大气湿度对LNG储罐负压泄放量的影响

上海天然气管网有限公司 翟春荣

大气湿度对LNG储罐负压泄放量的影响

上海天然气管网有限公司 翟春荣

文章深刻分析了大气湿度影响LNG储罐欠压泄放量的原因，并以具体工程项目为例，计算大气湿度影响欠压泄放量的影响程度，为优化LNG储罐欠压泄放量计算打下基础，提高了工程技术人员和管理人员的认识，在一定程度上对工程设计有所帮助。

LNG储罐 真空安全阀 大气湿度 负压泄放量

0 前言

液化天然气(LNG)储罐是LNG接收站重要的核心设备，储罐的安全平稳运行是整个LNG接收站保持正常运转的关键。国内已建成投产或在建的LNG接收站储罐大部分采用全容罐。由于LNG储罐投资成本非常高，LNG储罐的安全是工艺系统设计的核心，在工程设计中一般都会采用以下4个层次的措施来避免LNG储罐出现负压：

(1)在正常操作条件下，LNG储罐的压力均是通过压缩机压缩、外输LNG储罐的蒸发气(Boil-Off Gas简称BOG)来控制，即通过调节BOG压缩机的运行负荷来维持LNG储罐的气相空间压力的稳定；

(2)当LNG储罐的压力降低至一定设定值时LNG储罐的压力信号会自动停止BOG压缩机的运行和LNG储罐罐内低压LNG泵；

(3)当LNG储罐压力继续下降至一定的设定值时，来自高压天然气管网的高压天然气或来自氮气管网的氮气通过补气控制阀输送至LNG储罐的气相系统来维持LNG储罐的压力；

(4)若采取上述措施后LNG储罐的压力仍然继续降低，设置在LNG储罐顶部的真空阀将会自动打开，将环境中的空气补充至LNG储罐，避免LNG储罐出现负压而损害LNG储罐。

因此，真空阀作为LNG储罐安全的最后一道保护措施，其欠压泄放量的计算是否合理直接关系到LNG储罐的本质安全。

《液化天然气设备与安装 陆上装置设计》(GB/T 22724—2008)、《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》(GB/T 20368—2012)和周琳琳等《LNG储罐压力控制系统设计》、刘浩等《LNG低温储罐压力安全系统设计》从工艺设计、操作角度分别对LNG储罐真空阀的欠压工况和处理量的计算做了明确和详细的规定，但规范和文献中极少提到在实际工程项目中大气湿度对LNG储罐欠压泄放量的影响，造成LNG储罐欠压泄放量的计算不准确，影响LNG储罐的本质安全。

本文指出了影响LNG储罐真空阀安装位置的因素，分析大气湿度影响LNG储罐欠压泄放量的原因，并以具体工程项目为例，计算了大气湿度影响欠压泄放量的影响程度，为优化LNG储罐欠压泄放量计算打下基础，对工程设计有所帮助。

1 影响真空阀的安装位置的因素

国内已建成投产或在建的LNG接收站储罐大部分采用9%Ni钢内罐预应力混凝土外罐的全容罐(简称FCCR)，它是由9%Ni钢制内罐、9%Ni钢制热角保护、铝合金吊顶、16MnDR钢衬板(外罐内壁)和预应力混凝土外罐组成。内罐用来储存LNG，内罐和外罐之间盛装绝热材料，可减少热量传入，外罐用来密闭蒸发气气体，可在内罐泄漏情况下承装LNG，还并可承受一定的热辐射及冲击荷载。

通常LNG储罐的真空阀安装在LNG储罐的顶部，真空阀出口管线穿越LNG储罐穹顶混凝土至铝合金吊顶空间内。主要原因如下所示：

1.1 大气水分预冷结冰和爆炸环境置换难易程度

LNG储罐处于正常运行状态时，内罐内气相空间温度通常较低，约为-140～-160 ℃，铝合金吊顶以上空间由于吊顶部分的隔冷层保护温度为常温状态。当LNG储罐因欠压导致真空阀开启时，环境中的空气会通过真空阀进入LNG储罐的气相空间，空气会同LNG储罐原有的BOG气体混合。

当真空阀出口管线穿越LNG储罐穹顶混凝土和铝合金吊顶后进入內罐的气相空间时，空气会和內罐低温的BOG混合。一方面空气中的水分预冷会凝固成冰粒，由于冰的密度大于LNG的密度，形成的冰粒会沉降至LNG储罐的底部，当低温LNG泵外输时会在LNG储罐的底部形成涡流，一旦冰粒随着涡流进入低温LNG泵，严重时会对低温LNG泵的诱导轮、叶轮产生损坏，影响低温LNG泵及下游管道、仪表和设备的安全稳定运行，另一方面空气会和低温的BOG混合形成可燃气体，无论可燃气体总量多少，此时储罐需要将所有的可燃物质排空，重新进行LNG储罐的氮气置换和预冷，才能投入使用，因此消除爆炸环境过程较为复杂。

当真空阀出口管线穿越LNG储罐穹顶混凝土后进入铝合金吊顶以上气相空间时，空气会和吊顶侧的常温的BOG混合。在真空阀泄放能力计算时需考虑空气进入內罐低温的气相空间，但实际运行操作时发生该工况的几率极小，只有当真空阀开启时间较长，大量的空气进入并充满吊顶空间后，沿着吊顶通气孔进入內罐的气相空间，因此在实际操作过程中空气中的水分不易进入內罐空间，不会凝固成冰粒，对低温LNG泵和下游设备、仪表的影响较小，利于生产的正常运行。而集中在吊顶上部气相空间的可燃气体可利用罐顶的气相排放孔高点放空，通过持续的分析放空气体的组成即可判断出可燃气体是否已经放空完毕，因此消除爆炸环境的过程相对容易。

1.2 真空阀出口管线的阻力损失

LNG储罐的设计负压较低，通常为-0.49 kPa，充分利用环境压力和LNG储罐的设计负压差，提高真空阀的泄放能力是十分必要的，因此需要尽可能降低真空阀出口管线的阻力损失，提高真空阀的泄放量。显然，真空阀出口管线越短，管线阻力损失越小，真空阀的流通能力越大。

综上所述，LNG储罐真空阀出口管线布置应穿越LNG储罐穹顶混凝土至铝合金吊顶空间内。

2 大气湿度影响LNG储罐欠压处理量的计算

根据规范《液化天然气设备与安装 陆上装置设计》(GB/T 22724—2008)要求，LNG储罐欠压泄放量应考虑BOG压缩机运行、低压LNG泵运行和大气压升高三种因素同时叠加的工况，均未提及大气湿度对LNG储罐欠压泄放量的影响。而实际操作过程中当空气进入LNG储罐內罐时，空气中的水分会凝结为冰粒，在一定程度上减少了用了补充LNG储罐压力的气体的体积流量，因此真空阀的泄放量应考虑一定的裕量来弥补水蒸气凝结造成的影响。

本节以具体工程项目为例计算大气湿度影响欠压泄放量的影响程度。表1为某工程项目的温度、压力和湿度条件。

表1 某工程项目的温度、压力和湿度条件

根据表1的数据，通过模拟软件Hysys可以计算出环境温度(T0)所对应的水的饱和蒸汽压(p1)为：7.944 kPa。

利用公式(1)、(2)和(3)进行计算：

其中：p2——大气中水蒸气的分压，kPa；

p1——水蒸气饱和蒸汽压，kPa；

p0——绝对最低气压，kPa；

H0——湿度；——大气中水蒸气的体积分数；

综上所述，本案例中大气湿度对LNG储罐欠压泄放量的影响较大，应考虑7.1%的裕量才能满足LNG储罐实际的补气需求，因此在计算LNG储罐欠压泄放量时应考虑一定程度的裕量来弥补大气湿度对欠压泄放量的影响。

3 结语

通过分析影响LNG储罐真空阀安装位置的因素以及剖析大气湿度影响LNG储罐欠压泄放量的原因，形成以下结论：

(1)LNG储罐真空阀出口管线布置应穿越LNG储罐穹顶混凝土至铝合金吊顶空间内。

(2)计算LNG储罐欠压泄放量时应考虑一定程度的裕量来弥补大气湿度对欠压泄放量的影响，才能保证LNG储罐的本质安全。

Effect of Atmospheric Humidity on Negative Pressure Discharge of LNG Tank

Shanghai Natural Gas Pipeline and Network Co., Ltd. Zhai Chunrong

This paper explains the relationship between atmospheric humidity and negative pressure discharge.Taking a certain specific project as example, it analyzes the influence of atmospheric humidity on negative pressure discharge, offers parameters to the optimization design of LNG tank. At the same time, this paper has actual guiding significance for similar engineering management.

rLNG Tank, Vacuum relief valve, atmospheric humidity, negative pressure discharge