LNG接收站LNG储罐泄漏收集系统研究

（新奥（舟山）液化天然气有限公司，浙江 舟山 316000）

摘 要：LNG储罐泄漏收集处理系统是LNG接收站工艺安全中非常重要的一部分，特别是青岛输油管道爆炸事故发生后，更应重视LNG泄漏收集处理系统的设计。本文对LNG储罐罐顶泄漏收集处理系统的主要技术参数进行了研究，包括LNG收集区域围堰高度，雨水分离池原理，LNG收集池尺寸，结合实际工程案例，在理论上进行了总结与提高，研究结果对于同类LNG接收站的LNG储罐泄漏收集处理系统的设计和配置，能起到一定的指导和借鉴作用。

 关键词：液化天然气；接收站；LNG储罐；泄漏；工艺安全

引 言

国内LNG接收站自2006年广东深圳大鹏LNG接收站项目正式投产以来，中国沿海LNG接收站建设进入高峰期，目前已经投产LNG接收站22座，投用的16万方及以上容积的全包容LNG储罐约70座，大型LNG储罐泄漏收集处理系统是LNG接收站工艺安全中非常重要的一部分，落实工艺安全的重要举措就是要从源头—设计出发，预防事故的发生。回顾青岛2013年11月22日东黄输油管道泄漏爆炸特大事故，油气管道与排水暗渠交叉布置不合理，油气管道与排水暗渠交叉布置不合理，输油管道在排水暗渠里悬挂架设，存在原油泄漏进入排水暗渠的风险。

LNG储罐罐顶以及罐底的操作平台有一些流量计，泵盖，泵接口，阀盖等采用法兰连接，存在泄漏的风险。LNG泄漏后有低温、窒息、易燃易爆、火灾等危险性，特别是LNG泄漏到雨水系统将造成重大安全事故。因此，吸取东黄输油管道泄漏爆炸事故的经验教训，如何收集并有效控制可能产生的LNG泄漏、防止泄漏事故扩大化，对保证LNG接收站安全运营具有重大的实践意义。

1  LNG泄漏扩散规律

LNG泄漏发生后，LNG的扩散取决于泄漏处的工艺参数，即泄漏时的压力和温度，其中压力是LNG泄漏扩散特点的决定参数。当LNG泄漏压力较低时，如LNG接收站低压输送系统，其运行压力为13barG左右，LNG从低压输送系统阀门或法兰处泄漏后会蒸发一部分，使剩余LNG保持液态饱和状态；而当LNG泄漏压力较高时，如LNG接收站高压泵出口输送系统，其运行压力为90barG左右，LNG从高压输送系统阀门或法兰处泄漏后会迅速全部蒸发。因此在LNG接收站只有低压输送区域需要考虑LNG泄漏收集系统，而高压输送区域的LNG泄漏后会迅速蒸发，不需要设置LNG泄漏收集系统。

在LNG接收站低压输送区域，当LNG发生少量泄漏时会迅速气化并在大气中较快挥发、稀释，一般不会造成严重后果。但是当LNG发生事故性大量泄漏时，会在地面形成流淌液池，大量LNG泄漏在地面上时，起初会迅速蒸发，然后当从地面和周围大气中吸收的热量与LNG蒸发所需的热量平衡时便衰减至某一固定的蒸发速度，该蒸发速度的大小取决于从周围环境吸收热量的多少。泄漏的LNG开始蒸发时，所产生的气体温度接近液体温度，其密度大于环境空气。LNG蒸发在未大量吸收环境中的热量之前，会沿地面形成一个流动层，当从地面或环境空气中吸收热量后温度升高，气体也开始上升和扩散，形成的蒸发气-空气混合物在温度继续上升过程中逐渐形成密度小于空气的云团。

LNG泄漏后的危害主要有燃烧爆炸，低温伤害，窒息等危险性，LNG泄漏后形成的蒸发气与空气混合物在上升的过程中，一旦遇到火源就很容易起火爆炸，并且迅速向蒸发的液池回火燃烧，其爆炸极限为5%～15%。LNG从液态变为气态时体积要膨胀大约600倍，并且LNG燃烧时会立即产生大量的热辐射，储罐及其周围其他设施都容易遭到热辐射的严重破坏^[3]。

2  LNG储罐泄漏收集处理系统

LNG 储罐泄漏收集系统主要包括LNG泄漏收集设施，泄漏的LNG与雨水的分离设施，泄漏LNG的处理设施三大组成部分，其原理如图1所示。LNG收集设施的主要作用是在发生LNG泄漏事故时，LNG首先被聚集在罐顶收集区域或罐底收集盘内，以免LNG分散到钢结构上，对钢结构造成损坏，造成更严重的后果。聚集在收集区域的LNG通过下降导管引到雨水分离池内，雨水分离池是一个带有冰封功能的分离池，其作用是在LNG泄漏事故时使LNG不进到雨水沟，而通过LNG收集沟流到积液池内，在正常情况时LNG收集区域的雨水可以通过雨水分离池进到雨水沟，而不流到积液池。当发生LNG泄漏事故时，泄漏的LNG被收集到积液池，积液池内安装了低温探测器，检测到低温后，雨淋阀组自动启动高倍泡沫系统，将积液池中的LNG用泡沫覆盖，避免LNG大量蒸发，形成蒸汽云，造成潜在爆炸危险。

图1  LNG储罐泄漏收集处理系统原理图

2.1  LNG储罐罐顶收集区域围堰高度

罐顶LNG泄漏收集原理如图2所示，罐顶LNG的泄漏主要包括低压泵，以及阀门法兰连接处的泄漏，泄漏的LNG通过导液管流到罐底雨水分离池中，收集区域中围堰的高度H要大于LNG的静压头h，以克服管口的阻力损失，才能使LNG顺利的流到下降导管中。如果围堰高度不够，收集区域LNG的静压头h不能满足管口的阻力损失要求，将会发生LNG逸出围堰，损坏罐顶钢结构平台，造成严重的后果，因此罐顶收集区域围堰高度是非常重要的参数。

工程设计中罐顶LNG泄漏收集系统的典型配管尺寸如图2所示，根据配管的尺寸可以计算得到LNG克服管口阻力损失所需的最小静压头h。

 h=ζV2/2g=6mm

其中：S-管道的流通面积：0.13m2

      Q-雨水量和LNG泄漏量之和：165m3/h

      V–流体在管道内的流速：Q/S=0.35m/s

      ζ-摩擦阻力系数:1

       g-重力加速度:9.8m/s2

因此，在考虑50%的设计余量基础上，可以确定围堰的高度H为10mm。

图2 罐顶LNG泄漏收集原理图

2.2 雨水分离池

雨水分离池是LNG泄漏收集处理系统的关键组成部分，雨水分离池的原理如图3所示，LNG泄漏后经过罐顶围堰或者罐底操作平台的收集盘积聚后，通过不锈钢导液管流到雨水分离池中，雨水分离池分为2个区，一边是LNG泄漏收集区，另一边是雨水区，两个区的中间用15根DN150mm的不锈钢管相连，雨水沟和LNG收集沟的标高控制如图3所示。在接收站正常运行时，雨水分离池只收集雨水，雨水通过不锈钢管道流到雨水分离池中，然后通过15根DN150mm的不锈钢管流到雨水分离池的雨水区，由于雨水沟的标高比LNG收集沟的标高低，因此雨水不会流到LNG收集沟中，只会通过雨水沟排入大海，这样积液池中的排水泵也不用经常开启。通往雨水分离池的供水阀门也经常保持开启，这样雨水分离池中一直有水将15根DN150mm的不锈钢管浸没，当发生LNG泄漏时，流入雨水分离池的LNG使15根DN150mm的不锈钢管中的水结冰，这样LNG只能通过LNG收集沟排入到积液池，而不会进入雨水沟。

图3 LNG泄漏收集系统雨水分离池原理图

2.3 积液池尺寸

根据GB50183-2004石油天然气工程设计防火规范的规定，LNG泄漏事故时LNG泄漏量一般按照50mm的孔泄漏10min来考虑。对于LNG储罐罐顶和罐底的操作平台，LNG的物性按照操作压力13barG，饱和温度-117℃，密度351kg/m3，由此计算50mm的孔泄漏速度为35kg/s，10min的泄漏量约为60m3。因此对于低压LNG系统，积液池的体积可以按泄漏量60m3考虑，另外还需考虑高倍泡沫覆盖深度约1m的体积。

根据GB/T22724-2008液化天然气设备与安装陆上装置设计的规定，积液池对周边物体的最大热辐射值应满足下列要求：

5kW/m2-自由通道；

15kW/m2-钢结构、工艺设备、管道、仪表桥架；

32kW/m2-LNG储罐的外罐壁。

根据上述要求分析计算得到表1中所示的不同积液池面积与安全距离对应表。从表中可以看出3.8m×3.8m×5.6m是比较合适的尺寸，各热辐射值与安全距离都能满足要求，其与LNG外罐的安全距离为14m，与管廊的安全距离为15m，与自由通道的安全距离约为23m，由此确定了积液池的尺寸为3.8m×3.8m×5.6m。

表1 不同积液池面积与安全距离（m）的对应表

3 结论

LNG储罐泄漏收集处理系统是LNG接收站工艺安全中的重要组成部分，本文对影响LNG泄漏收集处理系统的关键参数进行了分析。根据罐顶围堰高度的计算结果，围堰高度达到10mm才能使LNG顺利流到导液管中；LNG泄漏收集系统中设计雨水分离池能够有效避免LNG泄漏到雨水收集沟中，进而避免可燃气体泄漏到雨水暗渠中带来的重大安全风险；根据LNG泄漏量计算结果，LNG积液池的尺寸可以按泄漏量60m3考虑，通过热辐射计算，可以得到典型的LNG收集池尺寸为3.8m×3.8m×5.6m。研究结果对于同类LNG接收站的LNG泄漏收集处理系统的设计和配置，能起到一定的指导和借鉴作用。

参考文献：

[1] 顾安忠，鲁雪生. 液化天然气技术手册[M]. 北京：机械工业出版社，2010.

[2] 高露，梁光川，彭波，杨连杰．液化天然气的泄漏与防护[J]．天然气与石油, 2008,26(1):28-30.

[3] 宋峰彬，陈功焱，黄刚，王丽丽．液化天然气接收站槽车区LNG泄漏事故数分析[J]．化学工程与装备, 2011(11):188-190.

       来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第11期  在线投稿  >>