内罐发生严重泄露的风险；在罐底设有架空式支撑平台，以防止基础或土壤冻结现象的发生。

其大致工艺是，每座储罐上均配备两条进料管线，分别将LNG送到内罐顶部和底部。进料模式取决于储存及卸料的LNG规格。储罐内LNG外输是通过低压泵进行的。低压泵安装在储罐泵井内，并完全浸没在LNG中。罐顶管道将所有的低压泵连通，使其可以并联操作。储罐罐顶连接到共用的BOG总管，以便在卸料操作期间收集/置换BOG，保持储罐压力的平衡。

1 液位计算

储罐液位是一个关键参数，可以通过其的计算初步确定内罐的高度，可以通过其的控制防止储罐过量进料。根据规范GB51156的要求储罐“从最高操作液位上升至高高液位的时间不宜小于10 min，达到高高液位时应联锁关闭入口阀门”[1]。规范中只规定了高高液位的要求，并未对低低液位设计给出规定，因此在储罐液位设计中还应结合罐内低压泵的情况进行设计，具体原则如下：

不可操作液位(LALLL)应综合考虑低压泵的气蚀余量以及储罐罐底的不可操作区域来进行设定；外输关停液位(LALL)为在LALLL的基础上考虑进行5 min的最大外输后，储罐下降的液位；最小操作液位(LAL)为在LALL的基础上考虑进行10 min的最大外输后，储罐下降的液位；最大操作液位(LAH)为在LAL的基础上考虑储罐的净容积进行设定；进料关停液位(LAHH)为在LAH的基础上考虑进行10 min的最大进料后，储罐上升的液位；最大设计液位(LAHHH)为在LAHH的基础上考虑进行5 min的最大进料后，储罐上升的液位。

图1 液位计算的示意图

2 泄放计算

高压或低压都可能对任意设备或系统造成严重损害。尤其，LNG的特性是温度低、易挥发，在不考虑安全系统作用的情况下，即便少量的热渗入都会导致整个终端处于极度危险的状态。因此，终端的安全操作只有靠对生产状况进行时时监控，防止危险条件的产生，才能保证设备和系统一直处于正常运行状态。

终端操作的基本原则是“无名火”，因此，可燃气体只有在处于下列情况时才允许释放：1)引发严重危险工况；2)主要设备进行试车、维修或停运。

因此在进行压力泄放系统设计时[2]，应考虑极端工况所产生的最大泄放量。

2.1 压力安全阀(PSV)计算

PSV被安装在储罐罐顶，主要用于其超压保护，一般在配置数量时应遵从N+1备用原则，在泄放量计算时，主要根据规范GB51156附录A的要求工况进行计算，规范中规定应按工况可能的组合进行计算，但没有明确规定组合工况。经过分析，在PSV泄放量的计算中可考虑以下三种假设工况组合，并选取其中最大泄放量进行PSV设计。

假设一：充装时置换及闪蒸，以及泵冷循环带入的热量；

假设二：大气压降低，以及控制阀失灵；

假设三：翻滚，以及泵冷循环带入的热量。

其它特殊工况的组合，例如外部火灾的组合工况不予考虑，主要是因为这些工况发生的概率很低，且相互独立。

常规计算一般决定假设工况为工况三，主要由于储罐中LNG的翻滚会导致储罐内瞬间产生大量蒸发气使储罐出现超压现象，如不及时通过安全阀排放，就可能造成储罐的机械损伤，带来经济上的损失、环境污染甚至造成安全事故[3]。

2.2 真空安全阀(VSV)计算

VSV被安装在储罐罐顶，主要用于其负压保护，一般在配置数量时应遵从N+1备用原则，在吸入量计算时，主要根据规范GB51156附录A的要求工况进行计算，规范中规定应按工况可能的组合进行计算，但没有明确规定组合工。经过分析，在VSV吸入浪的计算中可以考虑以下假设工况组合，通过其进行VSV设计。

假设：大气压升高，泵抽出最大流量，以及蒸发气压缩机抽出最大流量。

同时，VSV在设计流量应考虑空气进入储罐后，温度将降至-165℃，空气中的水将发生冷凝。

2.3 热力安全阀(TSV)计算

TSV被安装在部分低温液体管道上。这些低温管道中易积存液体，低温液体不断从环境中吸收热量，发生热膨胀进而出现超压，可利用TSV，对系统进行超压保护。

TSV不需要设置维修备用阀，因为在其维修工作进行时，可以将该管道与相邻系统连通，避免低温液体管道发生阻塞。

TSV均连接到泄放总管中，其设定压力值应确保，被保护管道系统内最低标高的管段不会超压。

TSV的材料应适用于极端操作条件和紧急情况下的入口和出口温度。其中热量输入值计算，其中热量输入计算主要参考GB/T 8175中的相关公式进行计算[4]，TSV泄放量可依据API521中的相关公式进行计算[5]。

3 结论

LNG储罐的设计压力为-1～29 kPaG，设计温度为-165℃，因此在LNG储罐工艺设计时，液位及泄放系统设计是非常关键的。根据上述确定的设计方法，可以确定LNG储罐液位设定点，可以计算LNG储罐的泄放量及吸入量，配置相应的PSV、VSV和TSV来对其进行压力安全保护。