4500m3液化天然气储罐.pdf

第 4 O 卷第 5 期 2 0 1 1年 9月 石油化工设备 PETR0一 CHEMI CAL EQUI PMENT Vo 1 ． 4 0 NO ． 5 Se pt ．2 O1 1 文 章 编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 1 0 5 0 0 9 9 0 4 4 5 0 0 m3液化 天然气储罐 钟 春燕 ，张健 广西 广汇低 温设备有限公司技术部 ，广西 桂林5 4 1 l O O 摘要介绍 了4 5 0 0 m。液化天然气储罐 的技术参数、 结构特点、 设计计算、 附属 系统的特性及功 能 。 以其为例 ， 对 大型 常压低 温 液化 天然 气储罐 的设计要 点 进行 了分 析 。 关键 词 液化天然气；储罐；绝热性能；设计要点 中图分 类号 TE 8 2 1 文献 标 志码 B 4 5 0 0 m 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 ZHONG Chu n y a n，ZHANG Ji a n Gu a n g x i n Gu a n g h u i Lo w Te mp e r a t u r e Eq u i p me n t Co ．Lt d ．，Gu i l i 5 4 1 1 0 0 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e t e c h n i c a l p r o c e s s ，s t r u c t u r a l d e s i g n，me c h a n i c s c a l c u l a t i o n s ，a t t a c h e d s y s t e ms we r e e xp ou nd e d f o r t he l a r ge s c a l e a t m o s phe r i c pr e s s u r e c r y og e n i c l i q ui d s t o r a g e t a n k d e s i g n a nd m a n uf a c t u r e ，e s p e c i a l l y on ho w t o e ns ur e t he i r r e l i a bi l i t y ． The a na l y s i s wa s m a de f o r a d v a n c e d m a i n d e s i g n p o i nt s ． Ke y wo r d s l i q u e f i e d n a t u r a l g a s ； s t o r a g e t a n k；h e a t i n s u l a t e d p e r f o r ma n c e ；d e s i g n p o i n t s 国 内 自主研 发 并成 功制 造 的常压低 温 液化 天然 气 L NG 储罐的最大体积为 1 0 0 0 0 m。 。L NG低温 液体储罐储存介质 的特殊性使其设计 、 制造均有不 同的要求[ 1 叫] 。文 中以某4 5 0 0 m。L NG储罐为例， 介绍大型常压低温 L NG储罐的技术参数和相关的 设 计要 点 。 1 设备简介 1 ． 1 技术参数 某 4 5 0 0 m。 L NG 储 罐 几 何 体 积 为 4 8 0 0 m。 ， L NG有效体积4 5 0 0 m。 ， 夹层体积 1 9 3 5 m。 。其 内 罐 直径 为 1 9 0 0 0 mm， 高 度 1 8 0 7 0 mm， 主体 材质 为 0 6 C r l 9 Ni l 0 ， 有 6 mm、 8 mm、 1 0 mm、 1 2 mm 共 4种 壁 厚 ， 设 计 液位 1 5 8 7 0 mm， 设计 压 力 2 0 k P a ， 工 作 压力 小 于 1 5 k P a ， 气 密 性 试 验 压力 2 0 k P a ， 设 计 温 度 一1 9 6 ～ 3 8 ℃ ； 外 罐 直 径 为 2 1 4 0 0 mm， 高 为 2 0 8 3 0 ram 不 含设 备 基 础 ， 外 罐 主体 的材 质 为 Q3 4 5 R， 有 6 mm、 8 mm 共 2种 壁 厚 ， 设 计 压 力 为 1 ． 0 k P a ， 工作 压力 为 0 ． 5 k P a 。蒸 发率 计算 值 为 0 ． 0 6 5 ／ d ， 保证 值 为 0 ． 1 ／ d 。设备 总质 量 5 5 5 t ， 充 液达 到设 计液 位 时设备 质量 2 6 7 0 t 。 1 ． 2 结构 4 5 0 0 m。L NG储罐为平底拱盖、 立式双层壁式 结构 图 1 ， 由内罐 、 外罐、 底部绝热层 、 内外罐绝热 夹层、 设备梯子和平台、 设备阀门仪表及基础平 台等 组 成 。 内、 外 罐 之 间 填充 珠 光 砂 粉 末绝 热 。设 备 安 装 在钢 筋混 泥土 基 础 平 台之 上 ， 基 础 平 台底 部 利用 混 凝土 立柱 支撑 ， 设备 基 础通风 、 隔 潮 。 1 ． 2 ． 1 内 、 外罐 内罐主要 由罐顶 、 筒体和底板组成， 各部件材料 均采用奥 氏体不锈钢。罐体设 有 D N5 0 0 mm 的顶 人孔和侧人孔 ， 顶人孔主要用于施工和设备检修 ， 侧 人孔 为 工艺人 孔 ， 设 备 制 作 完 毕后 焊 接 封 闭 。内罐 底部 基 础均匀 预埋 锚 带 ， 通 过 锚 带 不 仅 可将 整 个 内 罐固定于底部基础之上 ， 而且可防止内罐在举升力 作用下底部产生外凸变形。 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 4 0 7 作 者简介 钟春燕 1 9 7 7 一 ， 女 ， 新疆 乌鲁木齐人 ， 工程师 ， 学士 ， 从 事压 力容器设计 、 审核工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 1 年第 4 O卷 图 1 栗 4 5 0 0 m I NG储 罐 不 意 图 外罐主要 由顶盖 、 筒体和底板组成 ， 各部件材料 采 用 Q3 4 5 R 钢板 。罐 体设 有 DN9 O O mr n的顶人 孔 和侧人孔 ， 以便设 备的检修 和维护 。外罐底板铺设 在基 础平 台上 ， 通 过 预埋 钢板 与基 础连 接 。 内 、 外罐 顶 盖均 采 用 经 向 、 纬 向带 肋 拱 顶 结 构 ， 顶盖壁板厚度 6 mm， 内、 外罐简体采用 内置角钢 圈 加强结构 。内罐简体上部 与顶盖 、 筒体下部与底板 联接 的关键承压部位采用厚板 和筋板加强结构 ， 以 保证 能 够承 受足 够 的压力 l 1 ] 。 底 板采 用 弓形边 缘板 与 中腹 板组 合承 压结 构 。 内 、 外 罐 下 部 四周 均 匀 设 置 了 多个 可 调 节锚 带 图 2 ， 其 作 用 是 与 基 础 预 埋 锚 固装 置 进 行 可 靠 连 接 ， 使整个内罐紧 固于平 台之上 。以防止设备在外 力 如风载荷 、 地震载荷等 的作用下产生倾斜 。 霉 ] 图 2 可调节锚带示 意图 1 ． 2 ． 2 夹层 及 底 部 绝 热 层 内 、 外罐 之 间 四周 、 顶 部夹 层空 间 填 充 隔热性 能 良好的珠光砂绝热 ， 珠光砂现场发泡机械充填 ， 其 厚 度 为 1 1 9 2 mm。珠 光砂 填充完 毕 后 ， 夹 层通 人 干 燥 氮 气保 护 ， 使 绝 热材料 保 持干燥 ， 以维持 储罐 具有 良好 的绝 热性 能 和较低 的 日蒸发 率 。 内、 外罐底部之间铺设泡末玻璃砖和负荷分配 板作为底部绝热层 ， 总厚度 为 1 1 5 0 mm 泡沫玻璃 砖厚度 9 5 0 mm ， 负荷分 配板 均匀分 布在玻 璃砖 上 ， 内罐及 介质 产 生 的 重力 负荷 通 过 负 荷 分 配板 均 匀分布并传递到基础平台之上。 1 ． 2 ． 3 附属 结 构 外罐顶部及简体下部设置珠光砂充填 口及输出 接口。设备外部设置操作平 台和从平台至罐顶部的 旋梯 。操作平台上设置有相关阀门及显示仪表 。设 备预留导静电接地及 防雷装置接 口， 可方便接入整 个站 区 防雷 网 。 1 ． 3 附属系统 1 ． 3 ． 1 进 液 系统 来 自液化装置的 L NG通过 DN1 5 0 mm 的真空 管道 送 至 4 5 0 0 m。 L NG 储罐 ， 进 入 I NG储 罐 的 真 空保冷管道有顶 部 DN1 5 0 mm 和底部 D N1 5 0 mi i 1 两条 ， 因此 4 5 0 0 m。 I NG储 罐有 两种 进液 方式 。 进 液 管道 采 用 真 空保 冷 ， 可 最 大 限度 地 减 少 冷 损。为保证在首次进液时 内罐均匀冷却 ， 避免局部 温差 应力 过大 ， 进 入 储 罐顶 部 和底 部 的进 液 管 线 采 用环 型 喷淋装 置 。 1 ． 3 ． 2 充装 系统 储 罐设有 向外来 设 备 输 出 L NG 的对 外 充 装 系 统 ， 罐 内 L NG经 底 部 DN2 0 0 mm 的真 空 保 温 管 道 输 出 ， 由 2台 1台备 用 体 积 流 量 为 1 0 0 m。 ／ h的 L NG泵 提供 动 力 。D N2 0 0 mm 的真 空 保 温 输 出 管 道上 设 有常 开低 温根 部 阀 ， 另 由用 户 设 置 1个 远 程 控 制紧 急切 断 阀 ， 通 过 这 2个 阀 门对 储 罐 进 行 现 场 和远 程 控制 。 储罐输出管道在设备 内部设有气封结构 ， 并 由 内罐底 板下 引 出 ， 可 以保 证 液 体 排 尽 。为 便 于 泵 的 预 冷 、 启 动 以及 避免泵 的气蚀 ， 排液 口设 置有 防涡流 结 构 。 1 ． 3 ． 3 安 全 排 放 系统 储罐设有完善的安全系统 。内罐压力除采用 自 动 回收和 自动放 空 阀进 行 控 制 外 ， 还设 有 两 套 呼 吸 阀并 通过 三 通 阀 进 行 切 换 使 用 。 当 内 罐 压 力 达 到 1 8 k P a时 ， 呼 吸 阀 呼气 ； 当 内 罐 压 力 降 到 2 ． 0 k P a 时 ， 呼 吸 阀 吸气 。工 作 时 ， 2个 呼 吸 阀 总 有 1个 开 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 钟春燕 ， 等 4 5 0 0 m。 液化天然气储罐 启， 可保证设备安全运行 。 内罐 顶部 引 出管道 采用 不锈 钢波 纹补偿 器进 行 温差应 力 补偿 。 外罐 顶部 设 置 有 紧 急 泄 放 装 置 S V1 0 0 6 通 径 为 DN5 0 0 mm 和 外 罐 呼 吸 阀 S V1 0 0 5 通 径 为 DN2 5 0 ram ， 确 保夹 层压 力维 持在 规定 范 围 内。 1 ． 3 ． 4报警 系统 为保 证储 罐安 全 运 行 ， 系 统 设 置 高 压 、 高 高 压 、 低压 、 低低 压、 低液位 、 低低液位、 高液位 、 高高液位 报警连锁控制 ， 每种控制都设置双系统 ， 以防止事故 发生 。通过 温 度检 测 确 定运 行 时 的进 液 方式 ， 通 过 进 液 方 式 防 止 L NG 储 罐 的分 层 及 涡旋 现 象 ， 保 证 系统安 全 。 1 ． 3 ． 5 闪蒸 气 系统 B OG 系统 DN2 0 0 mi i 1 内罐 天然气 回收 及 放 空 当 内罐 顶 部 压力 达 到 1 5 k P a时 ， 自动 调 压 阀 开启 ， 天 然 气 进 B O G 回收系统 。当罐 内压力 低 于 8 k P a时 ， 自动 调 压 阀关 闭 。如果 压 力 继 续 升 高 至 1 7 k P a H ， 自动 放 空 阀开 启 ， 天然气 可 通过 阻火器 高空 就地 排放 ， 此 时 也 可通 过手 动放 空 阀高空 就地 排放 。储 罐一般 通 过 自动放 空 阀对其 内部 压力进 行 自动控 制 。 1 ． 3 ． 6 其 它 1 干燥氮气经 D N5 0 mi l l 夹层充氮管线并通 过 自力式 调 节 阀和氮气 流量 计进 入储 罐夹 层空 间且 维持 正压 状 态 小 于 0 ． 8 k P a ， 以避 免 潮 湿 空 气 进 入 ， 维持 珠光 砂 良好 的绝热 性能 。 2 系统进液管线 、 罐车充装管线等均预留与系 统氮气源相接的氮气 吹扫 口， 以保证储罐初 次进液 前及罐车充装前的吹扫。 储罐 设置 有泵 后 回流管 线 。 回流 管线 上设 置根 部阀， 泵后 回流管线引出管道采用高真空绝热。 储 罐 设 D N1 5 mm 的双套 气 、 液相 引 出管 ， 并 设 V1 0 3 6 - 1 、 V1 0 3 7 - 1和 V1 0 3 6 2 、 V1 0 3 7 2根部 阀 。 此 外 ， 储罐 还设 有液 相产 品分 析 口、 顶 部气 体分 析口、 夹层气体分析 口以及 D N1 5 mm溢流 口。 1 ． 4 压力 、 温 度及液 位 控制 1 ． 4 ． 1 压 力 控 制 为了便于观察储罐液位和压力 ， 操作平 台上设 有 液位 计 和压力 表各 2 套 ， 可 直接对 内罐 液位 、 内罐 压 力 以及 夹层 氮气 压力 进 行 监 控 。 内罐 液 位 、 内罐 压力可通过差压变送器和压力变送器分别将差压信 号和压力信号随时传送至中控室， 实现远程监控。 采 用 2台独 立运行 的压力 变送 器检测 内罐气相 压力 ， 可 一用 一备 或 2台 同时启用 。 压 力 高报警 联 锁值 为大 于 l 5 ． 0 k P a ，压力 高 高 报警联锁值为 1 7 ． 0 k P a， 压力低报警联锁值为小于 2 ． 0 k P a， 中控室响警铃， 黄色报警灯闪烁 。 当储罐 压 力 高 于 1 5 ． 0 k P a时 ，控 制 阀 V1 0 1 3 开启 ， 罐 内压力 降低 ， 当低 于 8 ． 0 k P a时，控制 阀 V1 0 1 3关 闭 。如 果 储 罐 压 力 继 续 升 高 ， 高 于 1 7 ． 0 k P a时 ， 控 制 阀 V1 0 1 6开 启 ， 低 于 1 5 ． 0 k P a时 阀 V1 0 1 6关 闭 ； 当储 罐 压力 为 2 ． 0 k P a时 ， 相应 的 补气 阀 门开 启 ， 储罐 升 压 ， 压 力 升 至 8 ． 0 k P a时 ， 补气 阀 门关 闭。若 出现意 外 故 障， 压 力继 续下 降 至 1 ． 0 k P a时， 控制排液泵管线系统中的紧急切断 阀关 闭 并停泵 ， 停止排液 。 1 ． 4 ． 2 温 度 控 制 储 罐共 设 2 4个 测温 点 ，利 用 2 4个 铂 电阻 温度 计在现场循环监测储罐 的温度 ， 温度的监测信号会 即时传至中控室进行远程监控 。内罐从上至下依次 设 6圈铂电阻温度计 ， 每圈 2个共计 1 2个 ； 内罐底 板 中心及 底板 下设 置 2圈铂 电阻温度 计 每 圈 3个 ， 中心 1 个 ， 共 计 7个 ； 外 罐 底 板 中心设 1个 铂 电阻 温度计 ， 在外罐底板下设 1圈铂电阻温度计 每圈 3 个 ， 共计 4个 ； 在内罐呼气 的管道上设 1个铂 电阻 温度计。该温度计使用范围为一2 0 0 4 0℃。 内罐测温点用来测量在充液和储存过程 中内罐 温度 的变化 ， 内、 外罐底板测温点用来监控储罐运行 中基 础有 无异 常温 度 出现 ， 从 而 判 断 内罐 底 部 是 否 泄漏 J 。 使用双制 P T1 0 0检测各点温度， 所有铂热 电阻 的低温电缆汇集经 3根 D N6 5 mm镀锌 管出罐 ， 进 防爆接线箱。防爆接线箱上有一多路巡检仪， 用于 现场滚动显示各测温点温度 。现场变送器的信号线 也经镀锌管和防爆挠性管进防爆接线箱 ， D C S中控 系统 只需 配一 根多 芯计算 机 电缆就 可接 受储 罐 的所 有一 次仪 表信号 。 2储罐设计要点 2 ． 1 结构应力分析 4 5 0 0 m 。L NG储 罐结 构 计 算 采 用有 限 元 分析 软件 An s y s 做 前 后 处 理 与 分 析计 算 。为 提 高 计 算 效 率并 对 内罐结 构 进 行优 化 设 计 ， 内罐 结 构 的有 限 元计算分成 了 3个几何模型 二维轴对称结构 、 三维 3 6 0 。 内罐筒体结构、 三维 1 8 0 。 半内罐结构[ g ] 。 1 二维轴对称计算模 型 计算载荷为除地震 载荷外其他所有载荷 如 自重 、 介质压力 、 液柱静压 等 。几何结构不考虑内罐拱顶局部及底部钢带等局 部细节结构。其 目的是对拱顶与筒体连接局部、 简 体整体不同厚度和高度等进行详细 的应力计算分析 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 1年第 4 O卷 与结构优化 ， 基本确定 内罐结构 主体尺寸和简体不 同壁厚的高度 。 2 三维 3 6 0 。 内罐筒体计算模型 内罐筒体 计 算模 型 中 的内罐 结 构 有 外 压 作 用 ， 因此 由 内压 及 液体静压所确定的内罐主体 筒体 壁厚需进行外压 失 稳校 核 ， 通过 外 压失 稳 校 核 确 定 内罐 结 构 主 体 尺 寸 、 加强圈的尺寸及高度。 3 三维 1 8 0 。 半 内罐筒体计算模 型 半 内罐 计 算模 型 的截 荷有 地震 载荷 、 液 柱静 压 、 液压试 验 载 荷 等所 有 载荷 。几 何结 构考 虑底 部钢 带 等局部 细 节 结 构 ， 其 目的是考 虑地 震 载 荷 偏 载 对 拱 顶 与 简 体 连接局部 、 筒体整体及不同厚度处应力分布的影响 ， 据此进行必要的局部结构尺寸调整 ， 确定 内罐主体 尺寸 。 外罐 结 构 的有 限元 计算 按 三维 3 6 0 。 内罐简 体 结构 、 三维 1 8 0 。 半外罐 结构两个几 何模型进 行。 计算载荷与内罐相 同。 2 ． 2底部绝热层 底部绝热层质量的优劣直接关系着大型储罐的 绝热性能及其可靠性 。4 5 0 0 m。L NG储罐底部绝 热层的主体绝热材料泡沫玻璃砖是 以玻璃细粉为原 料 ， 在高温下经发泡剂的作用制成的多孔型材料 ， 孑 L 穴直 径 4 4 mm 左 右 ， 这 些 孔 彼 此 孤 立 ， 互 不 相 通 。 其在 常 温 下 的 导 热 系 数 为 0 ． 0 5 8 w／ m K ， 在 一 6 0℃以上导热系数与温度成直线关系， 而在此温 度 以下 导热 系数 更 小 ， 但 与温 度 不 成 直 线 关 系 。在 4 5 0 0 m。 L NG储罐设计 中， 要求泡沫玻璃砖有较高 的抗 压 强 度 和 较 低 的 导 热 系 数 ， 密 度 一 般 为 1 4 O ～ 2 0 0 k g ／ m。 。 国产 泡 沫 玻 璃 砖 的 抗 压 强 度 有 方 向 性 ， 密度对抗压强度的影响十分明显 ， 而密度增加导 热系数亦增加 ， 会降低绝热性能。因此如何恰 当地 选取抗压强度和导热系数这一对互相矛盾的参数很 重 要 。在保 证储 罐 使 用 可 靠 性 的 同 时 ， 必 须 考 虑 泡 沫玻璃砖的密度， 提高储罐的绝热性能。 底 部 绝 热 层 是平 面 受 力 ， 承 受 内罐及 其 储 存 介 质 的全 部 质量 ， 泡 沫 玻璃 砖 的抗 压 强 度 相 对 于 钢 材 低很多， 因此正确的底部绝热层施工是保证大型储 罐绝热可靠性 的关键环节_ 】 ] 。要保证在底部绝热层 施工 过程 中 绝热层 不 受潮 ， 否则 ， 绝 热层 的施 工质 量 不易 保证 。 2 ． 3 负 荷分 配板 和基 础 负荷分配板将 内罐 、 储存介质和其他负荷均匀 分布在底部绝热层上， 再传给基 础。负荷分配板 的 设计除应考虑压应力外 ， 还应考虑承受足够 的弯 曲 应 力 ， 特 别是 边 缘 应 力更 大 的工 况 。因此 负 荷 分 配 板 可 以做成 不等 厚板 。支 撑 大型储 罐 的基础 一般 有 两 种 ， 一 种 是 高 台式 ， 由数 根 水 泥 桩 支 撑 的水 泥 平 台， 国内大部分采用这种结构 ， 其通风 良好 ， 可有效 地 防止 地下 水 的渗 透 ， 免 于绝 热 层 受 潮 。另 一 种 是 直接建造在地面上 ， 这种基础虽然降低 了储罐 的总 体高度 ， 但必须设置 防水箱和通风管以防止地下水 的渗透 ， 同时为了不使基础温度降至太低 ， 往往要设 置 加温 设备 ， 这 会提 高基 础的 造价 ， 增加 运行 成本 。 2 ． 4 温差变形补偿设计 大型 储 罐 特别 是 其 中的 内罐 系 统 ， 在 常 温下 安 装 ， 在低温下工作 。两个 阶段 的温差可达到或超过 2 0 0。 C。就不 锈 钢 材 质 而 言 ， 若 在 2 0 ℃情 况 下 安 装， 在一1 9 6℃工作 ， 每米将冷缩 3 ． 3 mm， 2 0 m 长 的内筒直径可缩短 6 6 mm。高度也会 因冷却而 降 低 ， 内罐系统接触 L NG 的管 道也将冷却缩 短。同 一 个零件 ， 同一只管件可能因各部位的温度不同， 单 位长度的冷缩量也有差别。所以设计 中必须考虑温 差 引起 变 形 的协调 问题 ， 否 则 会 由于 温 差应 力 过 大 导致储罐的局部破坏。低温管道特别是管径较大 、 刚性 较强 的管 道更 应考 虑具 有 足够 的变形 补偿 量 。 3 结 语 4 5 0 0 m。 L NG储罐为 目前 国内制造的最大低 温液化煤层气常压储罐，具有容量大和清洁度高等 特点，在设计 、 材料选用 、 检验 、 制造及安装等各个 方面都进行 了严格控制 。L NG储罐是液化厂最为 关键的设备 ， 因此 ， 对设计人员在设计时要从安全角 度考虑 ， 保证设计的产 品安全稳定。 参考文献 [ 1 ] J B ／ T 4 7 3 5 1 9 9 7 ， 钢制焊接 常压 容器 I s ] ． [ 2 ] 曾晓虹 ， 唐永 飞 ， 袁小 勤 ， 等．6 0 0 0 m 。液 化天 然气储 罐组装[ J ] ．石油化工设备 ， 2 0 1 0 ， 3 9 5 6 1 6 4 ． [ 3 ] J B ／ T 9 o 7 7 1 9 9 9 ， 粉末普通绝 热贮 罐I S ] ． [ 4 ] 朱保 国， 李 晓明 ， 宋启祥． 液化天 然气储罐 安全技术 分 析[ J ]． 石油化工设备 ， 2 0 1 0 ， 3 9 1 8 6 8 9 ． r 5 ] J B ／ T4 7 3 0 ． 1 ～4 7 3 0 ． 6 2 O 0 5 ， 承压设备无损 检测[ s ] ． [ 6 ] J B 6 8 9 8 1 9 9 7 ， 低温液体贮运设备使用安全规则 I s ] ． [ 7 ] 李 晓明， 刘福录 ， 王文江 ， 等． 液化天然气球罐设计 及建 造 [ r _ ．石油化工设备 ， 2 0 1 1 ， 4 0 1 8 7 8 9 ． r 8 ] J B ／ T 3 3 5 6 ． 1 1 9 9 9 ， 低温液体贮运设备性能 试验方法 I s ] ． r 9 ] A P I 6 2 o ， 大型焊接低压贮罐设计 及建造I s ] ． 杜 编 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m