关于LNG储罐工作容积影响因素的探讨

贾保印，白改玲

中国寰球工程有限公司，北京100012

关于LNG储罐工作容积影响因素的探讨

贾保印，白改玲

中国寰球工程有限公司，北京100012

针对LNG储罐容积认识混乱的现象，分析相关规范，并结合国内外实际工程项目及现场工程经验，明确了LNG储罐容积的含义，分析影响LNG储罐工作容积的主要因素，这些因素主要有LNG储罐类型、最高操作液位、地震时液面晃动高度、潜液泵所需最小液位、泵井收缩量、施工质量和精度等。研究表明：明确LNG储罐容积的含义可为设计、施工及管理人员提供可靠的指导性基准，有利于形成储罐罐容及尺寸系列标准化；提高储罐容积利用率可降低工程项目的建设成本和提高行业内的市场竞争力。

LNG储罐；公称容积；工作容积；晃动高度；潜液泵；泵井收缩

液化天然气（LNG）储罐是LNG接收站重要的核心设备，储罐的安全平稳运行是整个LNG接收站保持正常运转的关键[1-2]。

在LNG储罐的工程设计、建设及应用过程中，工程设计人员、施工人员和管理人员对LNG储罐容积、建设成本、工期及经济性出现了不同的认识和理解，主要是行业内对LNG储罐容积定义不清晰、不明确。如两个不同的工程项目中，对外同为20万m3的LNG全容罐，其实际的内罐几何容积相差将近3万m3，两个LNG储罐的建设周期、施工难度、建设费用、市场竞争力差距较大，因此明确和统一LNG储罐容积的含义十分必要。

此外，相同公称容积的LNG储罐用于不同的工程项目中，受工程站址、罐内安装的潜液泵等因素的影响，其工作容积明显不同。由于LNG储罐的造价非常高，最大程度增大LNG储罐的工作容积，提高储罐容积利用率可明显降低工程项目的建设成本和提高行业内的市场竞争力。目前很少文献对影响LNG储罐工作容积的影响因素进行详细的说明探讨或明确规定。

针对LNG储罐容积认识混乱的现象，本文以LNG全容罐为例，对LNG工作容积及其影响因素进行了详细分析。

1 LNG全容罐的基本结构

国内已建成投产或在建的LNG接收站储罐大部分采用由9%Ni钢制内罐、9%Ni钢制底角保护、铝合金吊顶、16MnDR钢衬板（外罐内壁）和预应力混凝土外罐组成的全容罐（简称FCCR），如图1所示。内罐用来储存LNG，内罐和外罐之间充装绝热材料，可减少热量传入[3-5]，外罐用来密闭蒸发气气体，可在内罐泄漏情况下承装LNG，并可承受一定的热辐射及冲击荷载。

2 LNG储罐工作容积定义及影响因素

2.1 LNG储罐工作容积定义

通过分析API 625-2010“Tank systems for refrigerated liquefied gas storage”及国内《石油化工设计手册》，可将LNG储罐的容积分为三类：公称容积、储存容积和工作容积（有效容积），如图2所示。

图1 全容罐（FCCR）的基本结构示意

（1）公称容积：LNG储罐内罐圆柱部分几何容积的圆整值，即按照内罐几何尺寸计算出来的容积。

（2）储存容积：正常操作条件下允许储存的最大容积，即按照内罐的设计液位计算出来的容积。

图2 全容罐（FCCR）的储罐容积

（3）工作容积（有效容积）：正常操作条件下允许的最高操作液位（高报警液位）和允许的最低操作液位（低报警液位）之间的容积，即按照内罐的高低液位之间计算出来的容积，也是正常状态下潜液泵泵送的容积。

表1列出了三个实际工程项目中典型LNG储罐的容积。

表1 L NG储罐的容积

由表1所示，不同项目中相同公称容积的LNG储罐，其储存容积和工作容积也会有所不同。

综上所述，对于结构、几何容积相同的罐型，罐体结构的投资基本相同。由于工作容积是LNG项目实际操作运行所关注的参数，故LNG储罐的投资应按照工作容积进行对比才更有意义，因此提高其工作容积是工程项目设计优化的重要内容和方向。

2.2 LNG储罐工作容积的影响因素

由图2所示，LNG储罐的工作容积为正常操作条件下允许的最高操作液位（高报警液位）和允许的最低操作液位（低报警液位）之间容积，因此对于直径和公称容积固定的LNG储罐，影响最高操作液位和最低操作液位的因素即为影响LNG储罐工作容积的因素。影响LNG储罐工作容积的因素有建设站址、地震时液面晃动高度、潜液泵的厂商数据、泵井收缩量和施工精度等，以下逐一进行分析论述。

2.2.1 地震时液面晃动高度

根据规范GB/T 26978.1-2011《现场组装立式圆筒平底钢质液化天然气储罐的设计与建造》和API 625-2010“Tank systems for refrigerated liquefied gas storage”要求，当LNG储罐液位为最高操作液位时，LNG储罐的内罐高度应按照能承受安全停运地震（以下称“SSE”）和运行基准地震（以下称“OBE”）作用进行设计，因此LNG储罐最高操作液位应为内罐高度减去地震时液面晃动高度。通常将SSE计算的晃动高度与OBE计算的晃动高度另加300mm后的数值进行比较，选择较大值作为地震时晃动波高。

地震时晃动波高由“计算地震加速度值”来确定，而“计算地震加速度值”取决于工程站址所在地区国家发布的地震加速度值、工程项目中LNG储罐采用的隔震设施等因素，如某工程站址的国家规定的地震加速度值较高，但实际项目中采用一定的隔震措施后即可降低地震加速度值，修正后的地震加速度值即为“计算地震加速度值”，以此数据作为储罐液面晃动高度的计算基准。对于固定公称容积的LNG储罐，根据适宜的高径比，选定内罐高度和直径，并在此直径基础上利用计算地震加速度值通过不断试差来最终确定最高操作液位。

因此，对于固定的公称容积和内罐高度的LNG储罐，由于不同建设地点的SSE和OBE值不同，计算出的地震时晃动波高不同，则储罐的最高操作液位也不同，进而可能导致LNG储罐的工作容积不同，地震时晃动波高越大，则LNG储罐的工作容积越小。

2.2.2 潜液泵所需最低液位

LNG储罐的最低操作液位由潜液泵的特性确定，比如潜液泵的正常启动最低液位值、必需汽蚀余量（扬程下降3%）等，上述数据随潜液泵设备特性参数的不同而差异较大，应视具体供货商的产品特性选取潜液泵所需最小液位高度。因此，对于固定的公称容积和内罐高度的LNG储罐，潜液泵正常启动最低液位越小，则LNG储罐的工作容积越大。

2.2.3 泵井收缩量

泵井材质为不锈钢，泵井安装过程处于常温状态，运行时处于低温状态（-161℃），当进行泵井预冷时，泵井会随着温度的降低收缩。由于泵井的固定端位于LNG储罐的罐顶部分，泵井会向上收缩，造成潜液泵远离LNG储罐内罐罐底底板。不同型号的不锈钢，其收缩系数不同，造成泵井收缩量不同；相同材质的泵井，泵井的高度不同，也会造成泵井的收缩量不同。因此影响泵井收缩量的主要因素为泵井高度和泵井材质。由于泵井收缩量导致潜液泵的操作液位升高，因此泵井收缩量对LNG储罐工作容积的影响与潜液泵的正常启动最小液位相同，泵井的收缩量越大，则LNG储罐的工作容积越小。

2.2.4 施工精度

大型LNG储罐内罐直径较大，通常底板由许多的钢板焊接而成，钢板的焊接通常采用搭接焊工艺，该焊接工艺特点及现场施工条件、施工精度水平造成内罐底板并不是完全平整的，内罐底板的不同位置距离泵井底部的绝对高度不同，因此泵井安装位置和施工精度也会影响最小操作液位的取值。设计中通常规定泵井底阀与储罐底板之间的间隙，施工精度不同会导致此间隙值不同，间隙越大，则LNG储罐的工作容积越小。

3 结论

通过上述对LNG储罐容积定义的阐述以及影响LNG储罐工作容积因素的探讨，得出以下结论：

（1）明确LNG储罐容积的含义可为设计、施工及管理人员提供可靠的指导性基准；有利于形成储罐罐容及尺寸系列标准化，指导工程设计；同时明确对比基准，便于建设单位和设计人员在LNG储罐选型时进行技术及经济对比。

（2）提高储罐容积利用率可降低工程项目的建设成本和提高行业内的市场竞争力。

（3）影响储罐工作容积的因素有LNG储罐类型、最高操作液位、地震时液面晃动高度、潜液泵所需最小液位、泵井收缩量、施工质量和精度等，工程实践中应针对不同项目特点，密切关注和优化设计参数，实现最佳的工作容积和经济性。

[1]王珊珊，高天喜，黄永刚．20万立方米全容式LNG储罐可实施性研究[J].化工设计，2014，24（4）：24-30.

[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]顾安忠.液化天然气技术手册[M].北京：机械工业出版社，2012：288-291.

[4]成永强，崔婧.大型LNG储罐的吹扫干燥技术 [J].实验研究，2013，32（1）：28-31.

[5]贾保印，宋媛玲，李婵，等．液化天然气全容罐干燥置换氮气用量计算[J]．煤气与热力，2015，35（8）：5-10.

Discussion on factors affecting working volume ofL NGtank

JIABaoyin，BAIGailing
China Huanqiu Contracting&Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100012，China

LNGstorage tank；nominalvolume；working volume；sloshing height；submerged pump；pump wellshrink

贾保印（1983-），男，山东聊城人，工程师，2009年毕业于天津大学化学工艺专业，现主要从事液化天然气领域的设计和研发工作。Email：jiabaoyin@hqcec.com

2017-02-17

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.04.011

Abstrac：With consideration to the relevant standard，domestic and international engineering projects and field engineering experience，the definition of LNG tank volume is ascertained.The key parameters to affect the working volume are studied and analyzed.The main factors affecting the working volume of LNG tank are LNG tank type，highest operational level，seismic liquid surface sloshing height，required minimum liquid level of submerged pump，pump well shrink length，construction quality and precision.The research shows that the ascertained definition of LNG tank working volume can provide the reliable guiding standard for personnel of design，construction and management，and is conducive to the formation of standards about tank capacity and size series;improving the working volume can reduce project construction cost and improve the market competitiveness in the industry.