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液化轻烃低温储罐安全排放去向的探讨

更新时间:2009-03-28

自1954年美国建造第一台低温双壁储罐以来,低温常压储存技术至今已有63年的历史[1],其在国内外都已有成熟的应用。2008年,仅日本就拥有大型LNG低温常压储罐区27座[2]。上世纪90年代,我国广东省深圳市建设了最早的大型低温常压储罐,常压储存LPG[1]。随后在沿海省份陆续建造了储存各种介质的低温常压储罐,其中有LNG、乙烯、丙烯、丙烷、LPG等。

相对于压力球罐储存,低温常压储罐的储存压力低、保冷效果好,其占地面积、投资和安全性都优于球罐;但也因为相同的原因,大型低温常压储罐系统更复杂,对材料和设备要求更高,而且大型低温常压储罐单罐储存量大,一般在1万m3以上,最大可到20万m3,爆炸危险性介质存量大,一旦发生危险,损失难以估量[3]

大型低温常压储罐内储存介质包括LNG和各种液化烃,如乙烯、丙烯、丙烷、混合碳四、LPG等。大多数情况下,其闪蒸气(BOG)都由BOG压缩机组回收,但在出现非正常工况超压时,会存在安全泄放的问题。由于大型低温常压罐设计压力都很低,设计压力一般在-0.5~+29kPa(g),排放气管道尺寸大,且火炬背压要求低,国内很多低温常压储罐的安全泄放都是直接排向大气。由于不同的储存介质相对于空气的密度不同,对某些储存介质,这样的设置可能存在一定的安全风险。下面将就此方面进行探讨。

“经济人假设”是世界经济学家之父亚当·斯密于18世纪提出的,其核心含义是认为人都是“理性的”,人的行为动机根源在于经济诱因,人的行为的目的是为了争取最大的经济利益。

1 大型低温常压储罐超压的原因

1.1 正常工况储罐产生的闪蒸气

在大型低温常压储罐中,储存的介质都处于低温常压饱和状态,一般压力在-0.5~+29kPa(g),储存温度由于介质的不同而不同(见表1)。正常情况下,外界环境都会以太阳辐射或对流的方式向罐内介质传热,虽然储罐具有优秀的保冷设施,但传热不可避免,由此产生的闪蒸汽量与储存介质的物性、保冷层的厚度和储罐容积相关。

 

表1 几种液化烃的常压沸点

  

介质甲烷乙烯丙烯丙烷异丁烷异丁烯正丁烷液氨常压沸点/℃-162-104-48-42-12-7-0.5-33.4

当液体向储罐内进料时,会产生大量的闪蒸气。一方面,低温液体从低温卸船码头或者低温槽车装卸站台至罐内,需要一段至少数百米的管线,管线虽然有良好保冷措施,但不能避免会持续从环境吸收热量。有些工厂采用真空双层管作为卸料管道,这可以显著降低管道冷损,但真空双层管价格昂贵,大多数工厂还是采用覆盖保冷材料的钢管作为卸料管道。另一方面,液体进料时体积置换会产生与进料液体基本相同体积的气体。其次,如果采用卸料低温泵或者低温船泵的方式将低温液体送入储罐,泵本身产生的热量也会随之带入储罐中而产生闪蒸气。低温泵本身具有良好的保冷特征,且泵外环境温度高于泵的操作温度,低温泵电机的电能除了通过声音和管道设备震动耗散外,大部分能量几乎都最终转化为罐内液体的热能。

另外,低温液体管道需要保冷,以免突然冷料流过产生过大的应力造成管道或管件的破坏,此部分循环流动的保冷低温液体也会从环境中吸收热量,进而产生闪蒸气。

但非正常工况产生的闪蒸气量则远大于正常工况。一般对于低温储罐来说,非正常工况的闪蒸气产生量主要考虑全厂停电、全厂停仪表气、外部火灾、台风、储存液体的翻滚、内罐泄漏与失效等工况的可能组合,选择其中最大者作为设计工况。

1.2 闪蒸气的回收和处理

对后者的设计来说,先导式安全阀的泄放能力考虑了各种较为极端的工况,浙江某工厂2台6万m3丙烷双金属壁低温全容罐的各级超压保护排放量见表4。在这种设计下,除非最极端工况出现,同时2台以上安全阀发生故障,否则泄压人孔永远不会开启,相当于泄压人孔是完全的冗余配置。而且,此种设计需要配套的火炬能力远大于安全阀直排大气时的设计。以本例的6万m3丙烷罐为例,如果安全阀直接排空,火炬能力和BOG总管放火炬阀门的能力都可以从85t/h降至约10.5t/h,较明显地减少了配套设施的投资。

除上述因素外,外界环境变化或输送泵打循环都可能产生闪蒸气。

表2中列举了山西某液化天然气储运站的1台1万m3 LNG双金属壁低温全容罐正常工况和各非正常工况的闪蒸气产生量。可以明显看出,非正常工况闪蒸气产生量远大于正常工况,往往更易导致储罐超压。

如果孩子通过语言等表达不满,仍然无法阻止对方的欺负行为,那就要马上离开,跑去一个安全的区域,比如小朋友很多的地方,或者家长聊天的区域,或者老师身边。即便一时找不到自己熟悉的小朋友或者成人也没关系。越是恶劣的、有主观意图的欺负甚至校园霸凌,都越是隐藏在那些阴暗的死角不能曝光,因此跑到其他人能注意到的地带,就相对安全很多。

 

表2 山西某1万m3 LNG双金属壁低温全容罐各工况闪蒸气产生量

  

工况储罐日蒸发量低温卸船罐内泵循环停电停仪表气台风外部火灾翻滚内罐失效闪蒸气量/(kg·h-1)2206705105101020100041002200068500

2 大型低温常压储罐的超压保护

为了避免由于上述因素导致的储罐超压,除了闪蒸气压缩冷凝外,大型低温常压储罐一般都考虑了额外的多重超压保护措施。

在农田水利工程当中,由于受到传统灌溉技术的影响,在进行灌溉的过程中,仍然存在着一定的影响因素,从以下三方面对节水灌溉技术的影响因素进行分析。

2.1 LNG低温常压储罐的超压保护

对LNG低温全容罐,一般超压保护的分级设置都有相对统一的模式:当闪蒸气压缩冷凝系统故障,不能抑制压力升高时,储罐压力监测会报警,进而联锁打开闪蒸气总管的火炬放空自动阀门,如果压力仍然不能控制,储罐上的数个先导式安全阀会相继开启,将LNG气体直接排入大气。表3是山西某液化天然气储运站的1万m3 LNG双金属壁低温全容罐各级联锁压力和排放量。

 

表3 山西某1万m3 LNG双金属壁低温全容罐各级超压保护动作压力和排放量

  

压力值/kPa(g)超压保护动作排放量/(kg·h-1)13压力高报警,开BOG压缩机150025BOG总管放,火炬阀开启150029安全阀打开68500

2.2 其他液化轻烃低温常压储罐的超压保护

低温常压储罐在超压泄放时,温度接近于其泄放压力下的沸点,通过安全阀泄放至大气后会与大气发生强烈混合换热,温度逐渐升高。在我国大部分地区,大气温度一般都在-30℃以上,接触到冷泄放气后,靠近泄放气的空气团会迅速降温,与泄放气成为一个混合气团,在大气中整体上升或下沉。因此,作为泄放气密度参照的空气密度-温度曲线(图1中粗实线),在图中假定最低值为-30℃。

一般而言,为了减少日常储存时物料的损失,采取闪蒸气压缩冷凝的方式,将这部分闪蒸气重新冷凝降温为低温液体后回收,闪蒸气压缩冷凝的能力一般可按上述因素产生的闪蒸气量合理叠加选择。一般正常工况下,闪蒸气总量不会非常大,以浙江某工厂的2台6万m3低温丙烷储罐为例,其最大正常工况产生的闪蒸气总量为7 600kg/h(3 804Nm3/h)。当压缩机发生故障时,超过压缩冷凝能力的闪蒸气可以通过排火炬的方式处理,不会造成储罐超压。

“小学数学益智游戏”校本课程的核心目标,是将数学知识与技能渗透到游戏活动中,让学生在参与游戏、体验游戏、感悟游戏和创造游戏的过程中,巩固数学知识,提高数学技能,发展数学思维并激发对数学的喜爱。因此,教师在开发校本课程时,应根据自身的教学经验和学生的实际情况,把握“火候”。

 

表4 浙江某工厂的2台6万m3丙烷双金属壁低温全容罐的各级超压保护排放量

  

超压保护动作排放量/(kg·h-1)压力高报警,开BOG压缩机11000BOG总管放,火炬阀开启48000安全阀打开85000泄放人孔打开785000

LNG或丙烷、丙烯等液化烃泄放至大气后,其运动状态除了取决于当时的大气状态、风速外,也取决于与空气的密度比。当大气状态稳定、风速很低时,一般与空气相比,密度的大小直接决定了其运动状态。

3 低温LNG与其他液化轻烃在大气中扩散

然而,如果分析大气中丙烷等液化烃的扩散特征与天然气的异同,就可以发现,即使包含较极端的泄放工况,安全阀排放气不直排大气,而是排放至火炬有其设计的安全性和合理性。

图1为各种液化烃和LNG的密度-温度曲线,其中粗实线表示了空气的密度-温度曲线。

  

图1 LNG、各种液化烃和空气的密度-温度曲线

对低温乙烯、丙烷、丙烯、混合碳四常压储罐的压力泄放,一般没有统一的设计模式,不同的设计单位会采取不同的设计理念。当闪蒸气压缩冷凝不能控制压力升高时,首先储罐压力监测会报警和联锁,然后打开闪蒸气总管的火炬放空自动阀门。如果压力仍然不能控制,有些设计类似于LNG储罐,先导式安全阀将气体直接排入大气,还有一些设计则与LNG储罐不同,储罐上的先导式安全阀会将气体密闭排入火炬系统,当压力仍然不能控制时,储罐上设置的数个泄压人孔会开启,气体直接排入大气。

从图1中很容易看出,天然气在约-135℃以上,密度会小于空气;乙烯在约-35℃以上,密度才会略小于空气,与相同温度下空气的密度接近;丙烯、丙烷、异丁烷、异丁烯和正丁烷,在相同温度下,密度都大于空气。

也就是说,对于LNG低温储罐,超压泄放入大气的冷天然气会在与空气的混合中迅速被加热,密度逐渐减小。开始时,冷天然气团会有下降运动的趋势,但被加热到约-135℃以上,密度小于空气后,开始逐渐向上运动,同时进一步与空气混合扩散。地面上可能出现天然气浓度在爆炸极限内的区域,仅在天然气储罐周围很小的区域内,而天然气储罐近距离范围内一般是没有操作人员或点火源的,因此作为事故状态的超压泄放,为保护储罐安全,将天然气排入大气,其风险在一定程度上是可以接受。

从唐努乌梁海被沙皇俄国侵占到被苏联兼并的历史来看,这个结果的出现既反映了俄国扩张的本质,也说明了当时的中国政府力量软弱不堪,领土和主权意识亟待加强,没有对唐努乌梁海给予足够的关注,这是深刻的历史教训。了解这段历史,对于我们培养爱国主义精神,维护祖国统一和领土完整具有极大的意义。中俄边界的彻底解决为两国合作领域的扩展提供了新的可能性,未来中俄两国的发展需要和平稳定的周边环境,边境地区安全的维护不能仅仅局限于军事和对抗领域,更要依赖信任和合作的力量。对于中俄边界争议的历史,我们既应该铭记,同时也应客观看待。

但对于丙烯、丙烷、异丁烷、异丁烯和正丁烷等液化烃来说,超压泄放入大气后,在一边与空气混合扩散的同时,一边有下沉的趋势,在储罐附近相当大的范围内都会出现可燃气体的积累,并且浓度会在爆炸极限内,特别是大气状况稳定无风、扩散混合作用减弱时,近地面可燃气体高浓度区的范围更大。液化烃与空气的爆炸混合气体会沿地面蔓延,对整个储运区或工厂都是极大的隐患,一旦出现点火源就可能会发生严重的蒸汽云爆炸。据研究人员分析计算,对2台100m3的液化石油气(丙烷、丁烷)储罐,其蒸汽云爆炸的致死半径为66m,重伤半径为146m,轻伤半径266m,财产损失半径235m[4]。在此种情况下,为了杜绝直接向大气超压泄放,导致二次危害的发生,宜将丙烯、丙烷、异丁烷、异丁烯和正丁烷等液化烃气体排入地面火炬系统,虽然配套设施的投资会有一定增加,但大大降低了实际可能出现的安全风险。

阻抗参数的模糊调整规则如下:如果小腿绝对平均主动作用力fs和大腿绝对平均主动作用力fb为同级,则表明小腿和大腿主动运动意图相同,此时阻抗参数为初始值为z;如果小腿绝对平均主动作用力fs比大腿绝对平均主动作用力fb大n级,则表明小腿主动运动意图强,此时阻抗参数为初始值z加上0.1n倍的z;如果大腿绝对平均主动作用力fb比小腿绝对平均主动作用力fs大n级,则表明大腿主动运动意图强,此时阻抗参数为初始值z加上0.2n倍的z。由于整体小腿运动范围大于大腿,所以在相差级别相同时,小腿主动运动意识强则增加的阻抗参数稍小,大腿主动运动意识强则增加的阻抗参数稍大。

对于乙烯,超压泄放入大气后与天然气类似,在空气中扩散的同时被加热,当温度在约-35℃以上时,乙烯密度略小于空气,几乎与空气相同。在-30℃时,乙烯气与空气的比重为0.978,与20℃空气的比重为1.179;在20℃时,乙烯气与空气的比重为0.975。因此,大气状况稳定无风时,乙烯可能会与空气在近地面和空中形成更稳定的混合物,混合物有可能在爆炸极限内,一旦出现点火源,同样可能会发生严重的蒸汽云爆炸,为了降低这种安全风险,乙烯超压泄放气体也最好能够密闭排入地面火炬系统。

预防措施:如在地质较软处施工时应当先在表面铺设一定厚度的碎石,碾压密实后在钻机底部垫入方木,增大钻机与地面的接触面积,以减少压强避免位移现象。在地质极为恶劣的地区,应当采取换填的方式来增加土层的稳定性。并且在冲孔施工时注意观察钢丝绳的走向,如垂直方向有较大偏差时应采取一定的措施,直至走向垂直。

4 结语

(1)低温常压储罐非正常工况下的闪蒸汽产生量远大于正常工况,一般采用安全阀超压排放,排放去向根据排放介质的不同应谨慎考虑。

(2)由于超压泄放入大气的天然气在温度上升后明显比空气轻,在大气中扩散的同时向上运动,地面不会出现大范围的爆炸性气体积累。非正常工况(台风、外部火灾、翻滚等)的超压泄放经过安全阀直接排至大气的方式在一定程度上可以接受,安全风险较低。

(3)乙烯、丙烯、丙烷、异丁烷、异丁烯和正丁烷等轻烃气体与空气密度相差不大,或比空气重,在近地面可能会出现大范围的爆炸性气体环境。即使是非正常工况(台风、外部火灾、翻滚等)的超压泄放,也应尽量排至火炬管网,以免出现严重危害。

参考文献:

[1]王冰,陈学东,等.大型低温LNG 储罐设计与建造技术的新进展[J].天然气工业加工利用,2010(30):1-5.

[2]王立敏.国内外LNG 行业的变化与趋势[J].国际石油经济,2008(12):57-62.

[3]葛鹏.LNG储罐全部泄漏引起蒸汽云爆炸后果定量分析[J].内蒙古石油化工,2014(11):76-78.

[4]崔黎宁,杨光.石油天然气站场总平面布置对蒸汽云爆炸的防范措施[J].内蒙古石油化工,2015(19):87-88.

[5]顾安忠.液化天然气技术[M].北京:机械工业出版社,2004.

[6]敬加强.LNG技术问答[M].北京:化学工业出版社,2006.

[7]BS EN 1473:2007 Installation and equipment for liquefied natural gas—Design of onshore installations [S].

[8]API STD 2000:2014 Venting Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks [S].

 
王海波,吴殊斌,王海,吕仪军
《化肥设计》 2018年第02期
《化肥设计》2018年第02期文献

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