摘 要

摘　要：介紹LNG儲罐的壓力控制，結(jié)合工程實例，對LNG儲罐頂部安全閥出口管處設置的固定干粉滅火系統(tǒng)的滅火機理、分類及系統(tǒng)組成、運行程序、設計計算進行探討。關鍵詞：液化天然氣

摘　要：介紹LNG儲罐的壓力控制，結(jié)合工程實例，對LNG儲罐頂部安全閥出口管處設置的固定干粉滅火系統(tǒng)的滅火機理、分類及系統(tǒng)組成、運行程序、設計計算進行探討。

關鍵詞：液化天然氣；　LNG儲罐；  壓力控制；  干粉滅火系統(tǒng)；  設計計算

LNG Tank Pressure Control and Design of Powder Extinguishing System

Abstract：The LNG tank pressure control is introduced．7rhe extinguishing mechanism，classification，system composition，operation program and design calculation of fixed powder extinguishing system fixed at the outlet pipe of relief valve on the top of the LNG tank are discussed with an engineering case．

Keywords：LNG；LNG tank；pressure control；powder extinguishing system；design calculation

 

1　概述

在液化天然氣項目中，LNG儲罐是LNG儲存系統(tǒng)中的核心設備，也是接收站中的重要設備，其造價約占接收站直接費用的30％^[1]。隨著材料科學和焊接技術的發(fā)展，LNG儲罐結(jié)構(gòu)日趨多樣化和大型化。在諸多罐型中，應用最為廣泛的是圓柱型常壓低溫儲罐。本文對此類儲罐的壓力控制及干粉滅火系統(tǒng)設計進行探討。

罐內(nèi)儲存的LNG為飽和液體，罐內(nèi)的溫度為-160～-165℃，盡管低溫儲罐有良好的絕熱性能，但罐內(nèi)和環(huán)境的熱量交換導致少量LNG蒸發(fā)成閃蒸氣(BOG)。如果BOG氣體不能及時排出，儲罐可能會超壓；反之由于BOG壓縮機抽氣量過大等因素會造成儲罐出現(xiàn)負壓。LNG儲罐內(nèi)部操作壓力需要控制在允許范圍內(nèi)，一般控制在比外界大氣壓略高。罐內(nèi)壓力過高或出現(xiàn)負壓，對儲罐都有潛在的危險^[2]。

當罐內(nèi)壓力達到上上限值時，需要通過罐頂?shù)陌踩y釋放BOG氣體。此時為保證儲罐的安全，應設置固定干粉滅火系統(tǒng)。

2　LNG儲罐壓力控制

工程中常見的是單容罐、雙容罐及全容罐。全容罐的設計壓力可達29kPa，單容罐的設計壓力可達20kPa。無論哪種形式，基本上都是微正壓。

影響LNG低溫儲罐壓力的因素很多，諸如熱量進入引起液體的蒸發(fā)，充注期間液體的閃蒸，大氣壓下降或誤操作，都可能引起罐內(nèi)壓力上升。此外，當快速排液、抽氣或者充注的液體溫度較低及大氣壓上升時，罐內(nèi)都可能產(chǎn)生負壓。為此，可采取以下措施來控制LNG儲罐壓力(以上海五號溝LNG事故氣源備用站的混凝土全容罐為例)。

①超壓時依次采取的措施

a．當罐內(nèi)壓力達到16.0kPa時，通過調(diào)節(jié)閥將BOG氣體放入BOG緩沖罐。

b．當罐內(nèi)壓力達到18.5kPa時，通過調(diào)節(jié)閥將BOG氣體放入火炬總管。

c．當罐內(nèi)壓力達到21.0kPa時，通過罐頂調(diào)節(jié)放空閥放空。

d．當罐內(nèi)壓力達到23.0kPa時，通過罐頂三個機械安全閥放散。

②壓力低或負壓時依次采取的措施

a．當罐內(nèi)壓力達到3.5kPa時，停止BOG壓縮機，罐內(nèi)壓力達到2.5kPa時，停LNG出液泵。

b．當罐內(nèi)壓力達到1.5kPa時，注入燃料氣。

c．當罐內(nèi)壓力降至-0.45kPa時，自動打開一個呼吸閥。

d．當罐內(nèi)壓力降至-1.0kPa時，三個呼吸閥都自動打開。

3　干粉滅火系統(tǒng)設計

3.1　設置場所及目的

GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》第10．4．7條規(guī)定：需要重點保護的液化天然氣儲罐通向大氣的安全閥出口管應設置固定干粉滅火系統(tǒng)。

GB 50347—2004《干粉滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》第3．1．5條規(guī)定：可燃氣體，易燃、可燃液體和可熔化固體火災宜采用碳酸氫鈉于粉滅火劑。

當罐內(nèi)壓力達到上上限值時，會通過安全閥釋放BOG氣體，氣體快速排放時會有靜電產(chǎn)生，或此時如遇雷、電等天氣都有可能引起氣體火災，設置干粉滅火系統(tǒng)的目的就是阻止這類火災的發(fā)生，保證儲罐的安全。

3.2　干粉滅火系統(tǒng)的滅火機理

干粉滅火系統(tǒng)不需要內(nèi)燃機、水泵為動力源，而依靠高壓氣體(氮氣、二氧化碳、壓縮空氣等)通過減壓閥、輸氣管等進入干粉罐，與干粉按比例混合，動力氣體攜帶干粉，經(jīng)輸粉管連接到固定的噴嘴上，通過噴嘴噴放干粉，撲向火源，短時間內(nèi)達到滅火的目的。干粉在動力氣體的攜帶下噴向火源進行滅火，在滅火過程中，粉霧與火焰接觸、混合，發(fā)生一系列的物理和化學作用，從而阻斷了燃燒的鏈式反應，最終達到滅火目的。

干粉滅火劑具有滅火效率高、滅火速度快、絕緣性好、腐蝕性小、不會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害等優(yōu)點。

3.3　干粉滅火系統(tǒng)的分類及組成

①系統(tǒng)分類

干粉滅火系統(tǒng)按應用方式分為全淹沒滅火系統(tǒng)和局部應用滅火系統(tǒng)。撲救封閉空間內(nèi)的火災應采用全淹沒滅火系統(tǒng)。采用全淹沒滅火系統(tǒng)的防護區(qū)，應符合下列規(guī)定：

a．噴放干粉時不能自動關閉的防護區(qū)開口，其總面積不應大于該防護區(qū)總內(nèi)表面積的15％，且開口不應沒在底面。

b．防護區(qū)的圍護結(jié)構(gòu)及門、窗的耐火極限不應小于0.50h，吊頂?shù)哪突饦O限不應小于0.25h；圍護結(jié)構(gòu)及門、窗的允許壓力不宜小于1200Pa。

②系統(tǒng)組成

干粉滅火系統(tǒng)主要由氮氣瓶組、減壓閥、干粉罐、管路系統(tǒng)及噴嘴等組成，見圖1。

 

3.4　干粉滅火系統(tǒng)運行程序

GB 50347—2004《干粉滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》第6．0．1條規(guī)定：干粉滅火系統(tǒng)應設有自動控制、手動控制和機械應急操作三種啟動方式。第6．0．2條規(guī)定：設有火災自動報警系統(tǒng)時，滅火系統(tǒng)的自動控制應在收到兩個獨立火災探測信號后才能啟動，并應延遲排放，延遲時間不應大于30s，且不得小于干粉儲存容器的增壓時間。

①當只有一個感溫探測器信號輸入時，系統(tǒng)發(fā)出預警信號，發(fā)出聲、光報警，系統(tǒng)不會啟動。

②當同時有兩個感溫探測器信號輸入時，系統(tǒng)發(fā)出火警信號，火警燈亮，同時啟動干粉設備。

③當延遲時間到時，動力氣瓶(氮氣瓶組)啟動。來自氮氣瓶組的動力氣體(N2)通過兩位三通換向充氣球閥，從下進氣管路進入干粉罐，將沉積在干粉罐底部的干粉吹起來。然后下進氣管路關閉，上進氣管路開啟，動力氣體從上進氣管路進入干粉罐。當干粉罐的壓力升至額定工作壓力時，干粉罐內(nèi)的動力氣體經(jīng)過濾器(圖1中未畫出)、順序閥，一路去改變兩位三通換向充氣球閥的供氣方向，充氣結(jié)束；一路去打開干粉釋放球閥，釋放氣固兩相流，氣固兩相流進入輸粉管道，此時噴粉信號燈(在  式中系統(tǒng)控制柜上)亮，同時壓力信號返回系統(tǒng)控制柜。

④干粉經(jīng)輸粉管到防護區(qū)，沖掉噴嘴防塵帽，開始噴射干粉。

⑤系統(tǒng)噴射結(jié)束后，應盡快由專業(yè)人員對系統(tǒng)進行吹掃、充氣、灌裝干粉及電器復原工作。

3.5　干粉滅火系統(tǒng)的設計計算

以山西晉城市沁水縣煤層氣液化工程4500m³單容罐為例，詳細介紹干粉滅火系統(tǒng)的設計計算。本工程設計條件符合全淹沒滅火系統(tǒng)相關規(guī)定。

設計條件：安全閥出口管管徑為DN 250mm，管長15m，BOG超壓釋放時，氣體流速小于等于55m／s，考慮放空管實際存在開口，為保證滅火的可靠性，干粉噴射時間取60s。為便于計算，本文計算中涉及到的管道內(nèi)徑均用公稱直徑代替。

①干粉設計用量計算

 

式中m——干粉設計用量，kg

r——滅火劑設計質(zhì)量濃度，kg／m³，不小于0.65kg／m³

V——防護區(qū)凈容積，m³

n——不能自動關閉的防護區(qū)開口數(shù)量，個，本實例中n＝1

Ai——第i個不能自動關閉的防護區(qū)開口面積，m²

Ki——第i個防護區(qū)開口補償系數(shù)，kg／m²，當Ai<0.11Av時(Av指防護區(qū)的總內(nèi)表面積(包括其中開口，單位為m²))，Ki＝0，本實例中Ki＝0

Vv——防護區(qū)容積，m³

Vg——防護區(qū)內(nèi)不燃燒體和難燃燒體的總體積，m³，本實例中Vg＝0

Vz——不能切斷的通風系統(tǒng)的附加體積，m³

qz——通風體積流量，m³／s

t——干粉噴射時間，s，本實例中t＝60s

Vv＝1/4pd²l　　　　　(4)

qz＝1/4pd²v          (5)

式中d——防護區(qū)安全閥出口管管徑，m，本實例中d＝0.25m

l——防護區(qū)安全閥出口管長度，m，本實例中l＝15m

v——通風速度，m/s，本實例中v＝55m／s

由公式(1)～(5)可得：

m＝105.72kg

②輸粉管干管管徑計算

輸粉管干管的干粉輸送速率應按下式計算：

qm＝m/t　　　　　　(6)

式中qm——輸粉管干管的干粉輸送速率，kg／s

輸粉管干管內(nèi)徑應按下式計算：

df≤22       (7)

式中df——輸粉管干管內(nèi)徑，mm

由式(6)—(7)可得：

df≤29.20mm

故確定輸粉管干管管徑為DN 25mm。

③管路內(nèi)干粉殘余量計算

mr＝VD(10pp+1)rq/m     (8)

式中mr——管路內(nèi)干粉殘余量，kg

VD——整個輸粉管道的容積，m³

pp——輸粉管道中的平均壓力，Mpa

rq——動力氣體密度，kg／m³

m——驅(qū)動氣體系數(shù)，按產(chǎn)品樣本取值

輸粉管道管徑為DN 25mm，管長為40m，pp＝0.75MPa，rq＝1.165kg／m³，m＝0.044，則由式(8)計算得：mr＝4.42kg。

④干粉罐內(nèi)干粉剩余量計算

干粉罐內(nèi)干粉剩余量ms，按干粉設計用量m的8％計，則ms＝8.46kg。

⑤干粉儲存量計算

干粉儲存量計算公式為：

mc＝m+mr+ms＝118.6kg

考慮增加對放空管的惰化濃度，取安全系數(shù)為2.0，則干粉儲存量應為237.2kg，取整，最終確定干粉儲存量為250kg。

⑥用氣量的計算

采用40L高壓無縫氣瓶，一般正常情況充壓不小于13MPa，按1kg干粉需40L氮氣(標準工況下)計算，那么在13MPa下1只40L瓶的氮氣，相當于標準工況下的體積為5200L，所對應的干粉質(zhì)量為130kg，需40L氮氣瓶2只。

4　設計討論

①由于干粉滅火系統(tǒng)在管道中流動為氣固二相流，在彎頭處會產(chǎn)生氣固分離現(xiàn)象(一般彎頭曲率半徑小，對氣固二相流會產(chǎn)生氣固分離現(xiàn)象)，但在彎頭后20倍公稱管徑的管道長度內(nèi)即可恢復均勻。而球形管件曲率半徑很大，對氣固二相流產(chǎn)生氣固分離現(xiàn)象影響小，因此，本設計均采用球形管件(如球形三通、球形變徑管、大半徑彎頭等)，取得了很好的效果。

②由于干粉滅火設備設在罐頂?shù)陌踩y附近，鑒于對干粉滅火系統(tǒng)自身安全的考慮，設計時應將干粉滅火設備設置在安全閥的上風向。

 

參考文獻：

[1]敬加強，梁光川，蔣宏業(yè)．液化天然氣技術問答[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2006：101．

[2]劉浩，周永春．LNG低溫儲罐壓力安全系統(tǒng)設計[J]．化工設計，2007，17(1)：7-10．

 

 

本文作者：吳志榮  徐占偉  苗云波

作者單位：中國市政工程華北設計研究總院有限公司第四設計研究院

  中國市政工程華北設計研究總院有限公司西安分公司