大中型LNG儲罐的應用及適用規范的探討

  一、大中型LNG儲罐在國內應用概況
    目前的國內(含國外引進技術建造)的大型儲罐容量規格為300-500m3至10-20多m3。
  目前沿海一帶的進口LNG接收站配套的大型LNG儲罐一般為10萬一至20萬m3，甚至更大。儲罐一般為常壓全容罐或薄膜罐。此規格的大型儲罐目前完全依賴國外進口技術及國內大型工程集團公司承建。如：中海油在寧波的三座16萬立方米混凝土全容罐為中集安瑞科TGE與中國成達工程公司組成的聯合體承建。
  而國內陸上大型儲配站、調峰站、LNG液化工廠配套的LNG儲罐一般規格為4000-5000m3到2-3萬 m3LNG常壓單容罐或600—3000m3LNG帶壓罐。對于4000-5000m3到2-3萬m3常壓單容罐，此規格范圍的常壓儲罐經近幾年國內自主研發或引進技術等方式，包括設備內外鋼板及絕熱材料、現場安裝質量控制、進液調試等方面都已成熟，目前已基本能實現國產化。
  本文以下重點介紹的內容就針對陸上幾百到幾萬立方配套LNG液化工廠、大型儲配站或調峰站的大中型壓力罐及常壓單容罐。
  二、大中型LNG儲罐的壓力劃分
  根據LNG的儲存壓力高低(一般按工作壓力 O.1Mpa)劃分為帶壓儲罐和常壓儲罐。兩種不同壓力等級的儲罐各自的使用范圍有一定的差別。目前，較大容量的LNG壓力罐常見類型或組合方式為：1)LNG帶壓子母罐2)LNG真空罐群3)LNG帶壓球罐等。以上3種類別的LNG帶壓罐多用于LNG城市調峰站(配套下游用氣管網)及大型工業用戶。
  三、大中型LNG儲罐的T程應用實例
    根據不同液化工藝流程的壓力要求，配套液化工廠的儲罐有常壓罐和壓力罐。目前大部分的液化工廠配套的是常壓罐。但也有少量的液化工廠配備壓力罐，如重慶民生燃氣石柱黃水5萬方／天液化工廠配套600m3LNG帶壓子母罐；內蒙古鄂托克前旗15萬方／天液化工廠配套1750m3LNG帶壓子母罐。而大部分的城市調峰站選用的是壓力罐。但也有少數的城市調峰站選用的是常壓罐，如合肥城市調峰站配套的是4500m3LNG常壓罐。
    幾種類別儲罐的分類使用實例見表1：
    四、大中型LNG壓力罐的優缺1占111比較
    對于600-3000m3容積范圍的LNG帶壓儲罐，其壓力等級一般在O.5-0.8Mpa之間，可滿足絕大部分的工藝要求。在600-3000m3的容積區間，由于容積量相對較小，設備成本一般，較多的配置在一些小型液化工廠、調峰站、衛星站等工程中。此容積范圍儲罐常采用子母罐、真空罐群以及帶壓球罐等幾種方式儲存較為合理。對于子母罐來說，單個子罐一般為150m3、200m3、250m3，單臺子罐最優配置個數為3個、4個、7個、10個、12個。對應的子母罐容積規格在600-3000m3之間。低于或超過這個容積區間，都不經濟。對于帶壓球罐，這也是合理的容積范圍。真空罐的單臺容量一般為lOOm3-200m3之間，常見組合為4-12臺偶數組合。
    在帶壓子母罐、帶壓球罐、真空儲罐群之間，各自的優缺點分析如下：
    ①帶壓球罐的優勢是占地省，設備成本較低，配管簡單；缺點是現場施工工作量大，難度高。而且單臺球罐不能勝任同時進液、對外排液的連續作業工況。
    ②帶壓子母罐卻與之相反，優勢是單臺子母罐可以進行內部分組使用，l臺可當2臺使用，占地省；缺點是成本較高，內部配管復雜漏點多。
    ⑨真空罐群的優勢是組合或拆分性好，獨立性強，現場施工工作量小。缺點是占地面積大，外部閥門及配管多，操作復雜，價格無明顯優勢。
綜合以上分析，我們在選擇帶壓儲罐時需要多方面進仃比較選擇。
五、大中型LNG常壓儲罐的結構差開
    在結構方面，由于罐體直徑與容量的關系，一般在5000-6000m3以下規格常采用內外罐體自支撐雙拱頂結構，即內外罐體及夾層絕熱空間是相互獨立的，設備內罐承受主要的氣相壓力及液柱靜壓，外罐幾乎不承壓。而在10000ma及以上規格均采用內懸項外拱頂的結構，內罐氣相空間與夾層空間相通，內罐僅承受液柱靜壓，外罐承受氣壓。
  六、大中型LNG常壓儲罐的設計標準探討及低溫泵設置方式
    由于常壓罐自身氣相壓力的限制，常壓罐對外排液裝車或氣化進管網，都需要配置低溫泵進行增壓排液。對于低溫泵的設置，目前國內常見的有罐內潛液泵(管頂部出液)和罐外泵(罐底部或底側部出液)兩種方式。仔細分析目前現有的國內外相關規范，對此問題也可有不同的解讀方式。
    1．國內標準
    嚴格意義來講，對于適用于一100~C以下的冷藏液體(如LNG、LOX、LIN、LAr等類別的深冷介質的大型常壓儲罐，國內尚無針對性的設計標準和適用規范。目前國內的相關標準均是根據國外標準進行的翻譯、轉化。與此相關的標準有：
    ①NB／T47003．1-2009《鋼制焊接常壓容器))(原 JB4735-1997)
    此標準為能源部推薦標準，對于(翎制焊接常壓容器》標準，無論是新版NB／T 47003．1-2009還是舊版JB4735-1997，都不適用于-100~C以下的冷藏液體儲罐的設計、建造。
    ⑦SYT 0608-2006  鈦型焊接低壓儲罐的設計與建勘
    此規范為石油天然氣行業標準，是根據美標 APl620-2002(伏型低壓焊接儲罐設計與建造》為原版的翻譯修編版。此標準中的附錄Q適用于金屬溫度不低于-168"C的液化烴低壓儲罐，可用于LNG常壓儲罐的設計參考。此規范中沒有明確規定大型儲罐的開孔設置要求。
    ③GB／T 22724-2008  賊化天然氣設備與安裝陸上裝置設啪此規范是根據歐標EN 1473—1997為原版的翻譯修編版。此規范適用范圍涵蓋總儲存能力在200t(約450m3)以上的LNG衛星站。此規范相關章節明確規定儲罐的管壁或罐底不能開口且使用潛液泵。
    對于此標準的此條款要求，個人理解是不妥當或不嚴謹：
    首先，此標準為國家推薦適用性標準，并不是針對LNG儲罐的結構設計及制造的專業規范，不應對儲存容器的結構設置等內容作出過于“武斷“的限定。
    第二，此標準中對總儲存能量超過200t的描述中未限定是單臺儲罐容量。試想，若一個儲存總量為600m3(4：Icl50m3)的LNG衛星站，容量設置滿足此規范要求，能按此標準要求采用潛液泵?顯然是不可能的。
    第三，對于大部分實際工程項目，LNG進口潛液泵(國產產品性能不過關，一般選用進口產品)的價格占儲罐本體造價的60～70％甚至更高，對于容量小于2～3000m3的LNG常壓儲罐，潛液泵的價格都超過儲罐本身的價格，顯然不具備合理的經濟適用性，也與編制標準規范促進行業的健康發展的意愿相悖。
    ④GBT20368-2006轍化天然氣(LNG)生產、儲存和裝運》
    此規范是美標NFPA 59A一2001的翻譯版本。對于大型儲罐的開孔設置，此標準中有提及頂部開孔及側壁開孔的相關內容。
    此標準中內容有“儲罐排液口低于液面”和“不低于液面排液口”的描述。表明此規范允許有液面以下的底開孔。同樣美標NFPA 59A-2001中對應章節中有類似的描述。因此，設置罐外排液泵是符合本標準要求。
    2．國外標準
    ①美標：美國石油學會APl620-2002(伏型低壓焊接儲罐設計與建勘
    此標準適用于儲罐金屬溫度不超過250。F(121℃)和罐內氣體或蒸汽空間不超過151bf／in。表壓(0．1MPa)的儲罐設計。此標準的附錄Q以API 620標準要求為基礎，適用于儲裝液化乙烷、乙烯和甲烷儲罐的材料、設計和制造的要求。所有其他API 620標準的要求均適用。此規范中沒有明確規定大型儲罐的開孔設置要求。
    ②歐標：歐盟標準ENl4620-2006(段計和現場建造立式、圓筒形、平底、鋼制、操作溫度介于O0C-1650C的冷卻液化氣儲錨)
    根據國家相關標準技術工作組的安排，原計劃2008年制定國家標準(操作溫度O0C-1650C儲存冷凍液化氣的立式圓筒平底鋼質儲罐設計與現場建造》(等同采用歐洲標準ENl4620-2006)，但到目前仍未推出。
    此標準的初稿版中有如下界定：儲罐****設計壓力限于500mbar。對于較高的壓力，可參考其他相關標準。需要儲存的氣體，其操作范圍應介于O0C-1650C 之間。不含儲存液化氧、氮和氬的儲罐。罐內應儲存的代表性產品有：  甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁二烯(此范圍包括液化天然氣和液化石油氣的產品)。
    此標準中，對儲罐的開孔設置有明確的規定要求：
    以上要求非常明確注釋到：如設置了可靠的遠程切斷及相應的開孔補強措施，是可在儲罐底部開孔的。因此，設置罐外排液泵是符合本標準要求的。
    鑒于以上情形，目前國內的大型LNG常壓儲罐(包括同類別的空氣分離產品的深冷介質)大部分按照或參照上述的美標APl620或歐標ENl4620進行設計、建造。
    在實際工程項目中，一般在超過10000m3及以上規格的儲罐中，采用的是頂部開孔，設置2臺(1用1備)內置式潛液泵。而在10000m3以下規格的常壓儲罐設置的是底部開孔，相應的配備的是2臺罐外低溫泵。同時在此類儲罐內部設置了可遠程控制的內置式緊急切斷裝置，且設置了專門的補強結構，符合規范要求。
    雖然在常見的間歇性使用工況條件下，罐外泵較內置潛液泵有預冷時間長、預冷氣化損失大(可回收)
的不足，但對實際工況的操作和成本影響是不大的。相反，罐外泵具備維護方便；價格優勢明顯(同樣是進口品牌的罐外輸送泵價格是潛液泵的十分之一)：交貨期短(能有效縮短項目建成周期)的巨大優勢。
    ③其他國家標準：
    如日本燃氣協會(JGA)制定的LNG儲罐及設計設計與建造規范，國內外引用或參照的較少，在此不作討論。
    作者簡介：何江山，男，畢業于四川大學化工機械專業，工科本科學歷，工程師，現任張家港中集圣達因低溫裝備有限公司工程業務部經理。何江山先生在低溫壓力容器行業具有近12年的技術設計和商務管理經驗，尤其擅長大型低溫容器、低溫工程成套類項目的技術設計、工程預算和商務管理。其參與設計、管理的大型低溫容器和低溫工程項目的產品主要介質為液化天然氣、液氧、液氮、液氬類等深冷液體。何江山先生曾多次主持和參與城市LNG調峰站、LNG氣化站、LNG加氣站等工程類項目的技術及商務管理相關工作，對燃氣類項目工程具有較深刻的認識。