1500m3液化天然气球罐设计.pdf

第 3 8卷第 5期 2 0 0 9年 9月 石油化工设备 PE TR CHEMI CAI EQUI PMENT Vol _ 3 8 No． 5 S e pt ． 2 00 9 文 章 编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 0 9 0 5 0 0 2 9 0 3 1 5 0 0 I l l 3 液化天然气球罐设计 刘福录 ，李 晓明 ，冀 峰 ，王万磊 ， 高 中稳 ，左 韧。 ，郑智阳 1 ． 甘肃蓝科石化高新装备股份有 限公 司，甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 ； 2 ． 河北新地市政建设工程有 限公司 ，河北 廊坊0 6 5 0 0 1 摘要 介绍 了 l 5 0 0 m。 液化 天 然气球罐 设计要 点 ， 总结 了利 用球罐 作为低 温绝 热压 力容 器 的优 点 及使 用前景 。 关键 词 球罐；液化天然气；设计 中图分类 号 TQ 0 5 3 ． 2 文 献标 志码 A De s i g n o f 1 5 0 0 i n Li qu e f i e d Na t u r a l Ga s S t o r a g e Ta n k LI U Fu l u ，LI Xi a o - mi n g ，J l Fe ng ， W ANG W a n l e i ． GAO Zh o n g we n ， ZUO Re n ． ZHENG Zhi y a ng 2 1 ． I a n pe c Te c hno l o gi e s Li mi t e d， I a nz ho u 7 3 0 07 0， Chi n a； 2． H e be i Xi n di M u ni c i p a l Eng i ne e r i n g Co ． Lt d ．， La n g f a n g 0 6 5 00 1， Chi n a Ab s t r a c t Th e k e y p o i n t s o n d e s i g n o f 1 5 0 0 m。l i q u e f i e d n a t u r a l g a s s p h e r i c a l t a n k we r e d e s c r i b e d， a nd t he a dv a nt a ge s a n d p r os pe c t s o f t h e s phe r i c a l s t o r a g e t a nk we r e s u mm e d u p， whi c h wa s us e d a s a n i n s i de t a nk f or t he l o w t e m p e r a t u r e t he r ma l i ns ul a t i o n pr e s s u r e v e s s e l s ． Ke y wo r d s s p h e r i c a l t a n k； l i q u e f i e d n a t u r a l g a s ；d e s i g n 在液化 天然气 以下 简称 I N G 的应用 中 ， 其储 存 和运 输是两 个 主要环节 。L N G 储罐 的 类 型较 多 ， 但作 为 中型 、 带 压储 存 的低 温 绝 热设 备 来 说 ， L NG 球罐属 于新 型设 备 。 L NG球 罐 在低温 状态 一1 6 2℃ 下 工作 ， 在 其 运行 中 ， 外部 热量 侵 入 或 充装 时 的 冲击 都 将使 储 罐 中的 L NG气化 。为 此 ， 在 L NG 储 罐设 计 中必 须 考虑设 备结 构 、 绝 热 保冷 、 接 管变 形 、 支 撑 隔热 及 基 卜“ - - 4 -“■一- - 卜 ” “一一 卜“一一“ ”一十一一 一十 一- 4- _ ”十一一 ”一 3 对双 程套管 换热 系统 ， 顺 流效率 始终 大 于逆 [ 4 ] 流效率 ， 说 明双程套 管换热 系统应 采用顺 流形 式 。 E s ] 参 考 文献 [ 1 ] 蒋能照， 刘道平． 水源、 地源 、 水环热泵空调技术及应用[ M] ． 北 京 机 械 1 二 业 出 版 社 ， 2 0 0 7 8 4 8 6 ． E e l 曾文良， 马晓旭 ， 邓先 和 ．换 热器 不 可逆 性损 失 分析 及评价 E J ] ． 石油化 I 设备 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 1 6 - 2 0 ． [ 3 ] 王 军 ， 陈 良才， 冯志力 ．并 、 逆流间壁换热器冷热流体 温度分 布方程E J ]． 石油化 设备 ． 2 0 0 8 ， 3 7 3 9 - 1 2 ． [ 6 ] E T ] 章熙 民， 任泽 霈． 传热 学 [ M] ． 北 京 中国 建筑 工业 出版社 ， 2 0 01 2 7 5 2 8 O ． 张承虎 ， 孙德兴， 吴荣华． 城市污水冷热源 输送换热法 2 换热 形式与效率分析[ J ] ． 暖通空调 ， 2 0 0 8 ， 3 8 3 6 8 7 2 ． Yo s h i i T．Te c h n o l o g y f o r Ut i l i z i n g Unu s e d L o w Te mp e r a t u r e D i f f e r e n c e E n e r g y E J ] ． J o u r n a l o f t h e J a p a n I n s t it u t e o f E n e r g Y， 2 0 0l ， 8 6 9 6 - 7 0 6 ． 马最 良， 吕悦． 地源热泵系统设计与应用[ M]． 北 京 机械工 业出版社 ， 2 0 0 7 1 2 7 1 2 9 ． 杜 编 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 2 8 基金项 目甘肃省科技重大专项计划项 日 0 8 0 1 GKD A 0 4 0 作者简介 刘福录 1 9 6 3 一 ， 男 ， 甘肃武威人 ， 教授 级高级工程 师 ， 学士 ， 主要从事压力容器设计开发 、 制造的相关工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 0 9年第 3 8 卷 础 隔冷 等 问题 。文 中以 1 5 0 0 m。L NG球 罐 为例 介 绍 L NG球罐的设计情况 。 1 设计 和建造标 准 1 5 0 0 m。L NG 球 罐 以 G B 1 5 0 1 9 9 8 钢 制 压 力 容器 及其 附 录 C 低 温压 力容 器 为 主要 依 据口 ] ， 参 照 国 内球 罐 、 立 式 圆筒形 储罐 、 低温 容器 等相 关设 计 、 施 工标 准及 相关法 规进 行设 计 。此 外 ， 1 5 0 0 m。 L N G球罐也借鉴 了 B S 7 7 7 7 低温工作条件下 的立 式平 底 圆 筒 形 储 罐 3 ] 、 NF P A 5 9 A 液 化 天 然 气 L NG 生产 、 储 存 和装 运标 准 以及 E N1 4 7 3 1 9 9 7 液化 天然 气设 备 与安 装 、 陆 上 装 置 设计 等 相 关 建 造标 准l 4 ] 。 2 设 计 2 ． 1设计方案 1 5 0 0 m。L NG 球 罐 采 用 地 上 式 单 容 罐 结 构 内 、 外罐 结构 。 内罐 为储 存 L NG 的 球罐 ， 外 罐 为 用 低合 金压力 容 器钢板 制造 的 自支撑 拱顶 结构 的立 式 圆筒 形储 罐 。外罐 与 内罐之 间 的夹 层 空 间为绝 热 层 ， 绝 热层 采用 普通堆 积绝 热 的方式 ， 充 填膨 胀珠 光 砂， 使球罐达到低温绝热的 目的， 以便储存 L NG。 绝热层 的厚 度通 过绝 热计 算确 定 。 2 ． 2 设计 参数 1 5 0 0 m。 L NG球 罐公 称体 积 为 1 5 0 0 m。 ， 公称 直径 1 4 2 0 0 mm， 内罐设计压力 0 ． 4 2 MP a ， 设计温 度 一1 9 6℃ ； 外罐 设计 压力 0 ． 0 0 3 MP a ， 工作 压 力 为 0 ． 0 0 2 MP a ， 设计 温度 一1 9 ／ 5 0℃ 。 2 ． 3 选材 内罐材 质 0 C r l 8 Ni 9 ， 其 R。 0 ． ≥ 2 0 5 MP a ， R ≥ 5 1 5 MP a ， 在 使 用 温 度 范 围 内有 足 够 的 低 温 韧 性 。 此外 ， 0 C r l 8 Ni 9 不 仅 加 工 性 和 焊 接 性 较 好 ， 而 且 也 比较 经济 。 内罐 材 质没 有 选 择 9 Ni 钢 的原 因 ① 9 Ni 钢 易 磁化 ， 对 焊 接 不利 。② 9 Ni 钢 在 正 火 正 火 回火 供货 状 态下 具有 较 好 的低 温 韧 性 ， 但 在 焊 接 和 热 循 环的作用下 ， 熔合线 的成分及 热影 响区的组织会发 生变化 ， 破 坏材料 原 始 的热 处 理状态 ， 使 低温 性 能下 降 ， 脆 性 组 织 生 成 ， 呈 现 较 大 的 冷 裂 倾 向 。 由于 Ni 元素是奥 氏体化形成元素 ， 焊缝金属 中几 乎全部 为奥 氏体 ， 无 铁 素 体 等 第 二 相存 在 ， 因此 ， 9 Ni 钢 抗 裂性较差 ， 其焊接过程 中要严 格控制焊接 线能量 。 ③ 9 Ni 的 钢 韧 性 比奥 氏体 不 锈 钢 差 ， 对 9 Ni 钢 要 求 做 一 1 9 6℃下 的低 温 冲击 试 验 ， 冲 击 功 最 低 值 大 于 3 5 ， 一 般通 过 焊 接 工 艺 评 定 比较 困难 。相 对 而 言 ， 奥 氏体 不锈 钢 在 一1 9 6℃ 下 的线 膨 胀 系 数 只 有 1 4 ． 6 7 1 O ℃ l 2 ] ， 其焊 接性 更 好 。在 低 温下 有 良 好的韧性 ， 奥氏体不锈钢 的冲击值 随温度 的降低减 小 较缓 慢 ， 并 且 不 存 在脆 性 转 变 温 度 。④ 奥 氏体 不 锈 钢 的价 格 也 要 比 9 N i 钢 低 。1 5 0 0 m。L NG 球 罐 设 计 压力较 低 ， 经 强 度计 算 ， 壁 厚较 小 ， 故 不需 要 强 度 更 高 的材料 ， 而希 望 有较 高 的刚性余 量 ， 选用 强度 级 别 较低 的 0 C r l 8 Ni 9比较合 理 。 外罐 仅 用 来保 护 和 支 撑 绝热 材 料 ， 所 以选择 低 合 金 压力 容器 钢板 1 6 Mn R， 外罐 材料 与 最低 设计 温 度有 直接 的联 系 ， 最 低设 计 温度 按 设 备 安 装 地 历年 来月 均最 低气 温 的 最低 值 进 行 设 计 ， 根 据 最 低 设计 温度 确 定外罐 材 料 的类别 。 球罐进 、 出液管道等工艺管件在工作状态下应 具有 低 温 韧 性 要 求 ， 管 道 材 料 选 用 0 C r l 8 Ni 9制 无 缝 钢管 。 2 ． 4 结构 考虑 不锈 钢 材 料 的 板 幅 限 制 ， 球 壳 结 构 选 为 4 带 1 2柱混合式 ， 利用球罐 自身表面积最小的优势 ， 可 以最大 幅度 降 低 L NG 的蒸 发 损 失 。球 罐 采 用 支 柱支 撑 ， 与低 温工 作下 的立 式平 底 圆筒形 储 罐相 比， 低温 物料 的大部 分 冷 能不 能 直 接 传 导 ， 避 免 了对 基 础 的冷 冻破 坏 。但考 虑 到 1 5 0 0 m。 L NG 球罐 属 首 台产 品 ， 支 座部 分 的冷 传 导 所 形 成 的温 度 梯 度 只有 数 值模 拟计 算结 果 ， 没有 可靠 的T程 数据 作参 考 ， 为 了避免 非 不锈钢 材 料 发 生 冷 脆 ， 支 座 及 其 部 件全 部 采用 不锈 钢材 料 。但是 全部 采用 不 锈钢从 经 济上 不 合理 ， 为 此 ， 在 本 次工程 设 计 中考虑 对温 度数 据进 行 采集 和 总结 ， 即在 产 品投运 后 ， 利用 设 置在 支柱 上的 测 温点 来监 测温 度 ， 通 过 对 这 些 温 度 参 数 的 收集 和 分 析 ， 可 以在今 后 的设计 中 ， 把影 响不 大 的支柱 部分 材质换成低合金钢材料 ， 从而降低造价。 内罐 接 管 根据 工 艺 充 装需 要 确 定 ， 分 别 设 置有 上下 进液 管 、 气 相 管 、 压 力 和液 位测量 取 样管 等 。工 艺管 道 的管径 通 过水 力 学 计 算 确 定 ， 厚 度 根 据 压 力 确定 ， 选 用标 准 系列 。上 进 液 管 伸 人球 罐 内 的管 道 为 环状结 构 ， 物料 通 过 分 布 在 环 管 上 的通 孔 注 入 内 罐 ， 此结 构可 以在 第 一 次 充 装 时 起 到 预冷 储 罐 的作 用 ， 也可 以对有 温度 差 异 的物 料 从 上 向下 充装 时起 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 刘福录 ， 等 1 5 0 0 m。 液化天然气球罐设计 冷 却作用 。考 虑液 封性 及 液 位测 量 的全 液 位 问题 ， 将 下进 液管设置 成弯 管 。为 了隔 断管道 漏热 和管道 的收缩 膨胀量 ， 管道 外罐 的连 接 采 用带 膨 胀 收缩 的装 置并填充 绝热 材料 ] 。 依 据文献 E z ] 附 录 B中 的 相 关 条 款 ， 可 以不 直 接在容 器 L 安 装安 全阀 ， 所 以在 内罐 上不设安 全 阀 。 这主要 是从保 冷效果 考虑 ， 若在 内罐上 设安全 阀 ， 由 于其 在绝热 空间 与外 罐 的 连接 处结 构 较 复 杂 ， 若结 构不 合理及施 不 当 ， 会 使 这个 部 位 形成 最 大 的 漏 热点 ， 从而影 响储罐 的保冷 效果 ， 既对储 罐 的安全 运 行不 利 ， 也不 便 于现场施 一I 。因此 ， 将 安全 阀设置 在 与 内罐 顶相通 的气相 管线 上 。 2 ． 5 绝热方式 由于 内 、 外 罐 夹 层 的体 积 大 于 2 0 0 0 m。 ， 空 间 大 ， 现 有 的真空设施 无法 确保如 此大 空间 的真空 度 ， 不能 采用真 空方式来 保冷 ， 因此 ， 选用普 通粉 末正压 堆积绝 热 ， 绝 热材 料 为珠 光 砂 。通 过 传热 计 算 确定 绝热 层厚度 内 、 外罐 间 距 后 再按 此 进 行 核算 。本 例核 算结果 为 ， L NG球 罐 的 日蒸发 率 小 于 0 ． 1 5 ， 其结果 满 足建 设单位 的要求 。此 蒸发率 只有 目前使 用相 同体积 的子母罐 的～ 半 。 为 了使 绝 热材 料 保持 绝 热效 果 ， 对 绝热 空 间充 入 2 o 0 0 P a 微 正压 的氮 气 ， 其 作 用 是 ① 防止 潮 湿 空气渗 入夹层 ， 使 珠 光砂 吸潮 后绝 热 效 果减 弱 。② 排出夹层【 lf j 空气， 将夹层中的含氧量降至最低 ， 防止 I NG泄 漏后 与氧 气混 合 后 发 生危 险 。③ 可通 过 测 定 夹层 宅间 中的烃组 分来判 断 内罐 是否泄 漏 。 2 ． 6 基6 出 外罐 立式 平底 圆筒形储 罐需要 的是平 面 圆形基 础 面 ， 而 内罐球罐 需要 的是 满 足 支柱 支 撑 的环 形 梁 基础 ， 在设计 底板 结构 时 ， 采用 兀型 结构 ， 避 免 了软 硬基 础不均 匀沉 降的 问题 。 2 ． 7 其它 I N G 的密度差 异 等 会 造成 充装 过 程 的 分 层 和 涡旋 等不利 现象 。在球罐 外罐壁 设置 测量温 度 的热 电偶 ， 以监 测不 同储 存 深度 的 L N G 的温度 ， 使 操作 者能够及 时 采取 合适 的充装 程序 。在绝 热空 间 中也 分散设 置了相 应 的测 温 装置 ， 绝 热 层 的 暖侧 和 冷侧 及过度 空间 中的测温 装置 可 以将 异常 的温度 变化 反 馈 给操作 者 j ， 以便判 断是否 存在漏 热等 ， 从而 采取 有 效 的控 制措施 。在 支柱不 同 的高度上也 设置 了热 电偶 ， 以反 馈外 界是 否 通过 支 撑 系统 向球 罐 漏热 的 信息 。 3 球罐作低温绝热容器的优点 采用 内罐 为球 罐 的 L NG 储 罐 有 以 下优 点 ① 相 同体 积下 ， 球罐 具有最 小 的表面积 ， 设备质 量 和造 价降低 。内壳 的传 热 面 积 可 以最 小 ， 可 很 有效 降 低 设备的蒸发率。②球罐 的结构使其具 有更好的耐 内 、 外 压 的能力 ， 即正 常气化 产生 的气体压 力不致 于 对储存 设备 造 成危 害 。③ 球罐 可 以带压 储 存 ， 提 高 设备 内 L NG 的 自排 泄 能 力 。④ 球 罐 采 用 支 柱 支 撑 ， 柱 腿结 构可 阻断 内壳 冷 能 向基础 传递 ， 不用 考虑 基础 隔冷 。⑤ 球 罐 的 体 积 可 以 在 4 0 0 ～ 1 0 0 0 0 m。 选择 ， 充分 解决 I N G 的 生产 装置 、 调 峰型 液 化装 置 等 工况下 液化天 然气 的储存 问题 。 4 结 语 1 5 0 0 m。 I NG球 罐 是 国 内首 次 采用 球 罐 作 为 低温绝 热 压力容器 用于储 存 L N G， 也是 国 内首例 采 用 不锈钢 制造 的球 罐 。在其设 计 、 制 造 的过程 中 ， 解 决 了作 为低 温绝 热 压力 容 器存 在 的传热 计 算 、 绝 热 体热模 拟及 优化计 算 、 低 温 下 设 备及 管 道 收缩 变 形 的控制 、 软 硬基础 的互补 、 测温 系统 和液位 控制 系统 的可靠性 、 支撑 结 构 的可 行性 以及 接 管变 形 结 构等 工程 实际 问题 ， 对 以 后 同类 项 目的实 施 有 一定 的示 范作用 。 1 5 0 0 m。 L NG球罐 的成 功设计 和应用 ， 拓宽 了 球 罐 以往 的带 压气 态 、 液态 储存 范 围 ， 不仅对 带压低 温 液态储 存液 化天 然气工 厂 以及 调峰 型液化 装置 的 储 存设 备进行 了探 索 ， 而 且 也 为其 它 低 温 液态 碳 氢 化合 物 、 液态一 氧 化碳 、 液 态 氧 气 、 液态 氮 气 以及 液 态 氩气 等 低 温 液 化 气 体 的 储 存 设 备 提 供 了新 的 选择 。 参 考 文 献 [ 1 ] GB ／ T 1 9 2 0 4 2 0 0 3 ， 液化天然气一般特性 E s ] ． [ 2 ] GB 1 5 0 1 9 9 8 ， 钢制压力容器E s ] ． E 3 ] B S 7 7 7 7 1 9 9 3 ， 低温工作 条件下的立式平底圆筒形储罐E s ] ． E 4 ] NF P A5 9 A， 液化天然气 L NG 生产 、 储存和装运标准I s ] ． I s ] EN 1 4 7 3 1 9 9 7 ， 液化天然气设备与安装、 陆上装置设计[ S ] ． E 6 ] 宋立群． 9 Ni 钢 1万 m。乙烯低温 储罐的焊接 E J ] ． 石油 [ 程建 设 ， 1 9 9 6， 5 2 9 3 6 ． E T ] 徐列 ， 朱卫东， 汤晓英 ， 等． 低温绝热与储运 技术E M] ． 北京 机 械 工 业 出 版社 。 I 9 9 9 ． 杜 编 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m