LNG厂站工程中围堰区的优化设置

lnglng 厂站工程中围堰区的优化设置厂站工程中围堰区的优化设置 1 1 概述概述 1 11 1 围堰区的概念围堰区的概念 在 lng 厂站工程中 最主要的危险设施为 lng 储罐 在事故状态下储罐可能破 裂 为防止此时 lng 的泄漏蔓延 在大部分的 lng 厂站工程中 需按规范要求 为储罐设置安全围护设施 即钢筋砼围护墙 此围护墙称为围堰 围堰所围合 的区域即为围堰区 本文分析探讨的是在储罐总储量大于 2000m3的 lng 厂站 工程中 需特殊设置的围堰区 1 21 2 围堰区的参数围堰区的参数 围堰区具有许多属性参数 规范中仅对某些参数有所限制 常用的参数 a 围堰扩距 围堰内堤脚到储罐外壁的距离 单位为 m b 围堰区域面积 围堰所围合的区域占地面积 单位为 m2 c 围堰区有效容积 围堰区域面积与围堰计算高度的乘积 单位为 m3 其中 围堰计算高度等于围堰内高度 围堰区内地面算起 减去 0 2m 参数之间的关系 围堰区的上述 3 个参数互相关联制约 围堰扩距是最基本的参数 在围堰高度 一定时 围堰扩距越大 围堰区域面积越大 围堰区有效容积越大 1 31 3 围堰区对工程的影响围堰区对工程的影响 lng 厂站总平面设计中 必须满足两项基本要求 一是确保建构筑物 站内外 之间防火间距满足规范要求 二是对站外环境的危害程度符合安全评价 以下简 称安评 和环境影响评价 以下简称环评 的要求 防火间距的控制 与其他建构筑物不同 对于按规范要求设置了围堰区的储罐 除了控制储罐本 体 从罐外壁算起 到周围建构筑物的距离 还要控制围堰边界到周围建构筑物 站内外 的距离 安全评价和环境影响评价 在对厂站的安评和环评中 其危害程度的评估计算 是以围堰区域面积或围堰 区有效容积为基数的 基数越大则危害程度就越大 1 41 4 问题的提出问题的提出 由以上分析可知 围堰区是一个矛盾体 为了防止 lng 泄漏溢出围堰区 确保 储罐自身的安全围护更安全合理 需要加大围堰区域面积 但这样造成了厂站 占地面积增大 并对工程的安评和环评带来不良影响 由此产生的后果对站址 的选择 厂站的造价和工程工期控制产生不可忽视的副作用 如何处理这个矛盾体 本文沿着总图没计的整体思路 对围堰区的合理设置 从 常规设置的围堰区到优化设置的围堰区进行论述 2 2 围堰区设计的基本依据围堰区设计的基本依据 2 12 1 依据的规范依据的规范 gb 50183 2004 石油天然气工程设计防火规范 以下简称 油规 gb 50351 2005 储罐区防火堤设计规范 以下简称 堤规 2 2 2 2 油规油规 和和 堤规堤规 对围堰区的要求对围堰区的要求 对不同类型储罐的要求 lng 储罐按其罐体结构形式分为单容罐 双容罐和全容罐 双容罐和全容罐属于特殊情况 此类储罐的围堰是与罐体相连设置的 不需形 成围堰区 而单容罐的围堰需脱离开罐体 按一定的要求独立设置 形成围堰 区 本文论述单容罐的围堰区设置 对单容罐围堰的具体要求 基本要求 围堰区有效容积不小于最大单罐罐容 并为工艺管道及设备安装留 有合适的空间 以 100kpa 的操作压力为分界值 形成两种不同的围堰区设置方法 当操作压力大于 100kpa 时 围堰区只需满足基本要求 例如子母罐的围堰区 本文不再论述 特殊要求 当操作压力小于或等于 100kpa 时 且围堰区内采取了防低温或火灾 影响的措施 围堰区的设置除了满足基本要求外 还需满足特殊要求 见式 1 l h y x 1 式中 l 围堰扩距 m h 围堰内高度 m y 储罐最高液位 m x 储罐气相空间压力的当量压头 m 3 3 围堰区的计算实例围堰区的计算实例 已知 某 lng 工程围堰区内 设有 lng 单容罐 2 台 单罐罐容均为 5000m3 操 作压力为 l5kpa 围堰区采取防低温或火灾影响的措施 要求 合理设置围堰 区 3 13 1 满足满足 油规油规 和和 堤规堤规 对围堰区的要求对围堰区的要求 满足基本要求 应满足有效容积的要求 根据已知条件得出 围堰区有效容积为 5000m3 满足特殊要求 应满足式 1 的要求 式 1 中的 y 和 x 可根据已知条件 从储罐的参数得出 但 l 和 h 的值具有可 变性 需在以下论述中得出 3 23 2 设计参数设计参数 设计参数包括储罐 lng 和其他的设计条件 设计中 储罐的设计参数均由储 罐生产厂家提供 储罐外径 d 为 22 3m 储罐设计液位为 16m 储罐的操作压力为 l5kpa lng 密 度约 430kg m3 由以上参数可以得出以下数据 最高液位 y 式 1 中的最高液位是由设计液位和支承储罐的承台高度相加而 得 承台高度约 3m 实践经验 则 y 19m 当量压头 x 由操作压力和 lng 密度可得当量压头 x 3 5m 3 33 3 不同平面形状的围堰区及其特性不同平面形状的围堰区及其特性 围堰区的平面形状可分为圆形和矩形两种基本形状 按规范要求设置的未做特 殊优化处理的围堰区称为常规围堰区 将已知的设计参数代入式 1 可得出 l h y x 19m 3 5m 22 5m 记为定值 1 依实践经验 常规围堰内高度 h 为 2m 故得出常规围堰扩距 l 为 20 5m 常规圆形围堰区 围堰是储罐外壁的同心圆 其圆半径为 20 5m 11 15m 31 65m 特性是围堰扩距保持不变 为 20 5m 所形成的围堰 区域面积为 5166m2 由于圆形的钢筋砼围堰在实际工程中较难施工 且不具备 做特殊优化处理的可能性 工程中不常采用 常规矩形围堰区 将常规圆形围堰边界作为基准线 以矩形平面将常规圆形围 堰全部包含于内 形成常规矩形围堰 特性是围堰扩距为变值 l 20 5m 3 43 4 常规矩形围堰区的分类常规矩形围堰区的分类 常规矩形围堰的围堰扩距是变值 它直接影响了围堰区的长和宽 从而影响围 堰区面积和围堰区容积 围堰区的长度是由围堰扩距和两个储罐之间的间距 d1 决定的 由于对 d1 的设 置方法不同 形成两种大小不同的围堰区 大围堰区 两个储罐间距 d1 l 5d 时 所形成的围堰区称为大围堰区 由于 此时对罐体的喷淋水量只计入一个罐 从而减小了消防水系统的规模 d1 22 3m l 5 33 45m 取 34m 由于大围堰区占地面积大而带来许多弊端 本案例不采用 小围堰区 两个储罐间距 d11 5d 时 所形成的围堰区称为小围堰区 这时喷 淋水量需考虑相邻储罐 从而增大了消防水池容积和其他消防设施的容量 但 可大大减小围堰区的面积 本例选择小围堰区进行分析 3 53 5 常规小围堰区的形成常规小围堰区的形成 围堰区的形成方法为先确定其长和宽 然后求得其面积和容积 参见图 1 围堰区的长度 按 油规 中要求的储罐之间的最小间距为相邻储罐直径之 和的 l 4 得 d1 11 15m 取 11 2m 可得围堰区的长度 l d d1 d l 20 5m 22 3m 11 2m 22 3m 20 5m 96 8m 围堰区的宽度 l d l 20 5m 22 3m 20 5m 63 3m 围堰区面积 a 63 3m 96 8m 6130m2 围堰区有效容积的验证 围堰区有效容积等于围堰区面积与计算高度之积 即 6130m2 1 8m 11034m3 此值大于 5000m3 满足规范对围堰区要求的基本条 件 由此可见 虽然为小围堰区 但由于需满足式 1 的要求 使得围堰区的面积仍 远远超出规范对其的基本要求值 此种围堰区仍留有较大空间可进行优化设计 3 63 6 常规小围郾区对工程设计的影响常规小围郾区对工程设计的影响 厂站围墙范围内的占地面积 油规 中要求围堰边界距建筑界限 一般为厂站围墙 的距离为 30m 则在总 图布置时罐外壁距围墙不小于 30m 20 5m 50 5m 若为双容罐和全容罐 由于 无围堰扩距的要求 则距围墙的距离仅为不小于 30m 相比之下本例的围堰区 增加了厂站的占地面积 热辐射距离和蒸气云扩散距离 油规 规定 在总平面设计中 除了控制防火间距之外 还应按要求进行围 堰区热辐射距离和蒸气云扩散距离的计算 使得被保护建构筑物或场所与围堰 边界的距离不小于限定值 热辐射距离计算公式为 式中 dr 建构筑物或场所到围堰边界的最小距离 m 热通量校正系数 对不同性质的场所其数值不同 取值见 油规 的规定 a 围堰区的面积 m2 由式 2 可以看出 围堰区面积越大 热辐射距离就越大 本例中 在相同的热通量校正系数情况下 假设为 l 按围堰扩距形成的小围 堰区面积得出其热辐射距离 而按规范要求的围堰容积 基本条件 值推出的围堰区面积得出的热辐射距离 由此可见 所形成的小围堰区对被保护建构筑物或场所的热辐射距离太大 约 为按基本要求设置围堰时的 l 5 倍 蒸气云的扩散距离是以围堰区面积作为基数的 围堰区面积越大 扩散距离越 大 由于其计算是通过复杂的计算模型实现的 本文不做论述 对安评和环评的影响 安评和环评由特定的专业部门承担 它是以设计成果为依据的 也就是说 评 估结果是在设计完成后才呈现的 因此它可能会给厂站设计带来难以预料的后 果 以下为两个工程实例 a 山西某天然气液化工程 设计中按本文式 1 的要求设置了常规圆形围堰 此工程储罐外壁距居民区距离 为 l63m 满足 油规 中储罐与居民区最小距离为 l00m 的要求 二级厂站 但由于围堰区无优化设计 使得围堰区面积较大 在按围堰区面积进行热辐射 距离和蒸气云扩散距离验算时 得出对居民区的最小保护距离为 200m 故此设 计未通过安评 问题恰恰出在按常规设计的围堰区面积 虽已满足防火间距的 要求 但不能满足安评的要求 b 大连某 lng 工程 围堰为常规矩形围堰 设计中储罐外壁距相邻的企业围墙为 l00 11m 满足了 油规 中储罐与相邻企业间距为 l00m 的要求 二级厂站 但以围堰区面积进 行环评验算时 要求最小距离为 118m 因此未通过环评 3 73 7 常规围堰存在的问题常规围堰存在的问题 围堰扩距越大 围堰区的面积越大 首先使围墙内占地面积增尤然后使热辐射 和蒸气云的最小保护距离增大 从而使得厂站到站外建构筑物的安全间距增大 使工程建设程序的顺利进行难度增大 故设计过程中 应在满足 油规 和 堤规 要求的前提下 求得围堰的合理 设置 也就是在式 1 中寻求围堰扩距三的最小值 最大限度地减小围堰区的面 积 以达到减少厂站用地和对站外的安全和环境的保护距离 3 83 8 围堰区的优化设计围堰区的优化设计 3 8 1 围堰局部竖向起拱 图 1 表示了圆形和矩形围堰两种常规平面形式 并着重图解了优化矩形平面的 设置方法 优化围堰的平面描述 与常规矩形围堰不同 优化矩形围堰未将圆形围堰全部包含于内 由于其区域 面积的缩小 切去了部分圆形围堰区域 如图 l 所示的阴影部分 竖向起拱的产生 由图 l 每台储罐对应 3 处相同的阴影部分 这些区域所衔接的围堰范围内围 堰扩距已不满足 l h 22 5m 和 l 20 5m 的要求 即不满足定值 1 的要求 减 小的是阴影区域对应的数值 那么 将此在平面中不足的区域对应折加到围堰 竖向高度上 即将 l 值的不足由加大 h 值来补充 就仍能满足定值 1 的要求 继而就产生了位于以储罐中心轴 储罐直径垂直于围堰处 为中心的围堰竖向起 拱 在起拱部位的围堰 起拱高度为 h1 围堰内高度 h 2m h1 随着 l 由最大 20 5m 到最小 16 5m 的逐渐减小 起拱高度 h1 从最小 0 到最大 4 0m 始终满足 定值 1 的要求 竖向起拱的参数 竖向起拱的参数包括弧半径 拱高和弦长 首先确定弧半径为 11 15m 20 50m 31 65m a 竖向起拱的弦长和起终点 如图 1 中 g 和 g1 两点处 此时围堰扩距与基准扩距相同 l fg 20 5m 竖向 起拱高度 h1 0 满足定值 1 的要求 在直角三角形 odg 中 og 31 65m od 27 65m 计算得 半弦长 dg 15 4m 故弦长为 30 8m dog 29 b 最大拱高 如图 l 中 d 点处 与围堰基准扩距相比 被切去了阴影区域部分 围堰扩距最 小 l ed 16 50m 竖向起拱为最大起拱高度 4m 满足定值 1 的要求 c 其他位置 如图 l 中 b 点处 此时围堰扩距 l ab ab bc 20 5m 为保持图而简洁 图 1 中线段 on 未画出 由于 0b bnon on ob bc 则 ob bnob bc 得 bnbc 即 拱高 h1 bc 则 ab 2m h1 22 5m 满足定值 1 的要求 由以上各点得出围堰的竖向起拱参数 拱的弧半径为 31 65m 弦长为 30 8m 拱的起终点在与储罐中心轴夹角 29 半弦长为 15 4m 处 在储罐中心轴对 应处为其最大拱高处 最大起拱高度为 4m 围堰四角均余下 12 25m 的范围可为架空管道通过和过梯设置留有足够的空间 此竖向起拱满足规范要求 并具有可实施性 所形成的围堰区面积为 4910m2 与常规矩形小围堰区面积 6130m2相比 大大减少了围堰区面积 3 8 2 围堰区下沉 围堰区内标高低于区外标高 即形成下沉式围堰区 以此来增加围堰内高度九 从而减小 l 值 减小了围堰区面积 3 8 3 矩形围堰切角 在满足距离和高度要求 为管道通过和过梯设置留有足够的空间的情况下 将 矩形围堰切为多边形围堰或圆角围堰 也可减小围堰区面积 3 93 9 优化设置围