丙烷低温常压双金属全容储罐安全保护系统的定量分析计算

周元欣 孟凡鹏 梁 勇 刘家鑫 位世荣

（中国石油天然气管道工程有限公司）

符 号 说 明

A——储罐横截面积，m2；

A′——小孔通流截面面积，m2；

Aw——单座储罐受外部火灾影响的湿表面积，m2；

Cq——短孔流量系数，取0.82；

Din——储罐内罐内径，取47.2m；

dp′/dt——大气压变化速率，取2kPa/h；

f——计算系数；

F——环境因子；

hw——与火焰接触的湿表面积高度，m；

H——单座储罐的吸热量，kW；

HC3——低温丙烷最高液位，取31m；

HDOME——储罐拱顶高度，取11.45m；

HShell——储罐内罐罐壁高度，取32.56m；

L——液体汽化潜热，kJ/kg；

m——由小孔长径比决定的指数，取0.6；

MCP——单台BOG压缩机的处理能力，kg/h；

N——同时受火灾影响的储罐数量；

NCP——BOG压缩机的工作台数；

NP——单座丙烷储罐罐内泵工作台数；

NTank——丙烷储罐的数量；

p——火炬压力控制阀开启时储罐的绝对压力，Pa（A）；

pOA——补气阀开启时储罐内绝对压力，Pa（A）；

pS0——储罐漏热导致的过饱和压力，Pa；

pS1——储罐漏热和大气压降低导致的过饱和压力，Pa；

qv——小孔泄漏体积流量，m3/h；

QP——罐内输送泵最大流量，m3/h；

RDOME——穹顶所在球的半径，取40m；

t——大气压变化计算时间，取1h；

VA1——因大气压升高引起的储罐真空量，m3/h；

VAG——大气压降低罐内气体膨胀产生的每座丙烷储罐的BOG体积流量，m3/h；

VC——单个储罐真空量，m3/h；

VC3——储罐的液相容积，取5×104m3；

VCP——压缩机抽出BOG的最大流量，m3/h；

Vout——每座丙烷低温常压储罐泵抽出的最大流量，m3/h；

VT——储罐气相体积，m3；

WAG——大气压降低罐内气体膨胀产生的BOG质量流量，kg/h；

WAL——大气压降低罐内液体闪蒸产生的BOG质量流量，kg/h；

Wfire——外部火灾引起的丙烷储罐的BOG量，kg/h；

Wfire′——单座储罐产生的BOG量，kg/h；

Whole——小孔泄漏导致丙烷储罐环隙超压的BOG质量流量，kg/h；

WHA——储罐漏热和大气压降低罐内液体闪蒸产生的BOG质量流量之和，kg/h；

WL——卸船工况下的BOG总量，kg/h；

WRollover——翻滚工况下BOG汽化量，kg/h；

WT——单座丙烷储罐的环境漏热BOG质量流量，kg/h；

WV——补气阀补气流量，kg/h；

WVfail——补气阀失灵引起的储罐超压泄放量，kg/h；

Δp——小孔两端压差（此处取最高液位31m时的两端压差），Pa；

ρAG——大气压降低导致罐内气体膨胀时产生的丙烷BOG气体密度，kg/m3；

ρBOG——BOG气体密度，kg/m3；

ρC3——低温丙烷密度，取581kg/m3；

ρgas——补气的气体密度，kg/m3；

η——丙烷储罐的日蒸发率，取0.08%/d，即3.33×10-3%/h。

在我国沿海地区，丙烷、丁烷及液化石油气等液化烃的储存规模不断扩大。 目前，常见的液化烃地上储存工艺有低温常压储存和常温带压储存。类似于LNG接收站的低温常压储罐，液化烃的低温常压储罐也得到了广泛的应用［1］，如：1997年江苏太仓华能-阿莫科第1个建成的两座3.1万立方米低温丙烷、丁烷储罐，1998年深圳华安8万立方米低温丙烷、 丁烷储罐，2006年宁波台塑集团的8万立方米丙烯储罐，2012年宁波海越新材料的12万立方米丙烷储罐［2，3］。随着设计和施工技术的成熟，低温常压储罐的罐容也在向大型化发展。 相对于常温带压储存，低温常压储存技术的优势在于单罐储存容量更大、 节省项目用地、储存压力低、安全性能较高。

对于液化烃低温常压储罐，虽然目前应用也比较多，但是国家尚未出台专门针对丙烷、LPG等液化烃低温储罐设计和建造的相关标准规范［4］。低温常压储罐的工艺系统设置复杂，对工艺设备和材料的要求较高， 随着单罐罐容大型化的发展，对低温常压储罐安全泄放系统的设计要求也更高。 笔者针对某项目中的两座5万立方米丙烷低温常压双金属全容储罐（以下简称储罐）的安全泄放系统的设计进行探讨。

1 丙烷低温储存系统的工艺流程

丙烷低温常压储存系统的工艺流程如图1所示。

图1 丙烷低温常压储存系统的工艺流程

来自运输船的低温丙烷（组分：乙烷2.0wt%、丙烷95.6wt%、异丁烷2.4wt%）在丙烷低温常压储罐中储存。 下游球罐需要丙烷时，低温丙烷经罐内泵的加压，由加热器加热到常温后送至常温带压球罐存储。 低温丙烷在卸船前，采用预冷循环方式预冷卸船总管。 低温丙烷存储过程中产生的丙烷蒸发气体（BOG）通过BOG压缩机撬的增压和冷却后成为液体，丙烷凝液接收罐接收的液体输送到常温带压球罐或经闪蒸节流返回低温储罐。

丙烷低温常压储罐常规压力调节由BOG压缩机系统控制， 通过调节BOG压缩机抽取BOG的气体量，保证储罐压力在正常范围波动。 BOG压缩机这种压力调节控制方式主要用于处理储罐系统正常工况下的BOG气体量，如储罐吸热后的日蒸发、大气压改变及物料的进出等工况。

由于BOG压缩机的处理量有限，对于储罐系统的非正常超压工况，如火灾、翻滚及内罐泄漏等，丙烷低温常压储罐设置有两级超压安全保护系统。 第1级超压安全保护系统通过BOG总管上的火炬压力控制阀排放至火炬系统， 第2级通过储罐罐顶设置的安全阀密闭排放至火炬系统。

丙烷低温常压储罐还设置有两级负压安全保护系统，用于保护储罐在大气压升高、物料过分抽吸时不会出现负压。 第1级负压安全保护系统由常温带压球罐的丙烷高压气体通过丙烷低温储罐罐顶的补气阀调压之后对储罐进行补气，第2级通过低温丙烷储罐罐顶的真空安全阀由空气直接进行补气。

2 储罐安全保护系统定量分析计算

丙烷低温常压双金属全容储罐属于全冷冻式液化烃储罐，国内尚无针对低温液化烃储罐超压泄放计算的规范。笔者依据API 2000［5］，分别对储罐在不同工况下的BOG气体量分析计算，并对可能的工况组合分析计算。 在定量分析的基础上，为储罐安全阀、真空安全阀和火炬系统的设计提供参数。

2.1 工况定量分析计算

2.1.1 储罐漏热BOG量

因环境漏热引起的单座丙烷储罐的BOG量WT的计算式为：

计算得到单座丙烷储罐环境漏热BOG量WT为968kg/h。

2.1.2 卸船BOG量

卸船时，由于船方担心岸上储罐的蒸发气返回船舱会污染船侧的物料，所以不考虑储罐的蒸发气返回船舱，卸船时产生的蒸发气全部由BOG压缩机处理。 当卸船速率为2 400m3/h时， 利用HYSYS软件进行模拟，得到卸船工况下的BOG总量（包括卸船时的体积置换量、BOG闪蒸量、管路系统吸热汽化量和两座储罐漏热BOG量）WL为16 206kg/h。

因此卸船工况下，为了维持丙烷储罐压力稳定，BOG压缩机需要处理的BOG量为16 206kg/h。

2.1.3 大气压变化引起的BOG排放量

当丙烷储罐的压力等于最大的操作压力15kPa时， 大气压迅速下降会引起丙烷储罐内气相空间超压，从而导致BOG总管的火炬压力控制阀（开启压力15.5kPa）打开，使BOG超压气体排出。 计算大气压下降引起的BOG排放量时，假设两座丙烷储罐均为20%液位， 储罐在该液位对应的蒸发量为满罐蒸发量的50%。 环境大气压取值101.325kPa。

5万立方米丙烷储罐气相体积VT的计算式为：

单座丙烷储罐由于大气压降低引起的BOG排放量WA的计算式为：

5万立方米丙烷储罐由于大气压降低BOG排放量主要参数的计算结果如下：

a. 大气压降低导致的气体膨胀。储罐绝对压力p=116825Pa（A），储罐气相体积VT=61019m3，因气体膨胀导致的BOG体积流量VAG=1045m3/h，大气压降低导致罐内气体膨胀时产生的丙烷BOG气体密度ρAG=2.629kg/m3，因气体膨胀导致的BOG质量流量WAG=2746kg/h。

b. 大气压降低导致罐内液体闪蒸。计算系数f=2.55E-05，储罐横截面积A=1750m2，20%液位时单座丙烷储罐环境漏热产生的BOG 质量流量WT（50%）=484.17kg/h，储罐漏热导致的过饱和压力pS0=1062Pa， 储罐漏热和大气压降低导致的过饱和压力pS1=3062Pa， 储罐漏热和大气压降低罐内液体闪蒸产生的BOG 质量流量之和WHA=1987kg/h， 大气压降低导致罐内液体闪蒸产生的BOG质量流量WAL=1503kg/h。

a、b两部分的BOG排放量之和WA=4249kg/h。则两座5万立方米丙烷低温常压储罐大气压降低引起的BOG排放量为8 489kg/h。

2.1.4 罐环隙空间超压

根据API 2000［5］，对于双金属全容罐，需要考虑内罐泄漏到环隙空间汽化超压的情况，规范中假设在罐内壁第1节圈板上有一个直径为20mm的孔，将该孔的泄漏量作为计算罐环隙空间超压的依据。

5万立方米丙烷储罐内壁第1节圈板厚度约为30mm， 此工况下小孔泄漏适用于短孔泄漏计算模型，则小孔泄漏体积流量qv的计算式为：

根据短孔泄漏计算模型计算得到小孔泄漏体积流量qv=76.52m3/h。

小孔泄漏导致丙烷储罐环隙超压的BOG质量流量Whole的计算式为：

由丙烷液体密度计算得到Whole=44460kg/h。

2.1.5 外部火灾

考虑两座相邻丙烷储罐因外部火灾引起的BOG排放量。 受外部火灾影响，单座储罐的吸热量H的计算式为：

根据API 2000［5］，对于大型储罐，与火焰接触的湿表面积高度hw为9.15m。考虑火灾发生在两座储罐中间，每座储罐有一半的表面积受到火灾影响，因此，单座储罐受外部火灾影响的湿表面积Aw的计算式为：

受外部火灾影响，单座储罐的BOG产生量Wfire′的计算式为：

外部火灾引起的丙烷储罐的BOG量Wfire的计算式为：

两座相邻丙烷储罐因外部火灾引起的BOG排放量主要参数的计算结果为：储罐内罐内径Din=47.2m， 与火焰接触的湿表面积高度hw=9.15m， 单座罐湿表面积Aw=678m2， 环境因子F=0.03，单座罐吸热量H=447kW，液体汽化潜热L=431kJ/kg，单座罐产生BOG量Wfire′=3734kg/h，同时受火灾影响的储罐数量N=2， 外部火灾引起的BOG产生量Wfire=7468kg/h。

2.1.6 补气阀失灵故障开

丙烷低温常压储罐的最大补气量按3种工况进行组合计算： 罐内输送泵抽出最大流量工况、BOG压缩机抽出最大流量工况和大气压升高工况。

在罐内输送泵抽出最大流量工况下，每座丙烷低温常压储罐泵抽出的最大流量Vout的计算式为：

每座储罐设置两台罐内输送泵， 一用一备，罐内输送泵的最大流量为500m3/h， 因此Vout=500m3/h。

在BOG压缩机抽出最大流量工况下，根据卸船时的BOG量，设置两台低温丙烷BOG压缩机，两用零备，每台压缩机的处理能力为9 600kg/h。 则压缩机抽出BOG的最大流量VCP为：

每座储罐因BOG压缩机抽气引起的真空量VC为：

由于考虑两座丙烷储罐的BOG处理量，因此NTank取2。

在大气压升高的工况下，当储罐压力等于储罐最小操作压力时，大气压升高会导致低温丙烷储罐内气体压缩从而形成负压，补气阀打开对储罐进行补气（开启压力为4.5kPa）。 依据API 2000［5］，取大气压变化速率为2kPa/h。 考虑到两座液化烃储罐不可能全部处于最低液位，按两座丙烷储罐均为20%液位计算大气压升高引起的储罐真空量VA1，即：

补气阀流量的计算。 在丙烷储罐压力较低时， 首先通过第1级负压保护系统的补气阀进行补气。 补气阀流量考虑1.1倍余量，则补气阀的补气流量为：

5万立方米丙烷低温常压储罐补气阀流量计算输入数据及计算结果如下：

a. 罐内泵抽出引起的真空量。泵抽出最大流量Vout=500m3/h。

b. BOG压缩机抽出引起的真空量。 BOG气体密度ρBOG=2.252kg/m3，压缩机抽出BOG最大流量VCP=8526m3/h，每个储罐真空量VC=4263m3/h。

c. 大气压升高引起的真空量。 储罐气相体积VT=61019m3，因大气压升高引起的储罐真空量VA1=1153m3/h。

d. 补气阀流量。 补气的气体密度ρgas的值为2.136kg/m3，补气阀补气流量WV=13900kg/h。

补气阀失灵引起的储罐超压泄放量。 按照一个储罐的补气阀失灵来考虑储罐超压泄放量，由于控制阀门在最大流量时的开度一般不大于80%， 因此按照1.25倍的阀门最大流量来计算补气阀失灵引起的储罐超压泄放量。 一个补气阀失灵引起的储罐超压泄放量WVfail为：

计算得到WVfail=17375kg/h。

2.1.7 翻滚由于低温储罐丙烷物料组分的差异，或者储罐内部低温丙烷存在温度梯度，丙烷液体出现不同密度层的分布，密度层之间难以发生对流。 环境热量的输入导致顶部丙烷液体蒸发，轻组分挥发，液体密度变大；底部液体受热后，无法有效蒸发，液体密度变小。 一旦上下层丙烷液体密度相近时，就会出现液体上下翻滚，底部过饱和丙烷液体压力骤降后会导致大量低温丙烷迅速汽化。

笔者依据API 2000［5］和EN 1473：2016［7］，翻滚工况下的BOG汽化量可按低温储罐环境漏热导致的汽化量的100倍进行估算：

经计算， 翻滚工况下5万立方米丙烷储罐的BOG汽化量WRollover=96800kg/h。 因此，5万立方米丙烷储罐翻滚工况下超压泄放量为96 800kg/h。

2.2 工况组合分析计算

丙烷低温常压储罐超压安全保护系统的泄放量取以上工况可能组合的最大值。 由于翻滚工况发生的频率较低，且翻滚是一种短时剧烈的汽化现象，不再考虑叠加其他工况。 可能的工况组合下超压气体泄放量见表1。

根据计算结果，5万立方米丙烷低温常压储罐系统的安全泄放系统的处理量为96 800kg/h。

LNG低温常压储罐的超压泄放气体在特定情况下可以直接排向大气， 如火炬检修工况和LNG储罐翻滚工况，但是低温常压液化烃储罐的超压泄放气体却无法直接排放大气，需要密闭排放到火炬系统中。 除了环境保护的因素外， 乙烯、丙烯、 丙烷及丁烷等轻烃气体与空气密度相差不大，或者比空气重，直接排放大气的话可能会在地面出现大范围的爆炸性气体环境，带来安全风险［1］。对于丙烷低温常压储罐第2级超压安全保护系统的超压泄放气体，笔者在设计中直接接入火炬系统，进行安全排放。

根据2.1.6节内容，丙烷储罐的负压安全保护系统最大补气量所对应的组合工况为：罐内输送泵最大量抽出、BOG压缩机最大量抽出和大气压升高。该组合工况下的最大补气流量为13 900kg/h。

综上所述，5万立方米丙烷储罐安全阀的设计流量为96 800kg/h， 真空安全阀的设计流量为13 900kg/h，两座5万立方米丙烷储罐为火炬系统贡献的最大超压气体泄放量为96 800kg/h。

3 结束语

丙烷储罐在日常运行中会产生大量BOG，可靠的压力控制系统设计对保证低温储罐压力稳定至关重要。 在突发情况出现时，储罐超压安全保护系统能够保证丙烷超压泄放气体排入火炬系统，减小环境污染，保证储罐不超压，减少事故灾害；负压安全保护系统能够及时对储罐进行补气，防止储罐压力过低导致储罐塌裂。

笔者对丙烷储罐不同工况下的BOG气体量进行了定量分析计算，并根据组合工况下的分析计算，确定了5万立方米丙烷储罐安全阀、真空安全阀的设计流量分别为96 800kg/h和13 900kg/h，两座5万立方米丙烷储罐为火炬系统贡献的最大超压气体泄放量为96 800kg/h。 通过定量分析计算，确定了丙烷储罐安全保护系统设计计算的基本方法。