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LNG加氣站安全泄放量的計算及放散管設置

文檔作者：高黎敏文檔來源：陜西省燃氣設計院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年04月13日
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第36卷第2期
2016年2月
煤氣與熱力
GAS&amp;amp; HEAT
V0I．36 No．2
Feb．20l6
· 燃氣汽車·船舶·加氣站·
LNG加氣站安全泄放量的計算及放散管設置
高黎敏
(陜西省燃氣設計院，陜西西安710043)
摘要： 介紹LNG加氣站安全閥和放散管設置的相關規(guī)定，探討LNG儲罐及管道安全泄放
量的計算，安全閥的選型計算，放散總管管徑的計算，以及放散管設計注意事項。
關鍵詞： LNG加氣站； 泄放量； 安全閥； 放散管
中圖分類號：U473．8 文獻標志碼：B 文章編號：1000—4416(2016)02一OB08—04
作者簡介：高黎敏，女 工程師，學士 ，從事燃氣與化工
工程設計工作。、 一
在LNG加氣站設計中，部分設備及管道應設置
安全閥，集中引至放散總管，防止設備及管道壓力超
過設計壓力而發(fā)生事故。放散管及安全閥的合理設
置是保證LNG加氣站正常運行的必要措施。
1 安全閥和放散管設置要求及超壓原因
1．1 要求設置安全閥的部位
① 根據(jù)GB 50156-2012(汽車加油加氣站設
計與施工規(guī)范》(2014年版，以下簡稱GB 5O156—
2012)第9．1．6條第1款，儲罐應設置全啟封閉式安
全閥，且不應少于2個，其中1個應為備用。安全閥
的設置應符合現(xiàn)行行業(yè)標準TSG R0004-2009(固
定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》。
收稿日期：2015—09—22； 修回日期：2015—11—14
② 根據(jù)GB 50156-2012第9．1．8條第4款，
在泵出口管道上應設置全啟封閉式安全閥。
③ 根據(jù)GB 50156-2012第9．4．5條，LNG管
道的兩個切斷閥之間應設置安全閥或其他泄壓裝
置，泄壓排放的氣體應接人放散管。
1．2 放散管設置要求
根據(jù)GB 50156-2012第9．4．6條，LNG設備和
管道的天然氣放散應符合下列規(guī)定：
① 加氣站內(nèi)應設集中放散管。LNG儲罐的
放散管應接人集中放散管，其他設備和管道的放散
管宜接入集中放散管。
② 放散管管口應高出LNG儲罐及以管口為
中心半徑12 m范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物2 I13及以上，
且距地面不應小于5 ITI。放散管管口不宜設雨罩等
影響放散氣流垂直向上的裝置。放散管底部應有排
污措施。
③ 低溫天然氣系統(tǒng)的放散應經(jīng)加熱器加熱后
放散，放散天然氣的溫度不宜低于一107 。
由GB 50156-2012表5．0．13—2“站內(nèi)設施的
防火間距”可知，LNG放散管口與LNG工藝設備之
間無防火間距要求。因此，在滿足防火間距要求的
前提下，LNG放散管可以設置在防護堤內(nèi)，沿著
LNG儲罐上去，高出儲罐2 m。LNG放散管也可以
設置在綠化帶內(nèi)。
根據(jù)GB 50156-2012條文說明第9．4．6條第
· B 08 ·
高黎敏：LNG加氣站安全泄放量的計算及放散管設置 第36卷第2期
1款和第2款，在加氣站運行中，常發(fā)生LNG液相系
統(tǒng)安全閥彈簧失效或發(fā)生冰卡而不能復位關閉，造
成大量LNG噴泄。因此，LNG加氣站的各類安全閥
放散需集中引至安全區(qū)，避免放散天然氣影響附近
建(構(gòu))筑物安全。而有的加氣站，放散塔高達15 111
以上，若設置在防護堤內(nèi)，放散管三個方向的地腳拉
繩不但影響設備區(qū)檢修通道，而且不夠美觀?。因
此，如果站區(qū)用地足夠，建議將放散塔設置在防護堤
外、站區(qū)圍墻內(nèi)，可以設置在綠化帶內(nèi)；如果站區(qū)用
地較小，則考慮沿著儲罐設置。
1．3 超壓原因分析
LNG儲罐的最大危險性之一在于絕熱層真空
被破壞，絕熱性能下降，從而使低溫深冷儲存的
LNG因受熱而氣化，儲罐內(nèi)壓力劇增。此時安全閥
自動開啟，通過集中放散管釋放壓力。
LNG、BOG管道為低溫深冷管道，采用真空管
或絕熱材料絕熱，但當真空度破壞或絕熱性能下降
時，液相或氣相管道壓力劇增，此時安全閥自動開
啟，可以降低管道內(nèi)的壓力。
2 LNG放散管管徑選型分析
2．1 儲罐及管道安全泄放量的計算
根據(jù)TSG I)0001-2009《壓力管道安全技術監(jiān)
察規(guī)程工業(yè)管道》中E1．3．1第2條，液化氣體容
器和管道系統(tǒng)有完善的絕熱層時，安全泄放量按照
式(1)進行計算。
qm ——— —一 (1)
式中g ——安全泄放量，kg／h
泄放壓力下介質(zhì)的飽和溫度，K
A——常溫下絕熱材料的熱導率，kW／(ITI·
K、
— — 容器或管道受熱面積，113
— — 容器或管道編號， =1時為容器，i=2
時為管道
絕熱層厚度，nl
r——在泄放壓力下，液體氣化潛熱，kJ／kg
儲罐封頭面積近似按儲罐圓截面積估算，則儲
罐受熱面積按照式(2)進行計算。
+ (2)
式中A，——儲罐受熱面積，m
D ——儲罐內(nèi)罐的內(nèi)直徑，m
— — 儲罐簡體高度，m
管道受熱面積按照式(3)進行計算。
A2：,rrD2Z (3)
式中 ：——管道受熱面積，m
— — 管道內(nèi)直徑，m
z——管道長度，m
LNG主要組分為甲烷，其體積分數(shù)可達99％以
上。因此，LNG物性參數(shù)近似按甲烷考慮。查GB
150．1-20l1《壓力容器第1部分：通用要求》(以
下簡稱GB 150．1__20l1)附錄B表B．6，甲烷的摩
爾質(zhì)量M=16．04 kg／kmol，在0．013 MPa、15℃時
的等熵指數(shù)K=1．31，臨界壓力(絕壓)P =4．641
MPa，臨界溫度To=190．65 K。
根據(jù)HG／T 20570．2—1995《安全閥的設置和選
用》(以下簡稱HG／T 20570．2—1995)第2．0．17
條，安全閥的開啟壓力(即整定壓力)，其值與設定
壓力相同。根據(jù)HG／T 20570．2—1995第2．0．20
條，安全閥的泄放壓力等于設定壓力加超過壓力。
那么，泄放壓力等于整定壓力加超過壓力。根據(jù)
GB／T 12241-2005(安全閥一般要求》(以下簡稱
GB／T 12241-2005)第3．2．5條，排放壓力為整定
壓力加超過壓力。因此，泄放壓力等同于排放壓力。
根據(jù)GB／T 12241-2005第3．2．2條，超過壓力
通常用整定壓力的百分數(shù)表示。對具體安全閥，其
產(chǎn)品標準有相應的規(guī)定。GB／T 12243-2005《彈簧
直接載荷式安全閥》5．2節(jié)表6規(guī)定，排放壓力應小
于或等于1．1倍整定壓力。本文討論的安全閥為彈
簧直接載荷式安全閥，排放壓力取1．1倍整定壓力。
大氣壓取0．1 MPa。
儲罐的安全閥的泄放壓力的確定：GB 150．1m
2011第B．4．7條規(guī)定，應根據(jù)容器的工作壓力P
確定安全閥的整定壓力P ，一般取P =(1．05～
1．1)P 。由于LNG儲罐最大工作壓力為1．2 MPa，
因此，儲罐安全閥的整定壓力可取1．26～1．32
MPa。根據(jù)GB 50156-2012第8．3．5條，當設備的
最大工作壓力P ≤1．8 MPa時，安全閥的定壓(單位
為MPa)應符合p =p +0．18 MPa，因此，儲罐安全
閥定壓可取1．38 MPa。綜合考慮，本文取滿足GB
150．1—20l1和GB 50156-2012兩者之中的較小
值，即LNG儲罐安全閥的整定壓力定為1．26 MPa，
這樣更偏于安全。此時泄放絕對壓力為1．486 MPa。
潛液泵前管道的安全閥的泄放壓力的確定：根
· B 09 ·
第36卷第2期 煤氣與熱力
據(jù)GB 50156-2012第8．3．5條，當設備的最大工作
壓力P ≤1．8 MPa時，安全閥的定壓P (單位為
MPa)應符合P =P +0．18 MPa。LNG儲罐最大工
作壓力P 為1．2 MPa，LNG潛液泵前管道系統(tǒng)的工
作壓力與LNG儲罐工作壓力一致，均為1．2 MPa。
因此，LNG潛液泵前管道系統(tǒng)安全閥的定壓可以取
1．38 MPa。考慮到LNG潛液泵前管道與LNG儲罐
連通，應與LNG儲罐安全閥的定壓保持一致。因
此，LNG潛液泵前管道系統(tǒng)安全閥的整定壓力定為
1．26 MPa，泄放絕對壓力為1．486 MPa。
潛液泵后管道的安全閥的泄放壓力的確定：根
據(jù)GB 50156-2012第8．3．5條，當設備的最大工作
壓力P ≤1．8 MPa時，安全閥的定壓P (單位為
MPa)應符合P =P +0．18 MPa。LNG潛液泵進口
壓力為1．2 MPa，出口壓力為1．6 MPa，LNG潛液泵
后管道系統(tǒng)的工作壓力為1．6 MPa。因此，LNG潛
液泵后管道系統(tǒng)安全閥的整定壓力定為1．78 MPa，
泄放絕對壓力為2．058 MPa。
以1臺公稱容積為60 m 的立式LNG儲罐為
例，根據(jù)設備廠家提供的參數(shù)可知：D =2．65 111，h
= 10．5 m，A=0．157 W／(nl·K)， =0．25 m。泄放
絕對壓力為1．486 MPa，由文獻[2]查得：T=158．2
K，r=383．3 kJ／kg。將相關參數(shù)代入式(2)，得儲罐
受熱面積A =98．4 m 。
將A =98．4 Ill 代人式(1)，得儲罐安全泄放量
為：q 1=326．1 kg／h。
以LNG儲罐出液口到LNG潛液泵進液口的液
相管道為例，管道參數(shù)如下：D =0．050 111，Z=3 1TI，
保冷層材料用Armaflex LT材料，A=0．028 W／(m·
K)，保冷層厚度 =0．10 m。泄放絕對壓力為1．486
MPa，由文獻[2]查得：T=158．2 K，r=383．3 kJ／kg。
將相關參數(shù)代入式(3)，得LNG儲罐出液口到LNG
潛液泵進液口的液相管道受熱面積A，=0．47 in 。
將A =0．47 in 代入式(1)，得LNG儲罐出液
口到LNG潛液泵進液口的液相管道安全泄放量為：
qm2=1．8 kg／h。
以LNG潛液泵出液口到LNG加氣機進液口的
液相管道為例，管道參數(shù)如下：D =0．040 m，f=20
In，保冷材料用Armaflex LT材料，A=0．028 w／(IIl
· K)，保冷層厚度 ：0．10 I'll。泄放絕對壓力為
2．058 MPa，由文獻[2]查得：T=166．3 K，r=344．0
kJ／kg。將相關參數(shù)代入式(3)，得LNG潛液泵出液
13到LNG加氣機進液口的液相管道受熱面積A =
2．5 1TI 。
將A：：2．5 Ill 代入式(1)，得LNG潛液泵出液
口到LNG加氣機進液口的液相管道安全泄放量為：
qm2=7．8 kg／h。
2．2 安全閥選型計算
根據(jù)GB／T 18442．6．20l 1《固定式真空絕熱深
冷壓力容器第6部分：安全防護》附錄A．5“安全
閥排放能力計算”，當滿足公式(4)時，屬于臨界流
動狀態(tài)，安全閥排放能力按公式(5)計算；當滿足公
式(7)時，屬于亞臨界流動狀態(tài)，安全閥排放能力按
公式(8)計算。安全閥排放絕對壓力就是儲罐或管
道的泄放絕對壓力。
≤( ) ㈩
式中 ——安全閥出口絕對壓力，MPa
p ——安全閥排放絕對壓力，MPa
，c——氣體等熵指數(shù)
一7．6枷 CKpdA√ ㈩
A： (6)
式中gm?！?— 安全閥的排放能力，kg／h
c——氣體特性系數(shù)
安全閥的額定泄放系數(shù)，與安全閥結(jié)
構(gòu)有關，應根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定。無參
考數(shù)據(jù)時，全啟式安全閥K=0．60～
O．70
— — 安全閥最小排氣截面積，mm
— — 氣體的摩爾質(zhì)量，kg／kmol
z——在排放絕對壓力P 下飽和氣體的壓縮
因子
— — 安全閥進口側(cè)的氣體溫度，K
d?！踩y喉部直徑，mm
( ㈩
gm0=55．84KpdA ·
(8)
經(jīng)計算，安全閥出口絕對壓力P。為0．30 MPa。
對于LNG儲罐上的安全閥和LNG儲罐出液口
到LNG潛液泵進液口的液相管道上的安全閥，P。=
· B l0 ·
高黎敏：LNG加氣站安全泄放量的計算及放散管設置 第36卷第2期
0．30 MPa，Pd=1．486 MPa。由于缺乏資料，本文中
甲烷等熵指數(shù)，c近似取壓力為0．013 MPa、溫度為
15℃時的等熵指數(shù)進行計算，即取K=1．31。代人
式(4)，得：
： 0．202
pd
( ) 一o-5
可見，式(4)成立，屬于臨界流動狀態(tài)，安全閥
排放能力按公式(5)計算。
對于全啟式安全閥，K=0．60～0．70，本文K取
0．65；已知Pd=1．486 MPa，M =16．04 kg／kmol；由
GB 150．1—2O11附表B．4查得：C=348；由文獻
[2]查得天然氣的飽和溫度為158．2 K；安全閥進口
側(cè)的氣體溫度近似等于飽和溫度，即 =158．2 K；
已知P =4．641 MPa，T =190．65 K，經(jīng)計算，對比壓
力P =0．320，對比溫度 =0．83，由GB 150．1—
2011圖B1查得：z=0．77；安全閥喉部直徑分別選
取不同值，計算出安全閥最小排氣截面積，代人式
(5)，得出安全閥的排放能力見表1。
同理，對于LNG潛液泵出液口到LNG加氣機
進液口的液相管道上的安全閥，當P。=0．30 MPa，
Pd=2．058 MPa時，ro=166．3 K，P =0．443，Tr=
0．87，Z=0．73，可以計算出安全閥的排放能力，其
結(jié)果見表1。
表1 安全閥喉部直徑對應的排放能力
排放絕對壓力 #放絕對壓力
安全閥喉部 安全閥最小 Pd=1．86 Pa -2,o58 MPa
直徑 排氣截面積 時安全閥的 時安全閥的
／mm 排放能力g神 排放能力阜神
／(ks-!h一 ) ／(ks,h? )
6 28．3 262．3 363．9
10 78．5 727．6 l 009．4
15 176．6 1 636．8 2 270．8
20 314．0 2 910．3 4 037．6
按公式(1)計算出儲罐安全泄放量為326．1
kg／h。根據(jù)部分設備廠家提供的儲罐安全泄放量數(shù)
據(jù)，同等規(guī)格公稱容積的儲罐，絕熱材料熱導率存在
差異。因此，LNG儲罐安全泄放量也存在差異，較
小的約90 kg／h，較大的約540 kg／h，均小于727．6
kg／h。因此，根據(jù)表1，儲罐上安全閥喉部直徑選用
10 mm，可以滿足要求。按公式(1)計算出LNG潛
液泵前管道安全泄放量為1．8 kg／h，LNG潛液泵后
管道安全泄放量為7．8 kg／h，根據(jù)表1，LNG潛液泵
前后的管道上安全閥喉部直徑選用6 mm，可以滿足
要求。
加氣站一般采用全啟式安全閥，安全閥進口直
徑略大于安全閥喉部直徑，一般選擇公稱直徑規(guī)格
比喉部直徑大一個級別的型號 j。從安全角度出
發(fā)以及參照已運行的加氣站經(jīng)驗，儲罐上安全閥大
部分選擇DN 15 mm或DN 20 rain，管道上安全閥選
擇DN 15 mm居多。
一般情況下，泵橇、加氣機等設備的安全泄放量
較小，遠小于儲罐極限情況下的安全泄放量。因此，
本文對泵橇、加氣機等設備上設置的安全閥不做分
析，一般根據(jù)經(jīng)驗值，選取DN 15 mm的安全閥。
2．3 放散總管管徑
放散總管管徑可按下式進行計算：
D0=~／d +d +?+d +?+d： (9)
式中Dn——放散總管內(nèi)直徑，mm
d ——安全閥出口管內(nèi)直徑，mm
— — 安全閥總數(shù)，個
一般情況下，安全閥出口管內(nèi)直徑相等，即d
= d：=? =d ，式(9)可以化簡為：
D0=d Jr, (10)
當n=10，d =15 mm時，代入式(10)，得D。
47 mm。當n=15，d =15 mm時，代人式(10)，得
D。 58 mm。當／7,=20，d =15 mln時，代入式(10)，
得D0 67 mm
因此，當n≤10時，放散總管規(guī)格可以選取DN
50 mnl；當10< ≤15時，放散總管規(guī)格可以選取
DN 65 mm；當15

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