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低温天然气储罐的储存方式及内罐设计

202107-2109:59:27

[一]、低温LNG储罐的储存方式
目前,国内外常用的天然气储罐有常压储存、子母罐带压储存及真空罐带压储存三种方式。采用哪种储存方式,主要取决于储存量的大小。
①真空罐
真空罐为双层金属罐,内罐为耐低温的不锈钢压力容器,外罐采用碳钢材料,夹层填充绝热材料,并抽真空。真空罐是在工厂制造试压完毕后整体运输到现场。
LNG总储存量在1000m³以下,一般采用多台真空罐集中储存,目前国内使用的真空罐单罐容积较大为150m³。真空罐工艺流程比较简单,一般采用增压器给储罐增压,物料靠压力自流进入气化器,不使用动力设备,能耗低,因此国内外的小型LNG气化站基本上全部采用真空罐形式。
②子母罐
子母罐的内罐是多个耐低温的不锈钢压力容器,外罐是一个大碳钢容器罩在多个内罐外面,内外罐之间也是填充绝热材料,夹层通入干燥氮气,以防止湿空气进入。子母罐的内罐在工厂制造、试压后运到现场,外罐在现场安装。
储存规模在1000m³到5000m³的储配站,可以根据情况选用子母罐或常压罐储存,由于内罐运输要求,目前国内单台子罐较大可以做到250m³,采用子母罐的气化工艺流程与真空罐大致相同,由于夹层需要通氮气,装置中多了一套液氮装置。
③常压罐
常压罐的结构有双金属罐,还有外罐采用预应力混凝土结构的;有地上罐,还有地下罐,20000m³以下的多为双金属罐。
常压罐的内外罐均在现场安装制造,生产周期较长。
LNG低温常压储罐的操作压力为15KPa,操作温度为-162℃,为平底双壁圆柱形。其罐体由内外两层构成,两层间为绝热结构,为保冷层。内罐用于储存液化天然气,而外壳则起保护、保冷作用。为了减少外部热量向罐内的传入,所设计的内外罐是各自分离的。罐项是自立式拱顶,内罐罐项有足够的强度及稳定性以承受由保冷材料等引起的外部压力和由内部气体产生的内部压力。
焊 接绝热气瓶
储罐采用珠光砂为保冷材料,并充入干燥的氮气,保证夹层微正压,绝热材料与大气隔离,避免了大气压力或温度变化的影响以及湿空气进入内、外罐间保冷层,增加了保冷材料的使用寿命,保证和提高了保冷材料的使用效果。在设计和制造绝热结构时,注意采用防潮措施。
通过技术经济比较,低温常压储罐方案的一次性投资低于子母罐的方案,但运行费用低温常压储罐方案远高于子母罐的方案。
虽然低温常压储罐方案的一次性投资低,但方案中存在以下问题:
①低温常压储罐适用于液化厂和接收终端站
通常在液化厂和接收终端站均采用低温常压储罐,这是由于接收终端站内的LNG储罐容积均很大(单罐容积大于5万m³),其它形式的储罐无法做到,接收的液体是由LNG槽船运来,LNG槽船上的储罐也是低温常压形式,压力变化不大。而且在接收终端站内设有BOG的冷凝装置,可以将BOG再变成LNG。
液化厂内由于有液化手段,储存期间产生的BOG可以变成气进行液化,故采用低温常压储罐,其BOG蒸发量的多少对其影响不大。
由于本站使用的LNG均由汽车槽车运来,槽车中的LNG均带有压力,卸入到低温常压罐中会产生大量的气化,产生大量BOG气体。而且由于BOG为常压气体,BOG压缩机的投资和运行费用高。LNG泵的运行费用亦增加。
②低温常压储罐系统复杂
低温常压储罐即要考虑储罐的超压问题,又要考虑储罐的抽空(形成负压)问题,需要有补气措施,所以储罐上要设有多个进口的低温调节阀、呼吸阀等。储罐顶部还要设自动干粉灭火系统、起吊装置。
由于低温常压储罐一般工作压力为15KPa,为维持此压力,储罐的压力调节阀需要经常开启,BOG气体回收到液化工段或至站内火炬燃烧掉。
本站没有此部分设施,若采用低温常压罐,只能将部分BOG压缩至管网输送,其余均要放散掉,既造成浪费又污染环境。或者在站内建设一座比较的BOG储罐进行BOG的储存,这样一来势必要增加很大的一笔投资。
③需要设置LNG泵,对LNG泵要求高
由于低温常压储罐储存的液体不带压力,为满足LNG泵的净正吸入压头,储罐的基础(高架式基础)要提高。而且为防止发生气蚀,LNG泵的进液管要考虑采用真空保冷管。
④施工周期长,检修较为困难
常压罐的内外罐均在现场安装制造,生产周期较长。如果储罐发生故障,需要全部停产检修。
[二]、天然气储罐的内罐设计
液化天然气储罐内罐设计应用的标准为API620附录Q。内罐是整台低温储罐的核心,也是设计的。
一、静力设计
液化天然气储罐内罐筒体的高度应考虑满足储罐的设计容积(设计液位),同时应当考虑由于泵吸入口高度造成一部分液态LNG存留于内罐中所占据的高度,以及针对造成液面晃动预留出的顶部空间。
不锈钢内罐壁板设计的厚度应满足下列要求:
(1)相当于液态LNG设计液位的液柱压力;
(2)相当于液态LNG设计液位的液柱压力1.25倍的水压试验压力。
由于内罐为开口结构,内罐两侧所受到的气相压力大小相等,因此在内罐壁厚的计算中无需考虑蒸发气体压力。
二、筒体压缩
筒体底部的较大纵向压缩力可以根据API620附录L5.2计算,结果需满足API620附录L5.3筒体较大纵向压应力要求。
三、抗震设计
天然气储罐内罐抗震设计采取预埋锚固带,以抵抗由于产生的倾覆力矩。应在水压试验过程中进行内罐锚固带与内罐壁板的焊 接,而在气压试验过程中完成外罐锚固带与外罐壁板的焊 接工作。
四、抗倾覆计算
储罐可以由罐体重量和储存液体的重量来确定壳体底部的抗倾覆力矩,通过比较计算结果是否满足API620附录L4.1及L4.2来判断储罐是否需要采用锚固带解决。对于非锚固带设计的储罐,可以利用壳体下提升基础底板宽度的这部分介质来抗倾覆。
五、液体晃动值计算
由造成液体晃动的高度值可以由API620附录L8计算得出,将该计算结果加上较小为1英尺的数值作为内罐高度的预留液体晃动高度值。
六、吊顶设计
吊顶设计应考虑吊顶自身重量以及覆盖在吊顶上的保冷材料、接管套筒、压力平衡孔的重量和施工中的临时载荷。由于储罐在常温状态下安装,因此吊顶上接管开孔与接管应当偏心布置,以补偿由于温度变化造成的吊顶甲板收缩量,否则可能会由于甲板收缩与接管产生碰撞,造成吊顶甲板或接管变形。
七、接管设计
接管的设计除了要满足工艺要求外,还应考虑到在储罐气体置换及预冷过程中需要配置的一些临时接管。