LNG加气站中储罐安全阀主要泄放情况分析及泄放面积计算

范仲辉，邱国洪，钱红华

LNG加气站中储罐安全阀主要泄放情况分析及泄放面积计算

范仲辉，邱国洪，钱红华

（张家港中集圣达因低温装备有限公司， 江苏 张家港 215600）

基于出口欧洲的无人值守LNG加气站，分析加气站不同运营模式下可能出现的不同情况，以及LNG储罐上安全阀会产生泄放的主要情况及其泄放面积计算。

LNG加气站；储罐安全阀；泄放情况；泄放面积

随着近年来全球各地设备安全事故频发，安全第一的理念正成为全球制造商们摆在第一位的设计准则。LNG储罐作为LNG加气站中的关键设备，其安全阀是否能满足，加气站在各运行工况下出现各种情况的泄放量要求，尤为重要。本套加气站产品出口欧洲，整站按ASME设计，同时需要满足CE的PED(承压设备指令)。整站无人值守，天然气零排放。安全阀选型不仅仅是越大越好，也需要考虑欧洲无人值守站运行情况，基于欧洲标准，选取合适型号，优化项目成本。

LNG加气站运行过程中，主要考虑出现整站断电、仪表风系统失效、紧急切断阀意外地开或者关、火灾、储罐真空失效等现象。

1 整站断电

整站断电时，整站设计成进入失效安全模式，会出现泵停止、所有紧急切断阀关闭、BOG管理系统（LIN冷凝系统）停止、调饱和停止。

基于以上描述，LNG储罐与卸车撬及客户气瓶隔离，不会有来自其他系统的介质回流到LNG储罐中。该情况可认为不会导致LNG储罐安全阀泄放。

2 仪表风系统失效

仪表风系统失效时，整站会出现所有紧急切断阀关闭、BOG管理系统停止、调饱和停止。

根据整站断电的分析，该情况可认为不会导致LNG储罐安全阀泄放。

3 紧急切断阀意外地开或者关

3.1 待机模式

该模式下，LNG加气站整体处于非运行状态，紧急切断阀的开或者关，不会影响到LNG储罐状态，或者至多使LNG储罐与其他设备隔离，根据整站断电的分析，该情况可认为不会导致LNG储罐安全阀泄放。

3.2 加液模式

1）泵池出液管线上的或者加气机中加液管线上的紧急切断阀在加液模式中均处于开启状态，如果这些阀门被意外关闭，泵会进入死区。由泵电机散发出来的热量进入LNG储罐，导致其升压。

根据EN13648-3中章节4［1］，泄放压力小于临界压力crit的40%时，储罐的安全泄放量m1按以下公式计算：

m1= 3.6×/

式中:—泄放条件下低温液体的气化潜热；

—泵热功率，电机功率。

2）其他管线的紧急切断阀的开或者关，不会影响到LNG储罐状态，或者至多使LNG储罐与其他设备隔离，根据整站断电的分析，该情况可认为不会导致LNG储罐安全阀泄放。

3.3 循环模式

1）泵池出液管线上的或者加气机中加液管线上的紧急切断阀在加液模式中均处于开启状态，如果这些阀门被意外关闭，泵会进入死区。由泵电机散发出来的热量进入LNG储罐，导致其升压。

计算过程参考3.2.1，得出该情况下储罐的安全泄放量m1。

2）其他管线的紧急切断阀的开或者关，不会影响到LNG储罐状态，或者至多使LNG储罐与其他设备隔离，根据整站断电的分析，该情况可认为不会导致LNG储罐安全阀泄放。

3.4 卸车模式

1）槽车卸车过程中，液体过充是可能发生的情况。如果卸车撬中泄液管线上两个紧急切断阀保持开启状态，则会导致放散管线会排出液体。为控制液体排出，设置了自动液位控制和SIL 3过充保护，降低了达到高高液位的风险。也就是说，整站中所安装的过充保护，可以降低过充风险。即使过充保护失效，也可以通过安全阀来泄放来自槽车泵的介质，将储罐内的压力限制在水压试验压力以下。

泄放量、质量流量mL1按以下公式计算：

mL1=×

式中:—槽车泵流量；

—在槽车泵流量下，及卸车压力下的LNG密度。

2）其他紧急切断阀的开或者关，不会影响到LNG储罐状态，或者至多使LNG储罐与其他设备隔离，根据整站断电的分析，该情况可认为不会导致LNG储罐安全阀泄放。

3.5 调饱和模式

1）泵池出液管线上的或者加气机中加液管线上的紧急切断阀在调饱和模式中均处于开启状态，如果这些阀门被意外关闭，泵会进入死区。由泵电机散发出来的热量进入LNG储罐，导致其升压。计算参考3.2.1，得出该情况下，储罐的安全泄放量m1。

2）其他管线的紧急切断阀的开或者关，不会影响到LNG储罐状态，或者至多使LNG储罐与其他设备隔离，根据整站断电的分析，该情况可认为不会导致LNG储罐安全阀泄放。

3.6 降压模式

LNG储罐气相空间需要降压时，LIN冷凝盘管入口的紧急切断阀、出口的流量调节阀均处于开启状态。

如果这些阀门意外关闭，由于储罐正常吸热，最终可能导致其超压。储罐的蒸发性能m2按以下公式计算：

m2=mP+mT

式中:mp—真空绝热管道的蒸发性能；

mT—储罐的蒸发性能，=V××；

n—LNG储罐有效容积；

—LNG储罐蒸发率；

—对应工作压力的介质调饱和密度。

图1 降压模式流程图

4 火灾伴随真空失效

4.1 通过容器壁单位时间内传导的热量

1）火灾情况下，绝热系统保持全部或部分完好。根据EN13648-3 章节 3.3.1.1［1］，泄放量5按以下公式计算：

5=2.6×(922 -)×5×∑0.82

式中:—对于亚临界液体，为液体在压力下的饱和温度；

5—火灾情况下，绝热系统部分或全部完好，该绝热系统的整体热传导系数；

∑—火灾情况下，剩余完好的绝热材料的平均表面积。

2）火灾情况下，绝热系统完全损坏。根据EN13648-3 章节 3.3.1.2［1］，泄放量6按以下公式计算：

6= 7.1×104×0.82

式中：—内容器的整体外表面积。

4.2 储罐的安全泄放量

根据EN13648-3［1］，火灾温度为649 ℃。多层绝热材料融化温度为660 ℃。由于碳钢融化温度≥1 300 ℃，碳钢外壳保持完好。火灾情况下，外壳温度为640 ℃，而泄放情况下，内容器温度大约为-117 ℃。内、外容器夹层空间多层绝热材料的温度梯度为-117 ℃ 至 649 ℃。因此，火灾情况下泄放量按绝热系统全部或部分完好来计算。

根据EN13648-3章节 4［1］，泄放压力小于临界压力crit的40%，储罐的安全泄放量m3按以下公式计算：

m3= 3.6×/。

式中：=5；

—泄放条件下，低温液体的气化潜热。

5 储罐真空失效

真空失效时，储罐由于吸收环境热量，其压力上升。

5.1 单位时间内通过绝热材料吸入的热量

根据EN13648-3 章节 3.2.2［1］，单位时间内通过绝热材料吸入的热量W7按以下公式计算：

7=(a-)×7×。

式中:a—除火灾外的条件下，最高环境温度；

柱面坐标系中的三个坐标面分别为：以z轴为中心轴的圆柱面(r为常数)，过 z轴的半平面(θ为常数)，与 xOy面平行的平面(z为常数).

—对于亚临界液体，为液体在压力下的饱和温度；

7—大气压力下绝热材料整体热传导系数；

—容器绝热材料的内、外表面积的算术平均值。

5.2 夹层支撑和管道在单位时间内传递的热量

根据EN13648-3 章节 3.2.3［1］，夹层空间内支撑和管道在单位时间内传递的热量W8按以下公式计算：

8=(a-)×(1+2+3+4+……+w)

式中：W—支撑或管道在单位时间内传导的热量，W=λ×S/L；

a—除火灾外的条件下，最高环境温度；

—对于亚临界液体，为液体在压力下的饱和温度；

λ—在和a之间，夹层支撑或夹层管道材料的热传导系数；

S—夹层支撑或夹层管道的截面积；

L—夹层支撑或夹层管道的长度。

除火灾情况，整体传输的热量t=7+8。

根据EN13648-3章节 4［1］，泄放压力小于临界压力crit的40%，储罐真空失效的安全泄放量m4按以下公式计算：

m4= 3.6×/。

式中：=t；

—泄放条件下，低温液体的气化潜热。

6 安全阀尺寸计算

6.1 排气情况下的安全阀尺寸计算

根据ISO 4126-7 章节 5.2［2］，

出现临界介质流。

式中：—泄放压力和温度下的气体绝热指数；

b—安全阀背压；

o—安全阀泄放压力。

根据ISO 4126-7 章节 6.3.1［2］，安全阀泄放面积A按以下公式计算：

式中:m—最大质量流量，m1、m2、m3、m4中的最大值；

—气体特性系数;

dr—安全阀气体排放系数；

o—泄放压力和温度下的比容。

6.2 排液情况下的安全阀尺寸计算

根据ISO 4126-7 章节 6.3.1［2］，安全阀泄放面积A按以下公式计算：

根据供应商提供的安全阀喉径，得出安全阀实际泄放面积。对比上述排气和排液所需的泄放面积，判定当前所选安全阀是否满足要求。

7 结 论

安全阀是LNG加气站安全运行的关键装置，通过分析LNG加气站不同运行模式下可能出现的多种意外情况，计算出所需的安全阀泄放面积，进而选出合适的安全阀。既满足了实际使用需求，也避免了太过保守考虑而导致安全阀选型过大，造成项目成本不必要浪费。

［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

范仲辉（1988-），男，工程师，江苏省张家港市人，2011年毕业于南京林业大学机械设计制造及其自动化专业，研究方向：低温压力密闭容器及LNG加气站设计。

TQ 056

A

1004-0935（2020）11-1386-04