液化輕烴低溫儲罐安全排放問題探討

液化輕烴低溫儲罐安全排放問題探討

自1954年美國建造了第一個低溫雙壁儲水庫以來，低溫低溫儲存技術已有63年的歷史。相對于壓力球罐儲存,低溫常壓儲罐的儲存壓力低、保冷效果好,其占地面積、投資和安全性都優(yōu)于球罐;但也因為相同的原因,大型低溫常壓儲罐系統(tǒng)更復雜,對材料和設備要求更高,而且大型低溫常壓儲罐單罐儲存量大,一般在1萬m大型低溫常壓儲罐內儲存介質包括LNG和各種液化烴,如乙烯、丙烯、丙烷、混合碳四、LPG等。大多數(shù)情況下,其閃蒸氣(BOG)都由BOG壓縮機組回收,但在出現(xiàn)非正常工況超壓時,會存在安全泄放的問題。由于大型低溫常壓罐設計壓力都很低,設計壓力一般在-0.5~+29kPa(g),排放氣管道尺寸大,且火炬背壓要求低,國內很多低溫常壓儲罐的安全泄放都是直接排向大氣。由于不同的儲存介質相對于空氣的密度不同,對某些儲存介質,這樣的設置可能存在一定的安全風險。下面將就此方面進行探討。1由于大型低溫儲水池的高壓，其壓力1.1罐內液體的閃蒸氣產(chǎn)生機理在大型低溫常壓儲罐中,儲存的介質都處于低溫常壓飽和狀態(tài),一般壓力在-0.5~+29kPa(g),儲存溫度由于介質的不同而不同(見表1)。正常情況下,外界環(huán)境都會以太陽輻射或對流的方式向罐內介質傳熱,雖然儲罐具有優(yōu)秀的保冷設施,但傳熱不可避免,由此產(chǎn)生的閃蒸汽量與儲存介質的物性、保冷層的厚度和儲罐容積相關。當液體向儲罐內進料時,會產(chǎn)生大量的閃蒸氣。一方面,低溫液體從低溫卸船碼頭或者低溫槽車裝卸站臺至罐內,需要一段至少數(shù)百米的管線,管線雖然有良好保冷措施,但不能避免會持續(xù)從環(huán)境吸收熱量。有些工廠采用真空雙層管作為卸料管道,這可以顯著降低管道冷損,但真空雙層管價格昂貴,大多數(shù)工廠還是采用覆蓋保冷材料的鋼管作為卸料管道。另一方面,液體進料時體積置換會產(chǎn)生與進料液體基本相同體積的氣體。其次,如果采用卸料低溫泵或者低溫船泵的方式將低溫液體送入儲罐,泵本身產(chǎn)生的熱量也會隨之帶入儲罐中而產(chǎn)生閃蒸氣。低溫泵本身具有良好的保冷特征,且泵外環(huán)境溫度高于泵的操作溫度,低溫泵電機的電能除了通過聲音和管道設備震動耗散外,大部分能量幾乎都最終轉化為罐內液體的熱能。另外,低溫液體管道需要保冷,以免突然冷料流過產(chǎn)生過大的應力造成管道或管件的破壞,此部分循環(huán)流動的保冷低溫液體也會從環(huán)境中吸收熱量,進而產(chǎn)生閃蒸氣。除上述因素外,外界環(huán)境變化或輸送泵打循環(huán)都可能產(chǎn)生閃蒸氣。1.2冷凝器的能力一般而言,為了減少日常儲存時物料的損失,采取閃蒸氣壓縮冷凝的方式,將這部分閃蒸氣重新冷凝降溫為低溫液體后回收,閃蒸氣壓縮冷凝的能力一般可按上述因素產(chǎn)生的閃蒸氣量合理疊加選擇。一般正常工況下,閃蒸氣總量不會非常大,以浙江某工廠的2臺6萬m但非正常工況產(chǎn)生的閃蒸氣量則遠大于正常工況。一般對于低溫儲罐來說,非正常工況的閃蒸氣產(chǎn)生量主要考慮全廠停電、全廠停儀表氣、外部火災、臺風、儲存液體的翻滾、內罐泄漏與失效等工況的可能組合,選擇其中最大者作為設計工況。表2中列舉了山西某液化天然氣儲運站的1臺1萬m2儲水池的大型壓力保護為了避免由于上述因素導致的儲罐超壓,除了閃蒸氣壓縮冷凝外,大型低溫常壓儲罐一般都考慮了額外的多重超壓保護措施。2.1儲罐壓力監(jiān)測對LNG低溫全容罐,一般超壓保護的分級設置都有相對統(tǒng)一的模式:當閃蒸氣壓縮冷凝系統(tǒng)故障,不能抑制壓力升高時,儲罐壓力監(jiān)測會報警,進而聯(lián)鎖打開閃蒸氣總管的火炬放空自動閥門,如果壓力仍然不能控制,儲罐上的數(shù)個先導式安全閥會相繼開啟,將LNG氣體直接排入大氣。表3是山西某液化天然氣儲運站的1萬m2.2設置閃蒸氣總管的火炬放空自動閥門對低溫乙烯、丙烷、丙烯、混合碳四常壓儲罐的壓力泄放,一般沒有統(tǒng)一的設計模式,不同的設計單位會采取不同的設計理念。當閃蒸氣壓縮冷凝不能控制壓力升高時,首先儲罐壓力監(jiān)測會報警和聯(lián)鎖,然后打開閃蒸氣總管的火炬放空自動閥門。如果壓力仍然不能控制,有些設計類似于LNG儲罐,先導式安全閥將氣體直接排入大氣,還有一些設計則與LNG儲罐不同,儲罐上的先導式安全閥會將氣體密閉排入火炬系統(tǒng),當壓力仍然不能控制時,儲罐上設置的數(shù)個泄壓人孔會開啟,氣體直接排入大氣。對后者的設計來說,先導式安全閥的泄放能力考慮了各種較為極端的工況,浙江某工廠2臺6萬m然而,如果分析大氣中丙烷等液化烴的擴散特征與天然氣的異同,就可以發(fā)現(xiàn),即使包含較極端的泄放工況,安全閥排放氣不直排大氣,而是排放至火炬有其設計的安全性和合理性。3密度對天然氣、空氣的影響LNG或丙烷、丙烯等液化烴泄放至大氣后,其運動狀態(tài)除了取決于當時的大氣狀態(tài)、風速外,也取決于與空氣的密度比。當大氣狀態(tài)穩(wěn)定、風速很低時,一般與空氣相比,密度的大小直接決定了其運動狀態(tài)。圖1為各種液化烴和LNG的密度-溫度曲線,其中粗實線表示了空氣的密度-溫度曲線。低溫常壓儲罐在超壓泄放時,溫度接近于其泄放壓力下的沸點,通過安全閥泄放至大氣后會與大氣發(fā)生強烈混合換熱,溫度逐漸升高。在我國大部分地區(qū),大氣溫度一般都在-30℃以上,接觸到冷泄放氣后,靠近泄放氣的空氣團會迅速降溫,與泄放氣成為一個混合氣團,在大氣中整體上升或下沉。因此,作為泄放氣密度參照的空氣密度-溫度曲線(圖1中粗實線),在圖中假定最低值為-30℃。從圖1中很容易看出,天然氣在約-135℃以上,密度會小于空氣;乙烯在約-35℃以上,密度才會略小于空氣,與相同溫度下空氣的密度接近;丙烯、丙烷、異丁烷、異丁烯和正丁烷,在相同溫度下,密度都大于空氣。也就是說,對于LNG低溫儲罐,超壓泄放入大氣的冷天然氣會在與空氣的混合中迅速被加熱,密度逐漸減小。開始時,冷天然氣團會有下降運動的趨勢,但被加熱到約-135℃以上,密度小于空氣后,開始逐漸向上運動,同時進一步與空氣混合擴散。地面上可能出現(xiàn)天然氣濃度在爆炸極限內的區(qū)域,僅在天然氣儲罐周圍很小的區(qū)域內,而天然氣儲罐近距離范圍內一般是沒有操作人員或點火源的,因此作為事故狀態(tài)的超壓泄放,為保護儲罐安全,將天然氣排入大氣,其風險在一定程度上是可以接受。但對于丙烯、丙烷、異丁烷、異丁烯和正丁烷等液化烴來說,超壓泄放入大氣后,在一邊與空氣混合擴散的同時,一邊有下沉的趨勢,在儲罐附近相當大的范圍內都會出現(xiàn)可燃氣體的積累,并且濃度會在爆炸極限內,特別是大氣狀況穩(wěn)定無風、擴散混合作用減弱時,近地面可燃氣體高濃度區(qū)的范圍更大。液化烴與空氣的爆炸混合氣體會沿地面蔓延,對整個儲運區(qū)或工廠都是極大的隱患,一旦出現(xiàn)點火源就可能會發(fā)生嚴重的蒸汽云爆炸。據(jù)研究人員分析計算,對2臺100m對于乙烯,超壓泄放入大氣后與天然氣類似,在空氣中擴散的同時被加熱,當溫度在約-35℃以上時,乙烯密度略小于空氣,幾乎與空氣相同。在-30℃時,乙烯氣與空氣的比重為0.978,與20℃空氣的比重為1.179;在20℃時,乙烯氣與空氣的比重為0.975。因此,大氣狀況穩(wěn)定無風時,乙烯可能會與空氣在近地面和空中形成更穩(wěn)定的混合物,混合物有可能在爆炸極限內,一旦出現(xiàn)點火源,同樣可能會發(fā)生嚴重的蒸汽云爆炸,為了降低這種安全風險,乙烯超壓泄放氣體也最好能夠密閉排入地面火炬系統(tǒng)。4大氣超壓泄放(1)低溫常壓儲罐非正常工況下的閃蒸汽產(chǎn)生量遠大于正常工況,一般采用安全閥超壓排放,排放去向根據(jù)排放介質的不同應謹慎考慮。(2)由于超壓泄放入大氣的天然氣在溫度上升后明顯比空氣輕,在大氣中擴散的同時向上運動,地面不會出現(xiàn)大范圍的爆炸性氣體積累。非正常工況(臺