LNG接收站储罐区集液池的设计

高晓劝

（中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

1 LNG储罐泄漏风险识别

通过对LNG罐区的危险性分析，LNG储罐及储罐区的潜在风险主要有储罐的全面破裂泄漏、罐顶全面失效、罐顶安全阀泄漏火灾分析、LNG储罐输入/输出管线泄漏分析四个方面。

根据荷兰CPR紫皮书，储罐的全面破裂和罐顶全面失效发生的推荐概率为1×10-8，管线全破裂失效概率推荐值为5×10-7，都可认为是可忽略概率。压力释放装置排放高度确定时，已考虑热辐射的影响。因此，仅考虑LNG进出口管线发生泄漏时的泄放量。

NFPA—59A—2019对于管道的设计溢出量的要求见表1，考虑50mm孔径下对应的泄漏量。依据《石油天然气防火规范》要求，集液池用于收集管道、阀门等处泄漏事故中泄漏的液化天然气，拦蓄区用于收集储罐破裂等重大泄漏事故中泄漏的液化天然气。接收站LNG储罐多采用全容式混凝土顶储罐，全容罐能够有效地防止罐内的LNG泄漏，因此LNG储罐不需要考虑拦蓄堤，故储罐区集液池仅考虑进出料管道发生泄漏LNG的收集。大尺寸管道发生全破裂的概率依据HCRD和OGP数据库为不可置信的场景，故此处不考虑管道全破裂工况。因此需要在接收站设备设施设计、采购、安装、运行、维护的全生命周期内加强机械完整性管理，提升企业的过程管理水平，尤其是特别关注管径较大的长管线的设备完整性管理。

表1 设计溢出

相比较于相关文献报道的采用卸船管线全破裂场景下LNG的泄漏量，集液池的容积按照蒸发后剩余的LNG存量进行设计，该文献认为该场景下泄漏的LNG大部分蒸发，但是大量的LNG气化后的造成的后果影响并没有在设计中进行考虑。

2 集液池设置的原则

集液池的设计容积要遵循：①管道的泄漏量考虑50mm孔径下，10min的泄漏量和管道存量的总和；②考虑集液池所在区域内管道的最大一处可能泄漏量；③LNG泄漏时消防泡沫的量和该区域可能发生的雨水量的总和。

LNG泄漏收集系统采用收集盘收集LNG，同时采用导流管或导流沟控制地面或平台上泄漏的大面积LNG流淌，将LNG集中收集通过露天的导向管道导流到集液池中，避免在地面形成蒸汽云的流动层，在集液池中使用高倍数泡沫覆盖，进一步降低了火灾或爆炸的可能性。集液池事故工况下收集的LNG依靠物流蒸发的方式排出。

集液池内LNG的蒸发热量来源有3个方面，分别是地面热传导、空气对流传热和辐射热。

1）热传导：由于LNG和混凝土地面存在较大的温度差，液池汽化的热量主要来自于其覆盖的地面。LNG液池的热通量既与地面温度有关，又与LNG沸腾形式有关，包括核沸腾、膜沸腾和过渡沸腾。

LNG 与地面发生热传递，蒸发量计算方法：

式中，Sc为空气的施密特常数；μa为空气的动力黏度，ρa为空气的密度，Dac为空气的扩散系数；Ua为10高度处环境的风速；ΔHv为特定温度下的蒸发潜热；Mc为泄漏LNG的分子量；Pv泄漏液体的饱和蒸气压；R为气体常数。

2）空气对流传热：空气对流传热的作用是使气云垂直抬升，该空气来自于大气和液池界面之间的摩擦层。当风速足够大时，空气进入摩擦层并使空气和低温气云混合。相对于补充的空气，LNG气云的温度较低，空气释放凝结潜热，导致气云温度稳步上升。

对流传递热量计算公式为：

式中，λa为空气的热传导系数；r为液池在某时刻液池扩展的半径；L为液池的直径；Nu为Nussel常数。

其中，Pr为普朗特常数，；Re为雷诺数，；Cpa为空气比热容，μa为空气黏度。

3）辐射热（含太阳热辐射和长波热辐射）：辐射传递热量分为两部分，一部分为太阳辐射Qsolar，一部分为长波辐射Qlong。

式中，Sr为热通量；ε为液池释放系数，0.095；σ为史蒂芬-波兹曼常数。

研究表明，太阳辐射热及长波辐射热对液池温度和热量传递的贡献较小，在计算过程中将其忽略。

3 计算模型的选择

3.1 LNG集液池蒸汽云扩散要求

扩散隔离区边界的空气中气体平均浓度不应超过甲烷爆炸下限的50%。集液池天然气蒸气云扩散隔离区边界不应超出站场围墙，站场重要设施（发生火灾时，影响火灾扑救或可能造成重大人身伤亡的设施，如集中控制室、装车控制室、办公室等人员较为集中的场所）不应设置在液化天然气蒸气云扩散隔离区内。气象条件按帕斯奎尔大气稳定度F（Pasquill）及2m/s风速计算。

3.2 LNG集液池热辐射要求

LNG一旦泄漏通过收集盘、导流沟收集进集液池，遇点火源引燃迅速发生回火，形成集液池火灾，周围的人员、设备和建筑物都可能收到热辐射的影响，根据《石油天然气设计防火规范》，集液池到液化天然气站场内外活动场所、建（构）筑物的隔热距离需要满足要求。计算集液池池火灾热辐射值时，需采用液化天然气燃烧的热辐射计算模型确定；燃烧面积应按集液池内全部容积的表面积确定；集液池内壁至液化天然气站场内设施隔热距离不应小于15m。需要特别提出的是当集液池毗邻无建、构筑物的海域时，隔热距离可 不做限制。

3.3 热辐射计算天气条件的选择

站场区域出现频率大于或等于5%的风速、环境温度、相对湿度、大气稳定度等气象条件等因素。

4 工程实例

4.1 工程概况

当地气象条件资料：年平均温度20.3℃，极端最高37.4℃，极端最高0.9℃；年平均相对湿度80%；日照辐射强度0.5kW/ m2；年平均风速6.6m/s，最大风速44m/s。

LNG组成：以含甲烷99.84%的贫液进行计算。

4.2 泄漏量

泄漏量按照低温罐内泵出口管道发生泄漏时的泄漏质量进行计算，泄漏量为34.2kg/s，集液池的容积需要考虑10min的泄漏量、相连管道容积以及消防泡沫雨水的容积之和，因此确定罐区集液池的容积为90m3。

4.3 蒸汽云扩散及热辐射计算

运用Phast软件计算罐区集液池池火的危害影响距离见表2。

表2 罐区集液池热辐射范围计算表

由表2可以看出，风速越大热辐射的影响范围越大，同等风速条件下，大气稳定度不同，对热辐射影响范围没有变化，因此进行接收站热辐射计算时，需要考虑该区域出现频率大于或等于5%的风速下的最大影响范围，避免选用计算最大风速下的热辐射影响范围，造成过度设计。

风速越大蒸汽云扩散的影响距离越大，同等风速下，大气稳定度越稳定，越不利于可燃气云的扩散，蒸汽云扩散的影响距离越大。以上各种工况，在2F的天气下，蒸汽云影响范围最大。

接收站选址及总平面布置时，结合集液池的热辐射距离及蒸汽云扩散的安全距离进行设计，为接收站设计提供依据，能有效降低事故风险。

5 结语

1）参考NFPA—59A—2019及GB 50183，集液池有效容积考虑50mm可置信孔径下，10min的泄漏量进行计算。

2）大气稳定度越稳定，蒸汽云扩散的影响距离越大，2F天气条件下的影响范围最大。

3）风速越大，集液池的热辐射影响距离越大，进行接收站热辐射计算时，需要考虑接收站所在区域出现频率大于或等于5%的风速下的影响范围，避免过度设计。

4）在工程设计及运行中，应加强对LNG管道完整性管理，定期对LNG管线状况进行检查，防止因腐蚀、意外碰撞等原因造成的管线断裂。

5）严格控制点火源，加强LNG接收站安全检查及监管，避免发生火灾爆炸的事件发生。