液化烃码头集液池设计的若干问题探讨

曾春雷，梅洛洛，洪雷，胡兴乔

（1.交通运输部水运科学研究院，北京 100088；2.舟山市港航事业发展中心，浙江 舟山 316000；3.中化兴中石油转运（舟山）有限公司，浙江 舟山 316022；4.北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035）

1 研究背景

我国LNG 码头建设至今，已有近20 年的建设工程经验，大部分工程问题已得到解决[1]。2020年1 月1 日，JTS 158—2019《油气化工码头设计防火规范》实施。该规范第6.1.3 条首次提出液化天然气和低温液化烃码头应设置紧急泄漏收集池。因此首先要确定的关键问题包括[2]：1）集液池容积要设多大；2）集液池设计位置、容积、开口尺寸有何关系，如何确定集液池容积和长宽高。

这些问题，即使在集液池应用较为普遍的液化天然气码头中，依然没有达成共识[3]。现有的和在建的液化天然气码头，集液池尺寸和容积各不相同[4]。

LNG 码头通常靠泊的主力船型为17.4 万m3，卸料臂主流尺寸为406.4 mm（16"），但不同码头的集液池容积差别巨大（集液池最大容积比最小容积多出了36%）。部分码头集液池容积差别不大，但开口尺寸差别很大。LNG 码头集液池设置位置各有不同，如：设置在工作平台后沿、靠船墩后沿、系缆墩后沿等处[5]。同时对集液池容积、开口大小、集液池位置设计不同，考虑因素各异。这些问题的确定，可为码头结构形式选择提供依据[6]。

2 国内外研究现状及研究问题细化

通过调研现有国内外设计建设标准及行业内不同设计院的设计思路，将LNG 码头集液池容积设计中，需要考虑的因素归纳如下：

1）GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》第B.0.3 条“设置集液池的工艺区域泄漏量，应按某单一泄漏源10 min 内最大可信泄漏量计算”。

2）GB/T 20368—2012《液化天然气（LNG）生产、储存和装运》第5.2.2.2 条“气化区、工艺区或LNG 转运区的拦蓄区，最小容积应等于任一事故泄漏源，在10 min 内或在主管部门认可的证明监视和停车规定的更短时间内，可能排放到该拦蓄区的LNG、易燃制冷剂和易燃液体的最大体积”。

3）国外最新规范NFPA59A—2019《Standard for the Production，Storage，and Handing of Liquefied Natural GAS（LNG）》要求口径大于DN150 的工艺管道的泄漏量计算泄漏口径取为50 mm。

4）AQ/T 3046—2013《化工企业定量风险评价导则》中给出中孔泄漏的代表口径为25 mm。

5）卸料臂泄漏时按1 min（ESD 系统在1 min内完成关断）泄放时间考虑[4]。

6）在计算集液池收集量时，国内某设计院按码头第1 道紧急切断阀关闭后，最大液相管道内残液全部泄漏进行计算。

从调研结果看，集液池容积计算主要有两类方法：一类是基于事故情景的泄漏模拟计算。泄漏事故情景主要考虑25 mm 或50 mm 的泄漏口径、1 min 或10 min 泄漏时长。另外，泄漏量还与泄漏点的液体压力有关。目前，泄漏点压力主要考虑0.33 MPa 和0.28 MPa 两种情景。另一类按照码头第1 道紧急切断阀关闭后，最大液相管道内残液全部泄漏计算。

在集液池容积确定后，集液池设置位置需满足GB 50183—2004《石油天然气工程防火设计规范》第10.3.4 条“热辐射量达30 000 W/m2界线以内，不得有即使是能耐火且提供热辐射保护的在用构筑物”的要求。即需要控制集液池池火对码头控制室、雨淋阀室、变配电间及机柜间的热辐射影响[7]。另外，根据工程经验，集液池开口尺寸对池火热辐射覆盖范围影响大。有必要深入探讨集液池设置位置（与码头控制室的安全距离）与集液池开口尺寸之间的制约关系。

3 研究思路

通过上述分析，给出集液池容积设计的两条路线：1）基于事故情景下泄漏量模拟计算路线（简称“路线一”）。即对各可能泄漏口径、泄漏时长、泄漏点压力进行穷举计算泄漏量值。2）基于最大液相管内残液量计算路线（简称“路线二”），即对各码头第一道紧急切断阀设置位置、液相管尺寸进行穷举计算液相管道内的残液量。具体技术路线见图1。

图1 集液池容积研究的技术路线图Fig.1 Technical roadmap for volume study of impounding basin

为研究集液池设置位置与开口尺寸之间的制约关系，给出技术路线见图2。通过穷举所有可能的集液池尺寸，并计算其对应的热辐射范围，最后通过对比分析选出合理可行的开口尺寸。以上两技术路线中，泄漏量、集液池热辐射计算，需要运用模拟软件迭代试算求解。

图2 集液池开口尺寸与设置位置研究的技术路线图Fig.2 Technical roadmap for study on opening size and position of impounding basin

4 算例验证

以某港LNG 码头为例。该码头设计主力船型为17.5 万m3船舶，可靠泊8 万～26.6 万m3船舶，泊位长为395 m，采用蝶形布置。卸料臂尺寸为406.4 mm（16"），码头卸料臂处泄漏压力考虑0.33 MPa 和0.28 MPa 两种。建设方案中卸料总管考虑3 种常用尺寸965.2 mm（38"），1 016 mm（40"），1 066.8 mm（42"）；第一道紧急切断阀位置（与卸料臂接口距离）考虑比选3 种情况30 m、40 m、50 m。集液池开口尺寸（长×宽）考虑比选常见的3 种方案5 m×5 m，6 m×6 m，8 m×5 m。

集液池容积研究迭代试算的方案归纳见表1。

表1 集液池容积研究中需要迭代试算的方案Table 1 Iterative trial scheme in volume study of impounding basin

集液池开口尺寸与位置研究中，集液池开口尺寸按5 m×5 m，6 m×6 m，8 m×5 m 进行迭代试算。

本文选用TNO ETTECTS 软件进行计算。该软件成熟，结果可视化程度高[8-11]。

4.1 模型计算结果

运用TNO ETTECTS 软件，对表1 中路线一的试算方案进行泄漏量计算，结果见表2。

表2 采用路线一的泄漏量计算结果Table 2 Result of leakage calculation of Route I

对表1 中路线二的试算方案进行液相管道内残液量计算，计算结果见表3。

表3 采用路线二的液相管道内残液量计算结果Table 3 Calculation result of residual liquid volume in liquid product pipeline of Route Ⅱ

运用TNO ETTECTS 软件，对不同集液池开口尺寸试算方案进行热辐射计算，结果见表4。

表4 集液池开口尺寸试算方案的热辐射计算结果Table 4 Thermal radiation calculation results of trial calculation of opening size of impounding basin

4.2 计算结果分析

表2 和表3 计算出了集液池需要收集的LNG 量。进一步，根据中国石油企业标准Q/SY 06043—2021《液化天然气泄漏收集系统设计技术指南》要求，集液池容积还需考虑1 h 最大降雨量和1 m深高倍数泡沫量。经统计，该地区小时最大降雨量为7.93 mm。

分析表2 可知，泄漏口径考虑25 mm 时，各种方案下的LNG 泄漏量加上小时最大降雨量和1 m 深高倍数泡沫量，均远小于LNG 码头集液池常规设计容积。泄漏口径按25 mm 考虑，计算出的泄漏量偏小，得不到工程可接受结果。

分析表2 可知，泄漏口径考虑50 mm、泄漏时长考虑1 min 时，各方案下的LNG 泄漏量加上小时最大降雨量和1 m 深高倍数泡沫量，均远小于LNG 码头集液池常规设计容积。泄漏口径考虑50 mm、泄漏时长考虑1 min 时，计算出的泄漏量偏小，得不到工程可接受结果。

分析表2 可知，泄漏口径考虑50 mm、泄漏时长考虑10 min 时，不同泄漏点压力条件下，泄漏量计算结果相差不大，且接近LNG 码头集液池常规设计容积（表1），各试算方案计算结果均可满足工程要求。

分析表3 可知，卸料液相总管尺寸不同、第一道紧急切断阀位置不同，液相管道内残液量不同。其加上小时最大降雨量和1 m 深高倍数泡沫量均不超过LNG 码头集液池常规设计容积（表1），均可满足工程要求。

进一步分析表3 可知，第一道紧急切断阀设置位置很大程度上影响液相管道内残液量计算结果。对比表2（技术路线一），表3（技术路线二）计算结果差异较大。故针对集液池容积计算，本研究推荐采用如下泄漏场景：泄漏口径取50 mm、泄漏时长取10 min、泄漏点压力取0.33 MPa。

分析表4 可知，集液池开口尺寸对池火热辐射覆盖范围的影响较大。开口尺寸越大热辐射影响范围越大。当热辐射覆盖范围接近或超过码头控制室等时，该集液池设置位置或集液池开口尺寸不可接受，需要调整位置或开口尺寸。因此，集液池设置位置（与码头控制室等的距离）、开口尺寸是2 个耦合变量，设计时需要统筹考虑。

5 结语

本文针对码头集液池容积、开口尺寸、设置位置的设计难题开展研究。结合国内外标准规范及不同设计人员的做法，给出了对比研究的技术路线和求解方法。结合现有工程实践经验得出如下结论：

1）针对集液池容积计算，本研究推荐采用的泄漏场景为：泄漏口径取50 mm、泄漏时长取10 min、泄漏点压力取0.33 MPa。

2）集液池设置位置（与码头控制室等的距离）、开口尺寸是2 个耦合变量，设计时需要统筹考虑。

通过对工程实践案例的剖析，验证了本研究路线和方法的可行性，为国内其他液化烃码头集液池设计提供有益的借鉴和参考。