LNG全容罐安全阀尾管设置研究

王晓飞，张焕航，李选民，沈海啸

(中石化广州工程有限公司，广东广州 510630)

1 概述

1.1 LNG接收站现状

随着石油资源日趋紧张，天然气作为清洁能源越来越受到人们的重视。液化天然气(LNG)接收站作为天然气供应的重要环节在国内发展迅速，截至2019年底，投产LNG接收站21座，实际接收能力达到1 240×10m/a。LNG全容罐是LN11G接收站的关键设备，全容罐由内罐和外罐组成，内罐为钢制自支撑式结构，用于储存低温易燃液体；外罐为独立的自支撑式带拱顶的闭式结构，用于承受气相压力和绝热材料，并可容纳内罐溢出的低温易燃液体，其材质一般为钢制或混凝土。

1.2 安全阀尾管设置必要性分析

LNG储存过程中，出现由于不同液位LNG的密度或温度不同而形成的LNG不同层之间剧烈运动的不稳定状态，并释放出大量蒸发气的现象称为“翻滚”。发生翻滚时，LNG在短时间内产生大量蒸发气，导致储罐压力增高，会造成罐顶的安全阀开启，释放大量天然气，在此过程中若被点燃，会发生安全阀喷射火灾，火灾热辐射对罐顶及周边设备可能造成损害。同时，安全阀排放的蒸发气扩散遇到点火源亦有发生火灾、爆炸的危害，对周边设施及人员造成危害。

根据GB 51156—2015《液化天然接收站工程设计规范》要求，LNG储罐及气化器出口的安全阀宜直接向大气排放，紧急排放的天然气及LNG宜排入火炬或安全放空系统。直排大气时，安全排放高度和位置应根据天然气扩散后果模拟确定。储罐罐顶安全阀的尾管高度和位置还应根据尾管排放气可能出现的喷射火热辐射影响范围进行核算。

虽然标准指出LNG储罐罐顶安全阀的尾管高度和位置应进行模拟计算，但未指明计算应采用的模型、计算条件等。拟采用DNV PHAST软件对罐顶安全阀尾管可燃气扩散及喷射火热辐射影响进行模型计算，确定罐顶安全阀尾管的合适位置。

2 计算模型

2.1 气云扩散数学模型

国外学者依据气体扩散的不同建模原理和复杂程度提出许多经典气体泄漏扩散模型，如高斯模型、BM模型、Sutton模型、箱式模型、计算流体力学模型等，各计算模型适用范围、计算精度各不相同，有各自的优缺点。

PHAST软件是针对事故后果计算的专业评估软件，该软件采用UDM模型(Unified Dispersion Model)来评估气体的扩散形式，UDM模型为复合型模型，建立在多种计算模型基础上，以距离和时间作为关键变量，通过一系列代数方程来描述扩散云团，可专门用于计算LNG泄漏后的后果影响。Pitblado R等将PHAST的计算结果与Burro等实验进行对比，两者较为吻合。

2.2 火灾热辐射数学模型

对于喷射火的模型研究主要有点源模型、多点源模型、圆锥体源模型。

点源模型是把喷射火看成一个点源，喷射火的能量由此点源开始向四周扩散传递；以点源为基础，将多个点源在一条线上进行累积，这就是多点源模型，其喷射火为一条线段，喷射火能量由此线段逐渐向四周进行传递；圆锥体源模型则是把喷射火看成一个处于倒立的圆锥体，与其他模型相比，圆锥体源模型的能量传递方式与喷射火实际火焰更为相像。

PHAST软件中的喷射火计算模块中包含的Cone平头圆锥体形模型以及API RP 521香蕉形模型，均为圆锥体源模型。在圆锥体源模型中，计算火焰表面到目标的热辐射强度与火焰表面热辐射强度、视角系数、大气投射系数有关。火焰表面热辐射通量与喷射火焰总燃烧热有关。视角系数与火焰形状、火焰表面到目标的距离有关。

其中，Cone平头圆锥体形模型假设喷射火焰呈近似倒立圆台形,以圆台面半径、圆心坐标、圆台面与水平方向的斜角来描述,见图1(a)。API RP521模型是用于模拟喷射火的半经验模型，该模型认为火焰由于风或重力的影响变弯,近似为香蕉形,并把火焰分成9段,用10截面圆的半径

ri

(

i

=1～10)、圆心坐标、截面圆与水平方向的倾角来描述火焰及火焰形状,见图1(b)。

图1 火灾热辐射模型

本次计算拟采用API RP 521香蕉形模型，其主要公式如下。

a) 喷射火火焰距离

(1)

式中：

L

——火焰长度,m；

Hc

——喷射火的燃烧热，J/kg；

m

——喷射火的质量流速，kg/s。

b) 目标距离热辐射强度

I

=

I

υτ

(2)

式中：

I

——目标的热辐射强度，kW/m；

I

——喷射源的热辐射强度，kW/m；

υ

——视角系数；

τ

——大气投射系数。

c) 大气投射系数

τ

=log14

.

4

N

-0108

k

-013

(3)

式中：

N

——相对湿度，取0～1；

k

——目标到火焰表面距离的距离，m。

2.3 计算条件

2.3.1 几何模型

以某LNG接收站16×10m全容罐为对象建立几何模型，如图2所示，LNG全容罐外罐直径82 m，外罐高度39 m，罐顶设置安全阀(4用1备)并经尾管引向高空排放。

图2 罐顶安全阀排放尾管示意

2.3.2 计算参数

LNG储罐蒸发气产生主要考虑当地气压变化、低压泵循环产生的蒸发气、外部热量输入产生的蒸发气、翻滚等，其中翻滚下产生的蒸发气是环境热量而引起日蒸发率的100倍。假设罐顶安全阀打开，安全阀排放强度按25 000 kg/h考虑，选择大气稳定度为F，风速为2 m/s的天气条件，根据设计经验，16×10m储罐安全阀排放尾管高度一般为9～18 m之间(距离储罐平台)，通过前期对不同高度的计算确定本次模拟计划采用排放尾管高度10，15 m(距离储罐平台),安全阀排放尾管排放方向按水平、45°向上、垂直排放6种工况考虑，分别计算不同工况下气云扩散及喷射火热辐射影响范围。

3 计算结果及分析

3.1 可燃气云扩散影响分析

3.1.1 可燃气云扩散影响准则

GB50183—2004《石油天然气工程防火设计规范》规定室外活动场所、建筑物，以及站内重要设施不得设置在天然气蒸气云扩散隔离区内，同时要求扩散隔离区边界的空气中甲烷气体平均浓度不应超过2.5%，即17 777.78 mg/m。

3.1.2 可燃气云扩散结果分析

当排放尾管高度为10，15 m，排放方向分别为水平、45°向上、垂直时，不同工况气云扩散影响范围见图3、图4。

图3 安全阀尾管排放可燃气云扩散后果(2F，10 m高度)

图4 安全阀尾管排放可燃气云扩散后果(2F，15 m高度)

根据上述模拟后果，安全阀排放尾管高度10，15 m，不同排放方向在风速及大气稳定度2F条件下，17 777.78 mg/m以上浓度可燃气云主要表现为高空扩散，在储罐顶部和地面不会出现可燃浓度气云，主要扩散影响范围见表1。

表1 安全阀排放尾管不同喷射方向可燃气云影响范围 m

对比上述条件下可燃气云的扩散影响，安全阀排放尾管水平喷射时影响最大，可燃气云扩散至下风向96 m处。安全阀排放尾管垂直喷射时影响最小，可燃气云扩散至下风向12.5 m。

根据模拟结果,10，15 m高度的排放尾管对于可燃气云扩散影响范围无明显影响，而喷射方向则影响变化比较大，建议采用开口方向垂直或45°向上方向。同时需要检查可燃气云扩散范围内是否有建筑物及其他重要设施，重点关注火炬是否布置在可燃气云扩散范围内，若可燃气云扩散范围内布置有火炬等明火点火源，则可能会出现闪火、爆炸等危险，需要调整平面布置。

3.2 喷射火热辐射影响

3.2.1 喷射火热辐射影响准则

若LNG储罐安全阀开启，同时尾管排放气被意外点燃则会发生喷射火后果。分析火灾热辐射对工艺设备、设施和建构筑物的不利影响时，影响准则参考GB/T22724—2008《液化天然气设备与安装：陆上装置设计》相关条款要求，相关要求见表2。

表2 界区内允许最大热辐射通量(不包括太阳辐射热) kW/m2

3.2.2 喷射火热辐射结果分析

当排放尾管高度为10，15 m，排放方向分别为水平、45°向上、垂直时，不同工况喷射火热辐射影响范围见图5、图6。

图5 安全阀尾管喷射火热辐射后果影响(2F，10 m高度)

图6 安全阀尾管喷射火热辐射后果影响(2F，15 m高度)

根据上述模拟结果可知，在风速和大气稳定度2F条件下，尾管喷射方向为水平时，排放尾管高度10，15 m其喷射火都会影响到罐顶混凝土表面，对布置于罐顶的工艺管线、支撑结构会造成不利影响。

当尾管喷射方向为45°向上时，10 m高排放尾管喷射火15 kW/m的热辐射量会达到罐顶混凝土表面，而15 m高排放尾管喷射火15 kW/m的热辐射量不会达到罐顶混凝土表面。

当尾管喷射方向为垂直时，10 m高排放尾管喷射火8 kW/m的热辐射量会达到罐顶混凝土表面，而15 m高排放尾管喷射火8 kW/m的热辐射量不会达到罐顶混凝土表面。不同喷射方向热辐射影响范围见表3。

表3 安全阀排放尾管不同喷射方向喷射火热辐射影响范围

在相同喷射方向条件下，不同高度的排放尾管喷射火热辐射影响范围不同，喷射尾管高度越高，其喷射火热辐射对罐顶设施及周边环境影响越小；喷射尾管高度相同条件下，不同的喷射方向其火灾热辐射影响范围亦不同，尾管水平喷射火灾热辐射影响对罐顶设施及周边环境影响最大，垂直喷射影响最小。

根据模拟分析，安全阀尾管越高，其火灾热辐射影响越小。但若尾管过高会带来尾管抗风、稳定性等问题，并不是尾管设置越高越好，需要在满足喷射火热辐射影响、可燃气云扩散等条件下综合考虑。

综上分析，综合安全阀尾管排放高度及不同排放方向条件下可燃气云影响、喷射火热辐射影响范围，确定16×10mLNG储罐罐顶安全阀尾管高度15 m，排放出口为垂直时，可以满足相关标准的要求，达到安全阀排放尾气安全排放的目的。

4 结论

采用DNV PHAST软件对16×10mLNG全容储罐罐顶安全阀启动后可燃气云扩散、被点燃产生喷射火影响范围进行计算，分析了不同喷射方向条件下其影响范围，确定了罐顶安全阀尾管的位置，为设计提供输入条件。

a) 16×10mLNG储罐安全阀尾管高15 m，开口方向为垂直，其可燃气云扩散、喷射火热辐射影响能够满足相关标准规范要求，可作为安全阀尾管高度的设计输入条件。

b) LNG储罐安全阀尾管开口方向为水平方向时，可燃气云、喷射火热辐射影响最大，在设计时需要注意避免该设计形式，同时要考虑可燃气云扩散范围内是否存在火炬等点火源，为接收站的总图布局提供依据。