大型常压LNG双金属全容储罐建造

陈杰，郭旭，翟耀峰，孟树森，唐志光，顾枫，朱彬，陈海华

（张家港中集圣达因工程有限公司，江苏 张家港 215600）

现在中国正面临着严重的环境问题，在生态环境污染日益严重的形势面前，为了优化能源消费结构，改善大气环境，实现可持续发展的经济战略，LNG作为一种清洁能源，具备使用安全、热值高而备受广泛关注，其相关产业受到国家的重视并得到大力支持。用于储存LNG的容器也逐步向大型化发展，而LNG双金属全容储罐以建造占地面积小、建造成本低、建造周期短、保冷效果好、运行安全性高等优点受到LNG产业市场的青睐。本文以1台双金属全容储罐为例，重点对该产品的结构、设计进行研究。

1 双金属全容储罐罐体介绍

LNG低温常压双金属全容储罐[1]设备为平底、内吊顶、外拱顶、立式双圆筒金属壁、全包容结构。储罐由主容器、次容器、底部绝热层、热角保护层、夹层绝热层、梯子平台等组件构成。

主容器为自支撑式、钢制、顶部敞开式，储存LNG单壁罐。主容器整个置于底部绝热层之上，并与次容器壁之间预留有夹层，夹层空间填充密实的珠光砂，以保持储罐具有良好的绝热性能；主容器筒体采用不等厚设计，并设置多道整圈加强筋加强，主容器顶部设置内吊顶。吊顶板通过多条不锈钢扁钢与次容器顶部径向梁进行可靠的连接，以保持良好的承重性能，吊顶板之上铺设玻璃纤维棉，以保持主容器顶部空间范围内具有良好的绝热性能；次容器是一个具有拱顶的自支撑式、钢制、密闭式储罐。顶部采用工字钢和加强筋板组成的带肋结构，次容器在正常操作条件下，作为储罐主要蒸发气容器，并支撑主容器的绝热层材料；在主容器泄漏的工况下，也能够储存泄漏的全部LNG。在主容器与次容器底部、夹层空间设置热角保护，主要作用是在主容器发生泄漏时，底部空间内的泄漏LNG不能直接与次容器筒体底部和底板直接相接触，防止在主容器发生泄漏时通过次容器壁板冷量传递到次容器筒体与底板的大角焊缝位置，使得大角焊缝承受巨大的温差应力。主容器、次容器下部四周均匀设置了锚固装置，并与基础预埋锚固装置进行可靠连接，使主容器、次容器紧固于储罐基础承台之上，以防止设备在工作载荷和外力（如风载荷、地震载荷等）的作用下产生倾斜与提升。主容器底板和次容器底板之间铺设泡沫玻璃砖作为底部绝热层和承受主容器和介质的重量。次容器筒体壁板与热角保护筒体部分夹层300 mm环形空间内砌设泡沫玻璃砖作为保冷材料和支撑物，用以隔绝在储罐侧壁方向发生的冷量传递。

2 设计

2.1 结构强度、稳定性分析计算[2]

主要包括：筒体强度计算、日蒸发率计算、呼吸阀计算、BOG量的计算、补气量计算、底部绝热层强度计算、潜液泵泵柱计算、补强圈计算及珠光砂压力计算。

对于罐顶设计，顶盖结构是用来支撑平台、泵柱、动载荷臂、悬浮顶和一些其他载荷诸如静载荷、动载荷以及随机载荷的总载荷，现在常用的校核顶盖结构参数的方法是载荷系数法，次容器顶部框架设计基于有限元分析计算。

2.2 工艺安全设计

主要包括：超压保护、低压保护、高液位连锁、低液位连锁、夹层泄漏检测、喷淋水冷却系统、干粉灭火系统、可燃气体泄漏检测等[3]。

2.2.1 压力控制

LNG全容罐罐内压力升高时，控制措施如下：顶部设置一路BOG回收管线，当罐内压力达到设定值时，BOG管道气动阀打开，抽取罐内BOG，使罐内压力维持在安全范围内；顶部配备呼气阀，当罐内压力达到设定值时自动开启，泄放罐内BOG。

LNG全容罐罐内压力降低时，控制措施如下：设备设置一路自动补气管线，当罐内压力降低至设定值时，通过补气管道向罐内补充常温介质气体或氮气；顶部配备吸气阀，当罐内压力达到设定值时吸气阀自动开启，向罐内补充空气。

2.2.2 液位控制

储罐设置两台伺服液位计（带液位及密度检测功能）用来连续计量罐内的液位。设置一台雷达液位超限控制开关，用于储罐高液位报警。储罐液位控制措施如下：

1）当液位达到设定的高液位时，控制室报警灯闪烁；

2）当液位达到设定的高高液位时，控制室报警灯闪烁，系统自动切断进液紧急切断阀；

3）当液位达到设定的低液位时，控制室报警灯闪烁；

4）当储罐液位达到设定的低低液位时，控制室报警灯闪烁，系统自动切断出液紧急切断阀，潜液泵不能启动。

2.2.3 温度检测

主容器温度检测用于储罐预冷，观察钢板温度变化。主容器与次容器夹层空间温度检测用于观察储罐运行过程中是否有内漏故障。LNG全容罐温度检测点布置如下：主容器壁温度监控为－200～+650 ℃，数字信号（双支式表面温度计，6支）；主容器底板温度监控：－200～+650 ℃，数字信号（双支式表面温度计，5 支）；主容器与次容器夹层空间监控为－200～+650 ℃，数字信号（双支式表面温度计，4 支）；主容器液体温度监控为－200～+650℃，数字信号（液体平均温度计11点，单支式）。

2.2.4 可燃气体检测点

全容罐顶部操作平台设置多个点式可燃气体泄漏检测和可燃气体泄漏报警系统，输出4～20 mA信号进DCS系统，实时检测储罐顶部管道是否存在泄漏。

2.2.5 LNG全容罐消防控制方案[4]

1）喷淋水系统。储罐顶部及次容器外壁各设置一圈水喷淋保护，防止储罐壁温过高而造成罐内LNG蒸发。

2）干粉系统。储罐顶部的呼气阀放散口、自动放空放散口设置干粉灭火系统，防止放散气体燃烧，威胁储罐安全。干粉装置与放散口的温度检测及火焰探测连锁，两者同时出现开启信号时，干粉装置进行自动灭火。

3 工艺管线设计

3.1 进液管线

由液化装置区送出来的液化天然气送至LNG储罐。进液管道采用真空管道，最大限度地减少冷损，进液管至顶部操作平台后分为2路，其中一路为顶部进液，另一路为底部进液，分别设置远程控制阀，储罐运行期间为全开状态，并设置根部阀，储罐初次进液使用底部进液，设备正常运行期间顶进液和底部进液切换的依据是：

1）进液物料LNG密度相近时，选用底部进液；

2）当储罐储存LNG密度大于进液物料LNG密度时，选用底部进液；

3）当储罐储存LNG密度小于进液物料LNG密度时，选用顶部进液；

3.2 排液管线

储罐主容器内部安装2台LNG潜液泵，通过潜液泵将LNG送至装车站，排液总管设置孔板流量计、远程控制阀等，排液主管线上所有阀门在储罐正常运行期间均处于全开状态，排液管线上设有泵后回流支路，对出液流量进行调节。

3.3 补气管线

储罐设置1路补气管，储罐压力低至报警值时对储罐进行补气，管线设置远程控制阀，通过控制阀对储罐压力进行补气。

3.4 储罐吸气阀

储罐设置3套吸气阀，并设置根部阀，遇储罐内部压力低时，吸气阀自动打开，向储罐内部吸入空气，防止负压对储罐稳定性的破坏，根部阀处于常开状态，3台吸气阀不允许同时检修，检修时先关闭各自根部阀。

3.5 BOG回收管线

储罐运行时产生的BOG通过回收管线输送至压缩机回收。管线上设置控制阀，在储罐正常运行中为关闭状态，当储罐压力达到15 kPa时，控制阀自动打开，BOG回收管线畅通，BOG气体去往压缩机，当BOG泄放使储罐压力降低至15 kPa时，控制阀自动关闭，管线切断。BOG回收管线设置根部阀，该阀门在储罐正常运行期间均处于全开状态。

3.6 储罐呼气阀

储罐设置2套防超压呼气阀，并设置根部阀，当储罐内部压力达到24 kPa时，呼气阀自动打开，将储罐内部超压气体排放至储罐外部，防止储罐超压，根部阀处于常开状态，2台呼气阀不允许同时检修，检修时先关闭各自根部阀。

3.7 泵后回流管线

储罐设置有潜液泵后回流管线，回流管线引出口位于排液总管上，回流管线上各设置根部止回阀，防止液体倒流。同时潜液泵泵后回流管线上各设置控制阀，控制阀与潜液泵排液管线上流量计关联，控制阀设置前端根部阀、后端根部阀。

3.8 装车液相回流管线

储罐设置一路装车液相回流管线，用于装车位LNG回罐，设置常开根部阀。

3.9 装车BOG回流管线

储罐设置一路装车气相回流管线，用于装车位NG回罐，设置常开根部阀。

4 结束语

对于同等储存容积，双金属全容储罐一次投资费用低，占地小 、附加值高，建造技术难度大、要求高，拥有该技术的国家少，市场潜力巨大。