大中型LNG儲罐的應(yīng)用及適用規(guī)范的探討
一、大中型LNG儲罐在國內(nèi)應(yīng)用概況
目前的國內(nèi)(含國外引進(jìn)技術(shù)建造)的大型儲罐容量規(guī)格為300-500m3至10-20多m3。
目前沿海一帶的進(jìn)口LNG接收站配套的大型LNG儲罐一般為10萬一至20萬m3，甚至更大。儲罐一般為常壓全容罐或薄膜罐。此規(guī)格的大型儲罐目前完全依賴國外進(jìn)口技術(shù)及國內(nèi)大型工程集團(tuán)公司承建。如：中海油在寧波的三座16萬立方米混凝土全容罐為中集安瑞科TGE與中國成達(dá)工程公司組成的聯(lián)合體承建。
而國內(nèi)陸上大型儲配站、調(diào)峰站、LNG液化工廠配套的LNG儲罐一般規(guī)格為4000-5000m3到2-3萬 m3LNG常壓單容罐或600—3000m3LNG帶壓罐。對于4000-5000m3到2-3萬m3常壓單容罐，此規(guī)格范圍的常壓儲罐經(jīng)近幾年國內(nèi)自主研發(fā)或引進(jìn)技術(shù)等方式，包括設(shè)備內(nèi)外鋼板及絕熱材料、現(xiàn)場安裝質(zhì)量控制、進(jìn)液調(diào)試等方面都已成熟，目前已基本能實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。
本文以下重點(diǎn)介紹的內(nèi)容就針對陸上幾百到幾萬立方配套LNG液化工廠、大型儲配站或調(diào)峰站的大中型壓力罐及常壓單容罐。
二、大中型LNG儲罐的壓力劃分
根據(jù)LNG的儲存壓力高低(一般按工作壓力 O.1Mpa)劃分為帶壓儲罐和常壓儲罐。兩種不同壓力等級的儲罐各自的使用范圍有一定的差別。目前，較大容量的LNG壓力罐常見類型或組合方式為：1)LNG帶壓子母罐2)LNG真空罐群3)LNG帶壓球罐等。以上3種類別的LNG帶壓罐多用于LNG城市調(diào)峰站(配套下游用氣管網(wǎng))及大型工業(yè)用戶。
三、大中型LNG儲罐的T程應(yīng)用實(shí)例
根據(jù)不同液化工藝流程的壓力要求，配套液化工廠的儲罐有常壓罐和壓力罐。目前大部分的液化工廠配套的是常壓罐。但也有少量的液化工廠配備壓力罐，如重慶民生燃?xì)馐S水5萬方／天液化工廠配套600m3LNG帶壓子母罐；內(nèi)蒙古鄂托克前旗15萬方／天液化工廠配套1750m3LNG帶壓子母罐。而大部分的城市調(diào)峰站選用的是壓力罐。但也有少數(shù)的城市調(diào)峰站選用的是常壓罐，如合肥城市調(diào)峰站配套的是4500m3LNG常壓罐。
幾種類別儲罐的分類使用實(shí)例見表1：
四、大中型LNG壓力罐的優(yōu)缺1占111比較
對于600-3000m3容積范圍的LNG帶壓儲罐，其壓力等級一般在O.5-0.8Mpa之間，可滿足絕大部分的工藝要求。在600-3000m3的容積區(qū)間，由于容積量相對較小，設(shè)備成本一般，較多的配置在一些小型液化工廠、調(diào)峰站、衛(wèi)星站等工程中。此容積范圍儲罐常采用子母罐、真空罐群以及帶壓球罐等幾種方式儲存較為合理。對于子母罐來說，單個(gè)子罐一般為150m3、200m3、250m3，單臺子罐最優(yōu)配置個(gè)數(shù)為3個(gè)、4個(gè)、7個(gè)、10個(gè)、12個(gè)。對應(yīng)的子母罐容積規(guī)格在600-3000m3之間。低于或超過這個(gè)容積區(qū)間，都不經(jīng)濟(jì)。對于帶壓球罐，這也是合理的容積范圍。真空罐的單臺容量一般為lOOm3-200m3之間，常見組合為4-12臺偶數(shù)組合。
在帶壓子母罐、帶壓球罐、真空儲罐群之間，各自的優(yōu)缺點(diǎn)分析如下：
①帶壓球罐的優(yōu)勢是占地省，設(shè)備成本較低，配管簡單；缺點(diǎn)是現(xiàn)場施工工作量大，難度高。而且單臺球罐不能勝任同時(shí)進(jìn)液、對外排液的連續(xù)作業(yè)工況。
②帶壓子母罐卻與之相反，優(yōu)勢是單臺子母罐可以進(jìn)行內(nèi)部分組使用，l臺可當(dāng)2臺使用，占地��；缺點(diǎn)是成本較高，內(nèi)部配管復(fù)雜漏點(diǎn)多。
⑨真空罐群的優(yōu)勢是組合或拆分性好，獨(dú)立性強(qiáng)，現(xiàn)場施工工作量小。缺點(diǎn)是占地面積大，外部閥門及配管多，操作復(fù)雜，價(jià)格無明顯優(yōu)勢。
綜合以上分析，我們在選擇帶壓儲罐時(shí)需要多方面進(jìn)仃比較選擇。
五、大中型LNG常壓儲罐的結(jié)構(gòu)差開
在結(jié)構(gòu)方面，由于罐體直徑與容量的關(guān)系，一般在5000-6000m3以下規(guī)格常采用內(nèi)外罐體自支撐雙拱頂結(jié)構(gòu)，即內(nèi)外罐體及夾層絕熱空間是相互獨(dú)立的，設(shè)備內(nèi)罐承受主要的氣相壓力及液柱靜壓，外罐幾乎不承壓。而在10000ma及以上規(guī)格均采用內(nèi)懸項(xiàng)外拱頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)，內(nèi)罐氣相空間與夾層空間相通，內(nèi)罐僅承受液柱靜壓，外罐承受氣壓。
六、大中型LNG常壓儲罐的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)探討及低溫泵設(shè)置方式
由于常壓罐自身氣相壓力的限制，常壓罐對外排液裝車或氣化進(jìn)管網(wǎng)，都需要配置低溫泵進(jìn)行增壓排液。對于低溫泵的設(shè)置，目前國內(nèi)常見的有罐內(nèi)潛液泵(管頂部出液)和罐外泵(罐底部或底側(cè)部出液)兩種方式。仔細(xì)分析目前現(xiàn)有的國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，對此問題也可有不同的解讀方式。
1．國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)
嚴(yán)格意義來講，對于適用于一100~C以下的冷藏液體(如LNG、LOX、LIN、LAr等類別的深冷介質(zhì)的大型常壓儲罐，國內(nèi)尚無針對性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和適用規(guī)范。目前國內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均是根據(jù)國外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的翻譯、轉(zhuǎn)化。與此相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：
①NB／T47003．1-2009《鋼制焊接常壓容器))(原 JB4735-1997)
此標(biāo)準(zhǔn)為能源部推薦標(biāo)準(zhǔn)，對于(翎制焊接常壓容器》標(biāo)準(zhǔn)，無論是新版NB／T 47003．1-2009還是舊版JB4735-1997，都不適用于-100~C以下的冷藏液體儲罐的設(shè)計(jì)、建造。
⑦SYT 0608-2006 鈦型焊接低壓儲罐的設(shè)計(jì)與建勘
此規(guī)范為石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是根據(jù)美標(biāo) APl620-2002(伏型低壓焊接儲罐設(shè)計(jì)與建造》為原版的翻譯修編版。此標(biāo)準(zhǔn)中的附錄Q適用于金屬溫度不低于-168"C的液化烴低壓儲罐，可用于LNG常壓儲罐的設(shè)計(jì)參考。此規(guī)范中沒有明確規(guī)定大型儲罐的開孔設(shè)置要求。
③GB／T 22724-2008 賊化天然氣設(shè)備與安裝陸上裝置設(shè)啪此規(guī)范是根據(jù)歐標(biāo)EN 1473—1997為原版的翻譯修編版。此規(guī)范適用范圍涵蓋總儲存能力在200t(約450m3)以上的LNG衛(wèi)星站。此規(guī)范相關(guān)章節(jié)明確規(guī)定儲罐的管壁或罐底不能開口且使用潛液泵。
對于此標(biāo)準(zhǔn)的此條款要求，個(gè)人理解是不妥當(dāng)或不嚴(yán)謹(jǐn)：
首先，此標(biāo)準(zhǔn)為國家推薦適用性標(biāo)準(zhǔn)，并不是針對LNG儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造的專業(yè)規(guī)范，不應(yīng)對儲存容器的結(jié)構(gòu)設(shè)置等內(nèi)容作出過于“武斷“的限定。
第二，此標(biāo)準(zhǔn)中對總儲存能量超過200t的描述中未限定是單臺儲罐容量。試想，若一個(gè)儲存總量為600m3(4：Icl50m3)的LNG衛(wèi)星站，容量設(shè)置滿足此規(guī)范要求，能按此標(biāo)準(zhǔn)要求采用潛液泵?顯然是不可能的。
第三，對于大部分實(shí)際工程項(xiàng)目，LNG進(jìn)口潛液泵(國產(chǎn)產(chǎn)品性能不過關(guān)，一般選用進(jìn)口產(chǎn)品)的價(jià)格占儲罐本體造價(jià)的60～70％甚至更高，對于容量小于2～3000m3的LNG常壓儲罐，潛液泵的價(jià)格都超過儲罐本身的價(jià)格，顯然不具備合理的經(jīng)濟(jì)適用性，也與編制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范促進(jìn)行業(yè)的健康發(fā)展的意愿相悖。
④GBT20368-2006轍化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運(yùn)》
此規(guī)范是美標(biāo)NFPA 59A一2001的翻譯版本。對于大型儲罐的開孔設(shè)置，此標(biāo)準(zhǔn)中有提及頂部開孔及側(cè)壁開孔的相關(guān)內(nèi)容。
此標(biāo)準(zhǔn)中內(nèi)容有“儲罐排液口低于液面”和“不低于液面排液口”的描述。表明此規(guī)范允許有液面以下的底開孔。同樣美標(biāo)NFPA 59A-2001中對應(yīng)章節(jié)中有類似的描述。因此，設(shè)置罐外排液泵是符合本標(biāo)準(zhǔn)要求。
2．國外標(biāo)準(zhǔn)
①美標(biāo)：美國石油學(xué)會APl620-2002(伏型低壓焊接儲罐設(shè)計(jì)與建勘
此標(biāo)準(zhǔn)適用于儲罐金屬溫度不超過250。F(121℃)和罐內(nèi)氣體或蒸汽空間不超過151bf／in。表壓(0．1MPa)的儲罐設(shè)計(jì)。此標(biāo)準(zhǔn)的附錄Q以API 620標(biāo)準(zhǔn)要求為基礎(chǔ)，適用于儲裝液化乙烷、乙烯和甲烷儲罐的材料、設(shè)計(jì)和制造的要求。所有其他API 620標(biāo)準(zhǔn)的要求均適用。此規(guī)范中沒有明確規(guī)定大型儲罐的開孔設(shè)置要求。
②歐標(biāo)：歐盟標(biāo)準(zhǔn)ENl4620-2006(段計(jì)和現(xiàn)場建造立式、圓筒形、平底、鋼制、操作溫度介于O0C-1650C的冷卻液化氣儲錨)
根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)工作組的安排，原計(jì)劃2008年制定國家標(biāo)準(zhǔn)(操作溫度O0C-1650C儲存冷凍液化氣的立式圓筒平底鋼質(zhì)儲罐設(shè)計(jì)與現(xiàn)場建造》(等同采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)ENl4620-2006)，但到目前仍未推出。
此標(biāo)準(zhǔn)的初稿版中有如下界定：儲罐最大設(shè)計(jì)壓力限于500mbar。對于較高的壓力，可參考其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。需要儲存的氣體，其操作范圍應(yīng)介于O0C-1650C 之間。不含儲存液化氧、氮和氬的儲罐。罐內(nèi)應(yīng)儲存的代表性產(chǎn)品有： 甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁二烯(此范圍包括液化天然氣和液化石油氣的產(chǎn)品)。
此標(biāo)準(zhǔn)中，對儲罐的開孔設(shè)置有明確的規(guī)定要求：
以上要求非常明確注釋到：如設(shè)置了可靠的遠(yuǎn)程切斷及相應(yīng)的開孔補(bǔ)強(qiáng)措施，是可在儲罐底部開孔的。因此，設(shè)置罐外排液泵是符合本標(biāo)準(zhǔn)要求的。
鑒于以上情形，目前國內(nèi)的大型LNG常壓儲罐(包括同類別的空氣分離產(chǎn)品的深冷介質(zhì))大部分按照或參照上述的美標(biāo)APl620或歐標(biāo)ENl4620進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造。
在實(shí)際工程項(xiàng)目中，一般在超過10000m3及以上規(guī)格的儲罐中，采用的是頂部開孔，設(shè)置2臺(1用1備)內(nèi)置式潛液泵。而在10000m3以下規(guī)格的常壓儲罐設(shè)置的是底部開孔，相應(yīng)的配備的是2臺罐外低溫泵。同時(shí)在此類儲罐內(nèi)部設(shè)置了可遠(yuǎn)程控制的內(nèi)置式緊急切斷裝置，且設(shè)置了專門的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，符合規(guī)范要求。
雖然在常見的間歇性使用工況條件下，罐外泵較內(nèi)置潛液泵有預(yù)冷時(shí)間長、預(yù)冷氣化損失大(可回收)
的不足，但對實(shí)際工況的操作和成本影響是不大的。相反，罐外泵具備維護(hù)方便；價(jià)格優(yōu)勢明顯(同樣是進(jìn)口品牌的罐外輸送泵價(jià)格是潛液泵的十分之一)：交貨期短(能有效縮短項(xiàng)目建成周期)的巨大優(yōu)勢。
③其他國家標(biāo)準(zhǔn)：
如日本燃?xì)鈪f(xié)會(JGA)制定的LNG儲罐及設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)與建造規(guī)范，國內(nèi)外引用或參照的較少，在此不作討論。
作者簡介：何江山，男，畢業(yè)于四川大學(xué)化工機(jī)械專業(yè)，工科本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)任張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司工程業(yè)務(wù)部經(jīng)理。何江山先生在低溫壓力容器行業(yè)具有近12年的技術(shù)設(shè)計(jì)和商務(wù)管理經(jīng)驗(yàn)，尤其擅長大型低溫容器、低溫工程成套類項(xiàng)目的技術(shù)設(shè)計(jì)、工程預(yù)算和商務(wù)管理。其參與設(shè)計(jì)、管理的大型低溫容器和低溫工程項(xiàng)目的產(chǎn)品主要介質(zhì)為液化天然氣、液氧、液氮、液氬類等深冷液體。何江山先生曾多次主持和參與城市LNG調(diào)峰站、LNG氣化站、LNG加氣站等工程類項(xiàng)目的技術(shù)及商務(wù)管理相關(guān)工作，對燃?xì)忸愴?xiàng)目工程具有較深刻的認(rèn)識。
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