LNG加气站EAG加热器选型分析计算

陕西通源天然气股份有限公司 罗映辉

根据GB 50156－2012《汽车加油加气站设计与施工规范(2014年版)》3.0.12之规定，LNG加气站分为3个等级：一级站的储罐总容积为120 m3＜V≤180 m3，二级站的储罐总容积为60 m3＜V≤120 m3，三级站的储罐总容积为V≤60 m3。

目前分布最广的当属LNG加气三级站。其设计加气规模一般为3万m3/d,主要工艺设备包括LNG储罐、泵橇、卸车增压器、储罐增压器、EAG(Emission Ambient Gas放散气)加热器、LNG加气机、BOG回收橇等。

LNG加气站生产运行中储罐安全阀紧急排放的全部是低温气体(远低于－113℃)。此时天然气的重度大于常温下的空气，排放时不易扩散，会向下积聚。因此需设置EAG加热器，使放散气先通过该加热器，再经过与空气换热后的天然气比重会小于空气，从而通过放空竖管高空排放时不会形成可燃气体蒸气云积聚，即不易形成爆炸性混合物。

因此，EAG加热器是LNG加气站或气化站安全系统的最重要设备之一。它的选型正确与否，关系到LNG加气站在极端条件下(火灾或LNG罐内翻滚)的事故处理能力，一旦选择失误，将可能造成难以挽回的损失。

一般而言，LNG加气站在卸车、加气、储罐超压时只有微量的放散气，且经过EAG加热器后的出口气体温度仅低于环境温度10 K左右。此时，通过放空竖管高位排放的气态LNG非常安全。因此，只有极端条件(火灾或LNG罐内翻滚)才是EAG放散量计算及EAG加热器选型的基础。

不少专家和技术人员在LNG加气站的技术评审会上或是论文中，都质疑LNG加气三级站配置的150 m3/h EAG加热器型号太小，难以满足事故工况下的紧急排放。为此，本文通过某项目实例计算储罐火灾或LNG翻滚2种事故状态下储罐及管道系统的EAG泄放量，再来分析EAG加热器选型。

1 项目概况

某LNG加气三级站的设备配置中，选用1台60 m3低温储罐，罐内LNG密度430 kg/m3，静态日蒸发率0.21%；EAG加热器选用1台150 m3/h，进、出口管路均为DN40(D45 mm×3 mm)，PIR保冷厚度C100。环境最低气温－15 ℃，最高气温43 ℃。

2 事故状况下EAG泄放量计算

2.1 火灾环境

2.1.1 储罐容器安全放散量

低温储罐选用1台60 m3珠光砂填充真空容器，泄放压力为1.44 MPa，珠光砂在常压、77～310 K下导热系数＜0.03 W/m·K，干空气在常压、253～922 K下平均导热系数为0.043 W/m·K，取λ空气=0.043 W/m·K。

根据GB/T 18442.6－2019《固定式真空绝热深冷压力容器 第6部分：安全防护》附录A《罐体安全泄放量和超压泄放装置排放能力计算》A.1.2.2，真空绝热容器的绝热系统完好或部分完好，但夹层真空已丧失，且外部遭遇火灾或922 K高温的情况下，由热壁传入内容器的总热流量H按式(1)、式(2)计算：

式中：H——由热壁传入内容器的总热量，W；

Td——对应于储存深冷介质的内容器或传热构件冷端表面温度，根据GB/T 18442.3－2019《固定式真空绝热深冷压力容器第3部分：设计》附录B《常见冷冻液化气体热力学数据》B.4，在1.44 MPa放散压力下甲烷的饱和温度为157 K；

Uif——在火灾条件下(922 K和1个大气压下)绝热材料总的传热系数，W/ m2·K；

Ar——内容器与外壳面积的平均值，110 m2；

λif——绝热材料在Td与922 K之间的平均导热系数，取两者(气体或空气)之中的较大者，即0.043 W/m·K；

ti——绝热材料的名义厚度，0.24 m。

经计算，由式(2)得出：Uif=λif/ti=0.043/0.24=0.18 W/m2·K，由式(1)得出：H=2.6×(922－157)×0.18×1100.82≈16 898.54 W。

容器放散量的计算公式为：

式中，WS1——容器系统安全泄放量，kg/h；

q——储罐内天然气气化潜热，376.1 kJ/kg。

由式(3)得出：WS1=3.6×16 898.54 /376.1 =161.75 kg/h。

2.1.2 管道系统安全泄放量

根据TSG D0001－2009《压力管道安全技术监察规程-工业管道》附录E《安全泄放装置计算》E1.3.1 (2)管道系统安全泄放量计算如下：

式中：WS2——管道系统安全泄放量，kg/h；

t——泄放压力下介质的饱和温度，根据GB/T 18442.3－2019《固定式真空绝热深冷压力容器 第3部分：设计》附录B《常见冷冻液化气体热力学数据》B.4，甲烷在1.76 MPa放散压力下饱和温度为163 K；

λ——常温下绝热材料的导热系数，W/m·K；

Ar——容器及管道受热面积，m2；

δ——保温层厚度，取0.1 m；

q——气化潜热，安全阀泄放压力1.76 MPa时，取352.4 kJ/kg。

LNG加气站中地下管道大部分型号为DN40，长度约270 m，则Ar=40.7 m2，保冷材料为PIR，λ=0.075 6 W/m·K。代入式(4)，得：WS2=2.61×(650－163)×0.075 6×40.70.82/(0.1×352.4)=56.96 kg/h。

计算表明，储罐容器与管道系统同时处于火灾环境时最大放散量WS=WS1＋WS2=161.75＋56.96=218.71 kg/h，换算为体积量即312.4 m3/h。

2.2 LNG翻滚状态

LNG翻滚对于低温容器而言是另一种极端放散条件。主要原因是向已装有LNG的储罐内充注新的LNG时两者混合速度过快，或由于LNG中的N2(氮气)优先蒸发而使储罐内的液体发生分层。当分层液体之间的温差＞0.2 K，密度差＞0.5 kg/m3时，一般认为发生了分层。LNG潜在翻滚发生前，其气化速率远低于正常值；当翻滚发生时，液体蒸发率剧增。

若LNG中N2含量≥1%、采用立式容器、每天气化量不大且储存时间较长时，翻滚发生的可能性将明显增大。

根据GB 51156－2015《液化天然气接收站工程设计规范》附录A《气体排放量计算》A.0.6中，由翻滚引起的气化量应使用合适有效的数学模型计算，在无数学模型可用的情况下，翻滚时的流量可按式(5)计算：

式中：GB——翻滚产生的气体量，kg/h；

GT——正常蒸发的气体量，kg/h；

V——储罐的有效体积，即设计液位下储罐能储存的液体体积60×90%=54 m3，忽略浸没在液体中构件(如各种管道，内直梯等)所占的体积，m3；

η——储罐的日蒸发率0.21%；

ρ——LNG密度430 kg/m3。

由式(5)计算得出：GB=100×54×0.21%×430/24=203.18 kg/h，换算为体积量即290.25 m3/h。

可见，失火状态下的放散气总量大于翻滚放散气量，应以失火放散气量为最大放散气量WS=218.71 kg/h，换算为体积量即312.4 m3/h。

所以，本站所选择的EAG加热器，必须满足在火灾环境922 K的流量达到218.71 kg/h或LNG翻滚状态下的流量达到203.18 kg/h才是合理的。

下面具体对2种事故状态下的EAG加热器流通能力进行验证。

3 EAG加热器流通能力校验

根据化工部工艺系统工程设计技术规定HG/T 20570.2－1995《安全阀的设置和选用》13.0.4.2及HG/T 20570.6－1995《管径选择》1.0.3，管径的计算公式为：

式中：d——管道内径计算值，mm；

W——管内介质的质量流量，kg/h；

μ——介质在管内的平均流速，m/s；

ρ——介质在工作条件下的密度，kg/m3。

在事故状态下(高温气态)的天然气排放管出口马赫数可取值≤0.5，已知声速为340 m/s，因此出口流速值≤0.5×340=170 m/s。出口流速的具体取值应考虑不同的事故状态，相对于火灾(922 K)状况下的LNG在管道内部的流速、分子剧烈运动的活力，LNG在翻滚状态下的排放速度显然较低。通常，火灾环境下介质在管内的平均流速取100 m/s，翻滚状态下取80 m/s。

(1) 已知火灾环境时放散量W=218.71 kg/h，ρ=0.7 kg/m3，则d=33.2 mm。

(2) 已知翻滚状态下放散量W=203.18 kg/h，ρ=0.7 kg/m3，则d=35.0 mm。

本站所选用EAG加热器(150 m3/h)的进出口的钢管型号均为DN40，内径为39 mm，所以该型号能够满足火灾或LNG翻滚这2种事故状态下事故状态下的天然气排放。

4 结语

国内常见的LNG加气三级站所采用的EAG加热器以150 m3/h型号居多，该型号是指在正常操作条件下，EAG加热器每小时排放气态LNG体积量可以达到150 m3。该型号的进出口管径均为DN40，通过计算可以发现也完全能满足事故状态下需要的排放量。但如果直接将事故状态下EAG流量的计算结果作为EAG加热器选型的依据，就会做出完全错误的判断，导致设备投资加大。

因此，LNG加气三级站采用150 m3/h EAG加热器完全满足规范标准相应的技术要求，同时也符合设备选型的经济合理性原则。