摘 要

摘　要：介绍LNG储罐的压力控制，结合工程实例，对LNG储罐顶部安全阀出口管处设置的固定干粉灭火系统的灭火机理、分类及系统组成、运行程序、设计计算进行探讨。关键词：液化天然气

摘　要：介绍LNG储罐的压力控制，结合工程实例，对LNG储罐顶部安全阀出口管处设置的固定干粉灭火系统的灭火机理、分类及系统组成、运行程序、设计计算进行探讨。

关键词：液化天然气；　LNG储罐；  压力控制；  干粉灭火系统；  设计计算

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

在液化天然气项目中，LNG储罐是LNG储存系统中的核心设备，也是接收站中的重要设备，其造价约占接收站直接费用的30％^[1]。随着材料科学和焊接技术的发展，LNG储罐结构日趋多样化和大型化。在诸多罐型中，应用最为广泛的是圆柱型常压低温储罐。本文对此类储罐的压力控制及干粉灭火系统设计进行探讨。

罐内储存的LNG为饱和液体，罐内的温度为-160～-165℃，尽管低温储罐有良好的绝热性能，但罐内和环境的热量交换导致少量LNG蒸发成闪蒸气(BOG)。如果BOG气体不能及时排出，储罐可能会超压；反之由于BOG压缩机抽气量过大等因素会造成储罐出现负压。LNG储罐内部操作压力需要控制在允许范围内，一般控制在比外界大气压略高。罐内压力过高或出现负压，对储罐都有潜在的危险^[2]。

当罐内压力达到上上限值时，需要通过罐顶的安全阀释放BOG气体。此时为保证储罐的安全，应设置固定干粉灭火系统。

2　LNG储罐压力控制

工程中常见的是单容罐、双容罐及全容罐。全容罐的设计压力可达29kPa，单容罐的设计压力可达20kPa。无论哪种形式，基本上都是微正压。

影响LNG低温储罐压力的因素很多，诸如热量进入引起液体的蒸发，充注期间液体的闪蒸，大气压下降或误操作，都可能引起罐内压力上升。此外，当快速排液、抽气或者充注的液体温度较低及大气压上升时，罐内都可能产生负压。为此，可采取以下措施来控制LNG储罐压力(以上海五号沟LNG事故气源备用站的混凝土全容罐为例)。

①超压时依次采取的措施

a．当罐内压力达到16.0kPa时，通过调节阀将BOG气体放入BOG缓冲罐。

b．当罐内压力达到18.5kPa时，通过调节阀将BOG气体放入火炬总管。

c．当罐内压力达到21.0kPa时，通过罐顶调节放空阀放空。

d．当罐内压力达到23.0kPa时，通过罐顶三个机械安全阀放散。

②压力低或负压时依次采取的措施

a．当罐内压力达到3.5kPa时，停止BOG压缩机，罐内压力达到2.5kPa时，停LNG出液泵。

b．当罐内压力达到1.5kPa时，注入燃料气。

c．当罐内压力降至-0.45kPa时，自动打开一个呼吸阀。

d．当罐内压力降至-1.0kPa时，三个呼吸阀都自动打开。

3　干粉灭火系统设计

3.1　设置场所及目的

GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》第10．4．7条规定：需要重点保护的液化天然气储罐通向大气的安全阀出口管应设置固定干粉灭火系统。

GB 50347—2004《干粉灭火系统设计规范》第3．1．5条规定：可燃气体，易燃、可燃液体和可熔化固体火灾宜采用碳酸氢钠于粉灭火剂。

当罐内压力达到上上限值时，会通过安全阀释放BOG气体，气体快速排放时会有静电产生，或此时如遇雷、电等天气都有可能引起气体火灾，设置干粉灭火系统的目的就是阻止这类火灾的发生，保证储罐的安全。

3.2　干粉灭火系统的灭火机理

干粉灭火系统不需要内燃机、水泵为动力源，而依靠高压气体(氮气、二氧化碳、压缩空气等)通过减压阀、输气管等进入干粉罐，与干粉按比例混合，动力气体携带干粉，经输粉管连接到固定的喷嘴上，通过喷嘴喷放干粉，扑向火源，短时间内达到灭火的目的。干粉在动力气体的携带下喷向火源进行灭火，在灭火过程中，粉雾与火焰接触、混合，发生一系列的物理和化学作用，从而阻断了燃烧的链式反应，最终达到灭火目的。

干粉灭火剂具有灭火效率高、灭火速度快、绝缘性好、腐蚀性小、不会对生态环境产生危害等优点。

3.3　干粉灭火系统的分类及组成

①系统分类

干粉灭火系统按应用方式分为全淹没灭火系统和局部应用灭火系统。扑救封闭空间内的火灾应采用全淹没灭火系统。采用全淹没灭火系统的防护区，应符合下列规定：

a．喷放干粉时不能自动关闭的防护区开口，其总面积不应大于该防护区总内表面积的15％，且开口不应没在底面。

b．防护区的围护结构及门、窗的耐火极限不应小于0.50h，吊顶的耐火极限不应小于0.25h；围护结构及门、窗的允许压力不宜小于1200Pa。

②系统组成

干粉灭火系统主要由氮气瓶组、减压阀、干粉罐、管路系统及喷嘴等组成，见图1。

 

3.4　干粉灭火系统运行程序

GB 50347—2004《干粉灭火系统设计规范》第6．0．1条规定：干粉灭火系统应设有自动控制、手动控制和机械应急操作三种启动方式。第6．0．2条规定：设有火灾自动报警系统时，灭火系统的自动控制应在收到两个独立火灾探测信号后才能启动，并应延迟排放，延迟时间不应大于30s，且不得小于干粉储存容器的增压时间。

①当只有一个感温探测器信号输入时，系统发出预警信号，发出声、光报警，系统不会启动。

②当同时有两个感温探测器信号输入时，系统发出火警信号，火警灯亮，同时启动干粉设备。

③当延迟时间到时，动力气瓶(氮气瓶组)启动。来自氮气瓶组的动力气体(N2)通过两位三通换向充气球阀，从下进气管路进入干粉罐，将沉积在干粉罐底部的干粉吹起来。然后下进气管路关闭，上进气管路开启，动力气体从上进气管路进入干粉罐。当干粉罐的压力升至额定工作压力时，干粉罐内的动力气体经过滤器(图1中未画出)、顺序阀，一路去改变两位三通换向充气球阀的供气方向，充气结束；一路去打开干粉释放球阀，释放气固两相流，气固两相流进入输粉管道，此时喷粉信号灯(在  式中系统控制柜上)亮，同时压力信号返回系统控制柜。

④干粉经输粉管到防护区，冲掉喷嘴防尘帽，开始喷射干粉。

⑤系统喷射结束后，应尽快由专业人员对系统进行吹扫、充气、灌装干粉及电器复原工作。

3.5　干粉灭火系统的设计计算

以山西晋城市沁水县煤层气液化工程4500m³单容罐为例，详细介绍干粉灭火系统的设计计算。本工程设计条件符合全淹没灭火系统相关规定。

设计条件：安全阀出口管管径为DN 250mm，管长15m，BOG超压释放时，气体流速小于等于55m／s，考虑放空管实际存在开口，为保证灭火的可靠性，干粉喷射时间取60s。为便于计算，本文计算中涉及到的管道内径均用公称直径代替。

①干粉设计用量计算

 

式中m——干粉设计用量，kg

r——灭火剂设计质量浓度，kg／m³，不小于0.65kg／m³

V——防护区净容积，m³

n——不能自动关闭的防护区开口数量，个，本实例中n＝1

Ai——第i个不能自动关闭的防护区开口面积，m²

Ki——第i个防护区开口补偿系数，kg／m²，当Ai<0.11Av时(Av指防护区的总内表面积(包括其中开口，单位为m²))，Ki＝0，本实例中Ki＝0

Vv——防护区容积，m³

Vg——防护区内不燃烧体和难燃烧体的总体积，m³，本实例中Vg＝0

Vz——不能切断的通风系统的附加体积，m³

qz——通风体积流量，m³／s

t——干粉喷射时间，s，本实例中t＝60s

Vv＝1/4pd²l　　　　　(4)

qz＝1/4pd²v          (5)

式中d——防护区安全阀出口管管径，m，本实例中d＝0.25m

l——防护区安全阀出口管长度，m，本实例中l＝15m

v——通风速度，m/s，本实例中v＝55m／s

由公式(1)～(5)可得：

m＝105.72kg

②输粉管干管管径计算

输粉管干管的干粉输送速率应按下式计算：

qm＝m/t　　　　　　(6)

式中qm——输粉管干管的干粉输送速率，kg／s

输粉管干管内径应按下式计算：

df≤22       (7)

式中df——输粉管干管内径，mm

由式(6)—(7)可得：

df≤29.20mm

故确定输粉管干管管径为DN 25mm。

③管路内干粉残余量计算

mr＝VD(10pp+1)rq/m     (8)

式中mr——管路内干粉残余量，kg

VD——整个输粉管道的容积，m³

pp——输粉管道中的平均压力，Mpa

rq——动力气体密度，kg／m³

m——驱动气体系数，按产品样本取值

输粉管道管径为DN 25mm，管长为40m，pp＝0.75MPa，rq＝1.165kg／m³，m＝0.044，则由式(8)计算得：mr＝4.42kg。

④干粉罐内干粉剩余量计算

干粉罐内干粉剩余量ms，按干粉设计用量m的8％计，则ms＝8.46kg。

⑤干粉储存量计算

干粉储存量计算公式为：

mc＝m+mr+ms＝118.6kg

考虑增加对放空管的惰化浓度，取安全系数为2.0，则干粉储存量应为237.2kg，取整，最终确定干粉储存量为250kg。

⑥用气量的计算

采用40L高压无缝气瓶，一般正常情况充压不小于13MPa，按1kg干粉需40L氮气(标准工况下)计算，那么在13MPa下1只40L瓶的氮气，相当于标准工况下的体积为5200L，所对应的干粉质量为130kg，需40L氮气瓶2只。

4　设计讨论

①由于干粉灭火系统在管道中流动为气固二相流，在弯头处会产生气固分离现象(一般弯头曲率半径小，对气固二相流会产生气固分离现象)，但在弯头后20倍公称管径的管道长度内即可恢复均匀。而球形管件曲率半径很大，对气固二相流产生气固分离现象影响小，因此，本设计均采用球形管件(如球形三通、球形变径管、大半径弯头等)，取得了很好的效果。

②由于干粉灭火设备设在罐顶的安全阀附近，鉴于对干粉灭火系统自身安全的考虑，设计时应将干粉灭火设备设置在安全阀的上风向。

 

参考文献：

[1]敬加强，梁光川，蒋宏业．液化天然气技术问答[M]．北京：化学工业出版社，2006：101．

[2]刘浩，周永春．LNG低温储罐压力安全系统设计[J]．化工设计，2007，17(1)：7-10．

 

 

本文作者：吴志荣  徐占伟  苗云波

作者单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司第四设计研究院

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