范仲輝，邱國洪，錢紅華

LNG加氣站中儲罐安全閥主要泄放情況分析及泄放面積計算

范仲輝，邱國洪，錢紅華

（張家港中集圣達因低溫裝備有限公司， 江蘇 張家港 215600）

基于出口歐洲的無人值守LNG加氣站，分析加氣站不同運營模式下可能出現(xiàn)的不同情況，以及LNG儲罐上安全閥會產生泄放的主要情況及其泄放面積計算。

LNG加氣站；儲罐安全閥；泄放情況；泄放面積

隨著近年來全球各地設備安全事故頻發(fā)，安全第一的理念正成為全球制造商們擺在第一位的設計準則。LNG儲罐作為LNG加氣站中的關鍵設備，其安全閥是否能滿足，加氣站在各運行工況下出現(xiàn)各種情況的泄放量要求，尤為重要。本套加氣站產品出口歐洲，整站按ASME設計，同時需要滿足CE的PED(承壓設備指令)。整站無人值守，天然氣零排放。安全閥選型不僅僅是越大越好，也需要考慮歐洲無人值守站運行情況，基于歐洲標準，選取合適型號，優(yōu)化項目成本。

LNG加氣站運行過程中，主要考慮出現(xiàn)整站斷電、儀表風系統(tǒng)失效、緊急切斷閥意外地開或者關、火災、儲罐真空失效等現(xiàn)象。

1 整站斷電

整站斷電時，整站設計成進入失效安全模式，會出現(xiàn)泵停止、所有緊急切斷閥關閉、BOG管理系統(tǒng)（LIN冷凝系統(tǒng)）停止、調飽和停止。

基于以上描述，LNG儲罐與卸車撬及客戶氣瓶隔離，不會有來自其他系統(tǒng)的介質回流到LNG儲罐中。該情況可認為不會導致LNG儲罐安全閥泄放。

2 儀表風系統(tǒng)失效

儀表風系統(tǒng)失效時，整站會出現(xiàn)所有緊急切斷閥關閉、BOG管理系統(tǒng)停止、調飽和停止。

根據(jù)整站斷電的分析，該情況可認為不會導致LNG儲罐安全閥泄放。

3 緊急切斷閥意外地開或者關

3.1 待機模式

該模式下，LNG加氣站整體處于非運行狀態(tài)，緊急切斷閥的開或者關，不會影響到LNG儲罐狀態(tài)，或者至多使LNG儲罐與其他設備隔離，根據(jù)整站斷電的分析，該情況可認為不會導致LNG儲罐安全閥泄放。

3.2 加液模式

1）泵池出液管線上的或者加氣機中加液管線上的緊急切斷閥在加液模式中均處于開啟狀態(tài)，如果這些閥門被意外關閉，泵會進入死區(qū)。由泵電機散發(fā)出來的熱量進入LNG儲罐，導致其升壓。

根據(jù)EN13648-3中章節(jié)4［1］，泄放壓力小于臨界壓力crit的40%時，儲罐的安全泄放量m1按以下公式計算：

m1= 3.6×/

式中:—泄放條件下低溫液體的氣化潛熱；

—泵熱功率，電機功率。

2）其他管線的緊急切斷閥的開或者關，不會影響到LNG儲罐狀態(tài)，或者至多使LNG儲罐與其他設備隔離，根據(jù)整站斷電的分析，該情況可認為不會導致LNG儲罐安全閥泄放。

3.3 循環(huán)模式

1）泵池出液管線上的或者加氣機中加液管線上的緊急切斷閥在加液模式中均處于開啟狀態(tài)，如果這些閥門被意外關閉，泵會進入死區(qū)。由泵電機散發(fā)出來的熱量進入LNG儲罐，導致其升壓。

計算過程參考3.2.1，得出該情況下儲罐的安全泄放量m1。

2）其他管線的緊急切斷閥的開或者關，不會影響到LNG儲罐狀態(tài)，或者至多使LNG儲罐與其他設備隔離，根據(jù)整站斷電的分析，該情況可認為不會導致LNG儲罐安全閥泄放。

3.4 卸車模式

1）槽車卸車過程中，液體過充是可能發(fā)生的情況。如果卸車撬中泄液管線上兩個緊急切斷閥保持開啟狀態(tài)，則會導致放散管線會排出液體。為控制液體排出，設置了自動液位控制和SIL 3過充保護，降低了達到高高液位的風險。也就是說，整站中所安裝的過充保護，可以降低過充風險。即使過充保護失效，也可以通過安全閥來泄放來自槽車泵的介質，將儲罐內的壓力限制在水壓試驗壓力以下。

泄放量、質量流量mL1按以下公式計算：

mL1=×

式中:—槽車泵流量；

—在槽車泵流量下，及卸車壓力下的LNG密度。

2）其他緊急切斷閥的開或者關，不會影響到LNG儲罐狀態(tài)，或者至多使LNG儲罐與其他設備隔離，根據(jù)整站斷電的分析，該情況可認為不會導致LNG儲罐安全閥泄放。

3.5 調飽和模式

1）泵池出液管線上的或者加氣機中加液管線上的緊急切斷閥在調飽和模式中均處于開啟狀態(tài)，如果這些閥門被意外關閉，泵會進入死區(qū)。由泵電機散發(fā)出來的熱量進入LNG儲罐，導致其升壓。計算參考3.2.1，得出該情況下，儲罐的安全泄放量m1。

2）其他管線的緊急切斷閥的開或者關，不會影響到LNG儲罐狀態(tài)，或者至多使LNG儲罐與其他設備隔離，根據(jù)整站斷電的分析，該情況可認為不會導致LNG儲罐安全閥泄放。

3.6 降壓模式

LNG儲罐氣相空間需要降壓時，LIN冷凝盤管入口的緊急切斷閥、出口的流量調節(jié)閥均處于開啟狀態(tài)。

如果這些閥門意外關閉，由于儲罐正常吸熱，最終可能導致其超壓。儲罐的蒸發(fā)性能m2按以下公式計算：

m2=mP+mT

式中:mp—真空絕熱管道的蒸發(fā)性能；

mT—儲罐的蒸發(fā)性能，=V××；

n—LNG儲罐有效容積；

—LNG儲罐蒸發(fā)率；

—對應工作壓力的介質調飽和密度。

圖1 降壓模式流程圖

4 火災伴隨真空失效

4.1 通過容器壁單位時間內傳導的熱量

1）火災情況下，絕熱系統(tǒng)保持全部或部分完好。根據(jù)EN13648-3 章節(jié) 3.3.1.1［1］，泄放量5按以下公式計算：

5=2.6×(922 -)×5×∑0.82

式中:—對于亞臨界液體，為液體在壓力下的飽和溫度；

5—火災情況下，絕熱系統(tǒng)部分或全部完好，該絕熱系統(tǒng)的整體熱傳導系數(shù)；

∑—火災情況下，剩余完好的絕熱材料的平均表面積。

2）火災情況下，絕熱系統(tǒng)完全損壞。根據(jù)EN13648-3 章節(jié) 3.3.1.2［1］，泄放量6按以下公式計算：

6= 7.1×104×0.82

式中：—內容器的整體外表面積。

4.2 儲罐的安全泄放量

根據(jù)EN13648-3［1］，火災溫度為649 ℃。多層絕熱材料融化溫度為660 ℃。由于碳鋼融化溫度≥1 300 ℃，碳鋼外殼保持完好。火災情況下，外殼溫度為640 ℃，而泄放情況下，內容器溫度大約為-117 ℃。內、外容器夾層空間多層絕熱材料的溫度梯度為-117 ℃ 至 649 ℃。因此，火災情況下泄放量按絕熱系統(tǒng)全部或部分完好來計算。

根據(jù)EN13648-3章節(jié) 4［1］，泄放壓力小于臨界壓力crit的40%，儲罐的安全泄放量m3按以下公式計算：

m3= 3.6×/。

式中：=5；

—泄放條件下，低溫液體的氣化潛熱。

5 儲罐真空失效

真空失效時，儲罐由于吸收環(huán)境熱量，其壓力上升。

5.1 單位時間內通過絕熱材料吸入的熱量

根據(jù)EN13648-3 章節(jié) 3.2.2［1］，單位時間內通過絕熱材料吸入的熱量W7按以下公式計算：

7=(a-)×7×。

式中:a—除火災外的條件下，最高環(huán)境溫度；

柱面坐標系中的三個坐標面分別為：以z軸為中心軸的圓柱面(r為常數(shù))，過 z軸的半平面(θ為常數(shù))，與 xOy面平行的平面(z為常數(shù)).

—對于亞臨界液體，為液體在壓力下的飽和溫度；

7—大氣壓力下絕熱材料整體熱傳導系數(shù)；

—容器絕熱材料的內、外表面積的算術平均值。

5.2 夾層支撐和管道在單位時間內傳遞的熱量

根據(jù)EN13648-3 章節(jié) 3.2.3［1］，夾層空間內支撐和管道在單位時間內傳遞的熱量W8按以下公式計算：

8=(a-)×(1+2+3+4+……+w)

式中：W—支撐或管道在單位時間內傳導的熱量，W=λ×S/L；

a—除火災外的條件下，最高環(huán)境溫度；

—對于亞臨界液體，為液體在壓力下的飽和溫度；

λ—在和a之間，夾層支撐或夾層管道材料的熱傳導系數(shù)；

S—夾層支撐或夾層管道的截面積；

L—夾層支撐或夾層管道的長度。

除火災情況，整體傳輸?shù)臒崃縯=7+8。

根據(jù)EN13648-3章節(jié) 4［1］，泄放壓力小于臨界壓力crit的40%，儲罐真空失效的安全泄放量m4按以下公式計算：

m4= 3.6×/。

式中：=t；

—泄放條件下，低溫液體的氣化潛熱。

6 安全閥尺寸計算

6.1 排氣情況下的安全閥尺寸計算

根據(jù)ISO 4126-7 章節(jié) 5.2［2］，

出現(xiàn)臨界介質流。

式中：—泄放壓力和溫度下的氣體絕熱指數(shù)；

b—安全閥背壓；

o—安全閥泄放壓力。

根據(jù)ISO 4126-7 章節(jié) 6.3.1［2］，安全閥泄放面積A按以下公式計算：

式中:m—最大質量流量，m1、m2、m3、m4中的最大值；

—氣體特性系數(shù);

dr—安全閥氣體排放系數(shù)；

o—泄放壓力和溫度下的比容。

6.2 排液情況下的安全閥尺寸計算

根據(jù)ISO 4126-7 章節(jié) 6.3.1［2］，安全閥泄放面積A按以下公式計算：

根據(jù)供應商提供的安全閥喉徑，得出安全閥實際泄放面積。對比上述排氣和排液所需的泄放面積，判定當前所選安全閥是否滿足要求。

7 結 論

安全閥是LNG加氣站安全運行的關鍵裝置，通過分析LNG加氣站不同運行模式下可能出現(xiàn)的多種意外情況，計算出所需的安全閥泄放面積，進而選出合適的安全閥。既滿足了實際使用需求，也避免了太過保守考慮而導致安全閥選型過大，造成項目成本不必要浪費。

［1］EN 13648-3 Cryogenic vessels Safety devices for protection against excessive pressure Part 3: Determination for required discharge Capacity and sizing. European Committee for Standardization. ICS 23.020.40. EN 13648-3:2002 E.

［2］ISO 4126-7 Safety devices for protection against excessive pressure— Part 7: Common data. ISO 2013.

Main Relief Case Analysis and Relief Area Calculation of Tank PSV in LNG Fueling Stations

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（Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Zhangjiagang Jiangsu 215600, China）

Aiming at un-manned operation LNG fueling station exported to European, possible different cases during different modes were analyzed. The major cases causing PSV relief were discussed, as well asPSV relief area calculation.

LNG fueling station; Tank PSV; Relief case; Relief area

2020-07-15

范仲輝（1988-），男，工程師，江蘇省張家港市人，2011年畢業(yè)于南京林業(yè)大學機械設計制造及其自動化專業(yè)，研究方向：低溫壓力密閉容器及LNG加氣站設計。

TQ 056

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1004-0935（2020）11-1386-04