摘 要

摘　要：介紹LNG儲(chǔ)罐的壓力控制，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)LNG儲(chǔ)罐頂部安全閥出口管處設(shè)置的固定干粉滅火系統(tǒng)的滅火機(jī)理、分類及系統(tǒng)組成、運(yùn)行程序、設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行探討。關(guān)鍵詞：液化天然氣

摘　要：介紹LNG儲(chǔ)罐的壓力控制，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)LNG儲(chǔ)罐頂部安全閥出口管處設(shè)置的固定干粉滅火系統(tǒng)的滅火機(jī)理、分類及系統(tǒng)組成、運(yùn)行程序、設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：液化天然氣；　LNG儲(chǔ)罐；  壓力控制；  干粉滅火系統(tǒng)；  設(shè)計(jì)計(jì)算

LNG Tank Pressure Control and Design of Powder Extinguishing System

Abstract：The LNG tank pressure control is introduced．7rhe extinguishing mechanism，classification，system composition，operation program and design calculation of fixed powder extinguishing system fixed at the outlet pipe of relief valve on the top of the LNG tank are discussed with an engineering case．

Keywords：LNG；LNG tank；pressure control；powder extinguishing system；design calculation

 

1　概述

在液化天然氣項(xiàng)目中，LNG儲(chǔ)罐是LNG儲(chǔ)存系統(tǒng)中的核心設(shè)備，也是接收站中的重要設(shè)備，其造價(jià)約占接收站直接費(fèi)用的30％^[1]。隨著材料科學(xué)和焊接技術(shù)的發(fā)展，LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)日趨多樣化和大型化。在諸多罐型中，應(yīng)用最為廣泛的是圓柱型常壓低溫儲(chǔ)罐。本文對(duì)此類儲(chǔ)罐的壓力控制及干粉滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

罐內(nèi)儲(chǔ)存的LNG為飽和液體，罐內(nèi)的溫度為-160～-165℃，盡管低溫儲(chǔ)罐有良好的絕熱性能，但罐內(nèi)和環(huán)境的熱量交換導(dǎo)致少量LNG蒸發(fā)成閃蒸氣(BOG)。如果BOG氣體不能及時(shí)排出，儲(chǔ)罐可能會(huì)超壓；反之由于BOG壓縮機(jī)抽氣量過大等因素會(huì)造成儲(chǔ)罐出現(xiàn)負(fù)壓。LNG儲(chǔ)罐內(nèi)部操作壓力需要控制在允許范圍內(nèi)，一般控制在比外界大氣壓略高。罐內(nèi)壓力過高或出現(xiàn)負(fù)壓，對(duì)儲(chǔ)罐都有潛在的危險(xiǎn)^[2]。

當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到上上限值時(shí)，需要通過罐頂?shù)陌踩y釋放BOG氣體。此時(shí)為保證儲(chǔ)罐的安全，應(yīng)設(shè)置固定干粉滅火系統(tǒng)。

2　LNG儲(chǔ)罐壓力控制

工程中常見的是單容罐、雙容罐及全容罐。全容罐的設(shè)計(jì)壓力可達(dá)29kPa，單容罐的設(shè)計(jì)壓力可達(dá)20kPa。無論哪種形式，基本上都是微正壓。

影響LNG低溫儲(chǔ)罐壓力的因素很多，諸如熱量進(jìn)入引起液體的蒸發(fā)，充注期間液體的閃蒸，大氣壓下降或誤操作，都可能引起罐內(nèi)壓力上升。此外，當(dāng)快速排液、抽氣或者充注的液體溫度較低及大氣壓上升時(shí)，罐內(nèi)都可能產(chǎn)生負(fù)壓。為此，可采取以下措施來控制LNG儲(chǔ)罐壓力(以上海五號(hào)溝LNG事故氣源備用站的混凝土全容罐為例)。

①超壓時(shí)依次采取的措施

a．當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到16.0kPa時(shí)，通過調(diào)節(jié)閥將BOG氣體放入BOG緩沖罐。

b．當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到18.5kPa時(shí)，通過調(diào)節(jié)閥將BOG氣體放入火炬總管。

c．當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到21.0kPa時(shí)，通過罐頂調(diào)節(jié)放空閥放空。

d．當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到23.0kPa時(shí)，通過罐頂三個(gè)機(jī)械安全閥放散。

②壓力低或負(fù)壓時(shí)依次采取的措施

a．當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到3.5kPa時(shí)，停止BOG壓縮機(jī)，罐內(nèi)壓力達(dá)到2.5kPa時(shí)，停LNG出液泵。

b．當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到1.5kPa時(shí)，注入燃料氣。

c．當(dāng)罐內(nèi)壓力降至-0.45kPa時(shí)，自動(dòng)打開一個(gè)呼吸閥。

d．當(dāng)罐內(nèi)壓力降至-1.0kPa時(shí)，三個(gè)呼吸閥都自動(dòng)打開。

3　干粉滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1　設(shè)置場所及目的

GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第10．4．7條規(guī)定：需要重點(diǎn)保護(hù)的液化天然氣儲(chǔ)罐通向大氣的安全閥出口管應(yīng)設(shè)置固定干粉滅火系統(tǒng)。

GB 50347—2004《干粉滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3．1．5條規(guī)定：可燃?xì)怏w，易燃、可燃液體和可熔化固體火災(zāi)宜采用碳酸氫鈉于粉滅火劑。

當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到上上限值時(shí)，會(huì)通過安全閥釋放BOG氣體，氣體快速排放時(shí)會(huì)有靜電產(chǎn)生，或此時(shí)如遇雷、電等天氣都有可能引起氣體火災(zāi)，設(shè)置干粉滅火系統(tǒng)的目的就是阻止這類火災(zāi)的發(fā)生，保證儲(chǔ)罐的安全。

3.2　干粉滅火系統(tǒng)的滅火機(jī)理

干粉滅火系統(tǒng)不需要內(nèi)燃機(jī)、水泵為動(dòng)力源，而依靠高壓氣體(氮?dú)?、二氧化碳、壓縮空氣等)通過減壓閥、輸氣管等進(jìn)入干粉罐，與干粉按比例混合，動(dòng)力氣體攜帶干粉，經(jīng)輸粉管連接到固定的噴嘴上，通過噴嘴噴放干粉，撲向火源，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到滅火的目的。干粉在動(dòng)力氣體的攜帶下噴向火源進(jìn)行滅火，在滅火過程中，粉霧與火焰接觸、混合，發(fā)生一系列的物理和化學(xué)作用，從而阻斷了燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最終達(dá)到滅火目的。

干粉滅火劑具有滅火效率高、滅火速度快、絕緣性好、腐蝕性小、不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害等優(yōu)點(diǎn)。

3.3　干粉滅火系統(tǒng)的分類及組成

①系統(tǒng)分類

干粉滅火系統(tǒng)按應(yīng)用方式分為全淹沒滅火系統(tǒng)和局部應(yīng)用滅火系統(tǒng)。撲救封閉空間內(nèi)的火災(zāi)應(yīng)采用全淹沒滅火系統(tǒng)。采用全淹沒滅火系統(tǒng)的防護(hù)區(qū)，應(yīng)符合下列規(guī)定：

a．噴放干粉時(shí)不能自動(dòng)關(guān)閉的防護(hù)區(qū)開口，其總面積不應(yīng)大于該防護(hù)區(qū)總內(nèi)表面積的15％，且開口不應(yīng)沒在底面。

b．防護(hù)區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及門、窗的耐火極限不應(yīng)小于0.50h，吊頂?shù)哪突饦O限不應(yīng)小于0.25h；圍護(hù)結(jié)構(gòu)及門、窗的允許壓力不宜小于1200Pa。

②系統(tǒng)組成

干粉滅火系統(tǒng)主要由氮?dú)馄拷M、減壓閥、干粉罐、管路系統(tǒng)及噴嘴等組成，見圖1。

 

3.4　干粉滅火系統(tǒng)運(yùn)行程序

GB 50347—2004《干粉滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6．0．1條規(guī)定：干粉滅火系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有自動(dòng)控制、手動(dòng)控制和機(jī)械應(yīng)急操作三種啟動(dòng)方式。第6．0．2條規(guī)定：設(shè)有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)時(shí)，滅火系統(tǒng)的自動(dòng)控制應(yīng)在收到兩個(gè)獨(dú)立火災(zāi)探測信號(hào)后才能啟動(dòng)，并應(yīng)延遲排放，延遲時(shí)間不應(yīng)大于30s，且不得小于干粉儲(chǔ)存容器的增壓時(shí)間。

①當(dāng)只有一個(gè)感溫探測器信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，發(fā)出聲、光報(bào)警，系統(tǒng)不會(huì)啟動(dòng)。

②當(dāng)同時(shí)有兩個(gè)感溫探測器信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出火警信號(hào)，火警燈亮，同時(shí)啟動(dòng)干粉設(shè)備。

③當(dāng)延遲時(shí)間到時(shí)，動(dòng)力氣瓶(氮?dú)馄拷M)啟動(dòng)。來自氮?dú)馄拷M的動(dòng)力氣體(N2)通過兩位三通換向充氣球閥，從下進(jìn)氣管路進(jìn)入干粉罐，將沉積在干粉罐底部的干粉吹起來。然后下進(jìn)氣管路關(guān)閉，上進(jìn)氣管路開啟，動(dòng)力氣體從上進(jìn)氣管路進(jìn)入干粉罐。當(dāng)干粉罐的壓力升至額定工作壓力時(shí)，干粉罐內(nèi)的動(dòng)力氣體經(jīng)過濾器(圖1中未畫出)、順序閥，一路去改變兩位三通換向充氣球閥的供氣方向，充氣結(jié)束；一路去打開干粉釋放球閥，釋放氣固兩相流，氣固兩相流進(jìn)入輸粉管道，此時(shí)噴粉信號(hào)燈(在  式中系統(tǒng)控制柜上)亮，同時(shí)壓力信號(hào)返回系統(tǒng)控制柜。

④干粉經(jīng)輸粉管到防護(hù)區(qū)，沖掉噴嘴防塵帽，開始噴射干粉。

⑤系統(tǒng)噴射結(jié)束后，應(yīng)盡快由專業(yè)人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行吹掃、充氣、灌裝干粉及電器復(fù)原工作。

3.5　干粉滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

以山西晉城市沁水縣煤層氣液化工程4500m³單容罐為例，詳細(xì)介紹干粉滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。本工程設(shè)計(jì)條件符合全淹沒滅火系統(tǒng)相關(guān)規(guī)定。

設(shè)計(jì)條件：安全閥出口管管徑為DN 250mm，管長15m，BOG超壓釋放時(shí)，氣體流速小于等于55m／s，考慮放空管實(shí)際存在開口，為保證滅火的可靠性，干粉噴射時(shí)間取60s。為便于計(jì)算，本文計(jì)算中涉及到的管道內(nèi)徑均用公稱直徑代替。

①干粉設(shè)計(jì)用量計(jì)算

 

式中m——干粉設(shè)計(jì)用量，kg

r——滅火劑設(shè)計(jì)質(zhì)量濃度，kg／m³，不小于0.65kg／m³

V——防護(hù)區(qū)凈容積，m³

n——不能自動(dòng)關(guān)閉的防護(hù)區(qū)開口數(shù)量，個(gè)，本實(shí)例中n＝1

Ai——第i個(gè)不能自動(dòng)關(guān)閉的防護(hù)區(qū)開口面積，m²

Ki——第i個(gè)防護(hù)區(qū)開口補(bǔ)償系數(shù)，kg／m²，當(dāng)Ai<0.11Av時(shí)(Av指防護(hù)區(qū)的總內(nèi)表面積(包括其中開口，單位為m²))，Ki＝0，本實(shí)例中Ki＝0

Vv——防護(hù)區(qū)容積，m³

Vg——防護(hù)區(qū)內(nèi)不燃燒體和難燃燒體的總體積，m³，本實(shí)例中Vg＝0

Vz——不能切斷的通風(fēng)系統(tǒng)的附加體積，m³

qz——通風(fēng)體積流量，m³／s

t——干粉噴射時(shí)間，s，本實(shí)例中t＝60s

Vv＝1/4pd²l　　　　　(4)

qz＝1/4pd²v          (5)

式中d——防護(hù)區(qū)安全閥出口管管徑，m，本實(shí)例中d＝0.25m

l——防護(hù)區(qū)安全閥出口管長度，m，本實(shí)例中l＝15m

v——通風(fēng)速度，m/s，本實(shí)例中v＝55m／s

由公式(1)～(5)可得：

m＝105.72kg

②輸粉管干管管徑計(jì)算

輸粉管干管的干粉輸送速率應(yīng)按下式計(jì)算：

qm＝m/t　　　　　　(6)

式中qm——輸粉管干管的干粉輸送速率，kg／s

輸粉管干管內(nèi)徑應(yīng)按下式計(jì)算：

df≤22       (7)

式中df——輸粉管干管內(nèi)徑，mm

由式(6)—(7)可得：

df≤29.20mm

故確定輸粉管干管管徑為DN 25mm。

③管路內(nèi)干粉殘余量計(jì)算

mr＝VD(10pp+1)rq/m     (8)

式中mr——管路內(nèi)干粉殘余量，kg

VD——整個(gè)輸粉管道的容積，m³

pp——輸粉管道中的平均壓力，Mpa

rq——動(dòng)力氣體密度，kg／m³

m——驅(qū)動(dòng)氣體系數(shù)，按產(chǎn)品樣本取值

輸粉管道管徑為DN 25mm，管長為40m，pp＝0.75MPa，rq＝1.165kg／m³，m＝0.044，則由式(8)計(jì)算得：mr＝4.42kg。

④干粉罐內(nèi)干粉剩余量計(jì)算

干粉罐內(nèi)干粉剩余量ms，按干粉設(shè)計(jì)用量m的8％計(jì)，則ms＝8.46kg。

⑤干粉儲(chǔ)存量計(jì)算

干粉儲(chǔ)存量計(jì)算公式為：

mc＝m+mr+ms＝118.6kg

考慮增加對(duì)放空管的惰化濃度，取安全系數(shù)為2.0，則干粉儲(chǔ)存量應(yīng)為237.2kg，取整，最終確定干粉儲(chǔ)存量為250kg。

⑥用氣量的計(jì)算

采用40L高壓無縫氣瓶，一般正常情況充壓不小于13MPa，按1kg干粉需40L氮?dú)?/span>(標(biāo)準(zhǔn)工況下)計(jì)算，那么在13MPa下1只40L瓶的氮?dú)?，相?dāng)于標(biāo)準(zhǔn)工況下的體積為5200L，所對(duì)應(yīng)的干粉質(zhì)量為130kg，需40L氮?dú)馄?/span>2只。

4　設(shè)計(jì)討論

①由于干粉滅火系統(tǒng)在管道中流動(dòng)為氣固二相流，在彎頭處會(huì)產(chǎn)生氣固分離現(xiàn)象(一般彎頭曲率半徑小，對(duì)氣固二相流會(huì)產(chǎn)生氣固分離現(xiàn)象)，但在彎頭后20倍公稱管徑的管道長度內(nèi)即可恢復(fù)均勻。而球形管件曲率半徑很大，對(duì)氣固二相流產(chǎn)生氣固分離現(xiàn)象影響小，因此，本設(shè)計(jì)均采用球形管件(如球形三通、球形變徑管、大半徑彎頭等)，取得了很好的效果。

②由于干粉滅火設(shè)備設(shè)在罐頂?shù)陌踩y附近，鑒于對(duì)干粉滅火系統(tǒng)自身安全的考慮，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將干粉滅火設(shè)備設(shè)置在安全閥的上風(fēng)向。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]敬加強(qiáng)，梁光川，蔣宏業(yè)．液化天然氣技術(shù)問答[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：101．

[2]劉浩，周永春．LNG低溫儲(chǔ)罐壓力安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．化工設(shè)計(jì)，2007，17(1)：7-10．

 

 

本文作者：吳志榮  徐占偉  苗云波

作者單位：中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司第四設(shè)計(jì)研究院

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