LPG储罐区安全设计

15南京工业大学本科生课程设计第一章 概 述1.1 LPG的物化性质液化石油气（Liquefied petroleum gas简称LPG）为丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等轻烃组成的混合物，各组分的物理化学性质（表1-1），一般前两者为主要组分。常温常压下为无色低毒气体。由炼厂气或天然气(包括油田伴生气)加压、降温、液化得到的一种无色、挥发性气体。当临界温度高达90以上，510个大气压下即能使之液化。表1-1 LPG各组分的物理化学性质项 目甲烷乙烷丙烷正丁烷异丁烷分 子 式CH4C2H6C3H8n- C4H10i- C4H10相 对 分 子 量16.0430.0744.00458.12458.12蒸 气 压/MPa0-2.430.4760.1040.10720-3.750.81040.2030.299气 体 密 度/(kg/m3)00.71681.35622.0202.59852.672615.50.6771.2691.8602.4522.452沸点(0.1013MPa)/-161.5-88.63-42.07-0.5-11.73汽化潜热(沸点及0.1013MPa 下 )/(kJ/kg)569.4489.9427.1386.0367.6临 界 压 力/MPa4.644.884.253.8O3.66临 界 密 度/(kg/L)0.1620.2030.2360.2270.233临 界 温 度-82.532.396.8152.0134.9低热值（0，1013MPa,15.6）(kJ/kg)液 态-460994535845375气 态342076075388388气态比热容（0，1013 MPa,15.6）(kJ/kgk)定 压 比热容2.211.721.631.661.62定 容 比热容1.681.441.441.521.47爆炸极限（体积分数）/%上 限5.33.22.371.861.80下 限14.012.59.508.418.44当空气中含量达到一定浓度范围时，LPG遇明火即爆炸。故具有易燃易爆、低温、腐蚀等特性，添加恶臭剂后，有特殊臭味，低温或加压时为棕黄色液体。（一）比重LPG是混合物，其比重随组成的变化而变化，气态时比重比空气大1.52.0倍，在大气中扩散较慢，易向低洼处流动。（二）饱和蒸汽压LPG的饱和蒸汽压是指在一定的温度下，混合物气、液相平衡时的蒸汽压力也就是蒸汽分子的蒸发速度同凝聚速度相等时的压力。受温度、组成变化的影响，常温下约为 1.32.0MPa。（三）体积膨胀系数LPG液态时和其他液体一样，受热膨胀，体积增大；温度越高，体积越大，同温下约为水的1117倍。（四）溶解度溶解度是指液态时LPG的含水率。LPG微溶于水。（五）爆炸极限窄，点火能量低，燃烧热值高LPG爆炸极限较窄，约为210%，而且爆炸下限比其他燃气低。着火温度约为430460，比其他燃气低燃烧热值高，约为2200029000.燃烧所需要的空气量大，约需2330倍的空气量，而一般城市煤气只需35倍的空气量。（六）电阻率LPG的电阻率为1010，LPG从容器、设备、管道中喷出时产生的静电压达到9000V。1.2 LPG火灾危险特性燃烧伴随爆炸、破坏性大、火焰温度高，辐射热强、易形成二次爆炸、火灾初发面积大。（一）、易燃性。LPG，属甲类火灾危险物质。它只需极小的能量(0.20.3毫焦)即可引燃，万立方米的爆炸性混合物，遇火花即可发生化学性爆炸。 （二）、易聚积性。LPG在充分气化后，气体的密度比空气要大1.52倍，极易在厂房和房屋等不通风或地面的坑、沟、下水道等低洼处聚积，不易挥发飘散而形成爆炸性混合物。（三）、易扩散性。LPG是由多种低碳数的烃类组分组成的，其中有些轻组分物质的密度小于或接近空气。在空气中扩散的范围和空间极大，引燃一点即可造成大面积的化学性爆炸。（四）、易产生静电。LPG在机泵管线中输送、充装和移动的过程中，极易与输送管道、充装设备、LPG钢瓶因摩擦产生高位静电。特别是LPG中含有其它因窒息造成死亡。（五）、易冻伤。LPG的沸点在6.347.70之间，在气化过程中，需要大量吸收热量造成局部温度骤降，特别是在事故状态下，容易造成人员冻伤。（六）、易膨胀性。LPG的饱和蒸汽压随温度升高而急剧增加，其膨胀系数也比较大。一般为水的10倍以上，气化后体积可急剧膨胀250300倍左右。（七）、破坏性大。LPG爆燃的速度可达20003000以上，其火焰的燃烧温度达2000以上。在标准情况下，1LPG完全燃烧其发热量高达25000。第二章 储罐选型及设计2.1、选型 世界上LPG 的储存方法有地上储存和地下储存两种。地上储存可分两类: 一类是常温高压储存( 用压力球罐) ; 另一类是低温常压储存( 用拱顶罐, 一般多为双壁拱顶罐) 。1.常温高压储存 LPG 的常温高压储存是指LPG 的储存状态为环境温度, 压力为常温下的饱和压力, 如在50时丙烷的饱和蒸汽压为1.7MPa, 正丁烷为0.49MPa, 异丁烷为0.68MPa。由于储存压力较高, 所以一般选用球型储罐, 受球罐壁厚和制作方法的限制, 球罐容积一般不能超过5000m3, 国内有关消防法规对此类储罐的布置已有明确规定;针对大型LPG储存基地, 如还采用压力球罐的储存方式, 势必造成储罐较多, 占地较大, 既浪费土地, 又不经济, 也不安全2.低温常压储存 LPG 的低温常压储存是指LPG 的储存状态为常压, 温度为常压下的饱和温度, 如在常压下丙烷的饱和温度为 -42, 正丁烷为0.5, 异丁烷为 -12。常压储存一般采用拱顶储罐, 罐的容积一般不超过10 万m3。低温储存考虑保冷和安全, 罐体一般为双壁。由于拱顶罐储量较大, 因此在储存量相同时储罐数量较少, 增大安全系数且占地较球罐小, 管理方便。但低温储存国内刚刚起步, 我国的消防法规也无具体规定, 这给总图布置带来一定困难。综上，考虑到本设计为500m3*4的储罐设计，储量较少，故选择常温高压球形储罐。2.2、材料 液化气石油气质为易燃易爆介质, 含水同时含一定的H2S 杂质, 长炼液化气在异常时H2S 含量达达300ppm 以上, 因此液化气球罐的选材应尽量选择化学成份、力学性能优良及耐H2S 应力腐蚀优良的钢种, 同时焊接后还应进行整体热处理。受我国压力容器用钢材品种所限, 液化气球罐主要以16MnR 为主。2.3、基本尺寸 根据球罐和大型储罐，球体积公式：,V球罐体积，m3； Di 球罐内径，m。代入数据得Di=9.847m。为方便制造，取Di=9.8m，代入球体积公式，得几何容积V=493m3。外径Do=10m。为了方便球罐的操作和检修，球罐底部需留足一个人的高度，则球罐中心至支柱底距离：H=0.5DO+2.0=7.0m2.4、设计压力与温度表2-1各温度下各组分的饱和蒸气压力温度，饱和蒸汽压力，MPa异辛烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷异戊烷正戊烷乙炔-2501.30.20.060.040.0250.0070-2001.380.270.0750.0480.030.0090002.3550.4660.1530.1020.0340.02402003.7210.8330.2940.2050.0760.058050071.7440.670.50.20.160.0011表2-2液化石油气组成成分组成成分异辛烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷异戊烷正戊烷乙炔各成分百分比0.012.2547.323.4821.963.791.190.02根据实际情况，选择50为设计压力。根据压力容器安全技术监察规程 中“固定式液化石油气储罐的设计压力应按不低于50时混合液化石油气组分的实际饱和蒸汽压来确定。”混合气体饱和蒸汽压由道尔顿分压定律算得1.26MPa,50异丁烷的饱和蒸汽压力为0.67MPa,丙烷50饱和蒸汽压力1.744MPa.对于设置有安全泄放装置的储罐，设计压力应为1.051.1倍的最高工作压力。所以有Pc=1.11.744=1.92MPa.综上所述，取设计压力为1.92MPa.2.5、液化石油气储罐的充装量 液化石油气的液体密度随温度变化有较大的变化。为防止温度升高而导致容器内压力急剧增加，甚至超过容器的许用压力，必须在容器内保持一定的气体空间。为此，压力容器安全技术监察规程规定，液化石油气储罐设计储存量不得超过下式计算值:W = 式中，W 储存量，kg; V 储 存 容 积; 充 装系数，液化石油气取0.9; 设 计温度下饱和液体密度，kg/m3,取510kg/m3。 计算得W=0.9500510=kg在液 化 石 油气体未充满液化石油气储罐时，储罐内的压力为液化石油气气相压力，此时温度每升高1，压力仅升高0.0196MPa0.0294MPa而当温升过高或过量充装液体时，储罐内的压力已不再是饱和蒸气压力，此时温度每升高1 压力将升高1.0MPa以上，这样很容易超过储罐的设计压力发生危险。所以液化石油气的充装量的确定是项很重要的工作，必须严格按压力容器安全技术监察规程进行规范设计。2.6、附件 据石油化工储运系统灌区设计规范：压力储罐除应设置人孔，放水管、进出口接合管、梯子及操作平台外，应尽量减少开口数量。做如下设计：（1）支柱 支柱与球壳之间采用U 形柱结构型式连接。为了承受风载荷与地震载荷，增加球罐的稳定性，支柱之间采用拉杆设计。目前国内自行建造的球罐和引进球罐的大部分都是采用可调式拉杆。为了改善拉杆受力状况，选用相隔一柱单层交叉可调式拉杆 。根据球罐储量，采用8根支柱。（2）人孔结构 每个球罐开设两个人孔，分别设置在上下极板上。为保证工作人员能携带工具进出球罐方便，且不会因直径过大导致补强元件结构过大，球罐人孔直径设置为DN500。（3）接管结构 接管开设在球罐的上、下极带上。尺寸为DN20。用厚壁管以提高其强度，材料选用与球壳相同的材质以保证在低温下具有足够的冲击韧性。（4）梯子平台 由于球罐的工艺接管及人孔大部分设置在上极板板处，故每台球罐外部独立设有顶部平台、中间平台以及从地面进入平台的下部斜梯和上部盘梯，以方便日常的操作和维修。（5）安全阀 为防止球罐运转异常造成内压超过设计压力，在气相部分设置3 个安全阀和辅助的火灾安全阀。安全阀的形式采用直接载荷弹簧式，开启压力设计为1.1 倍储罐工作压力，即0.55MPa。为方便检查和维修，安全阀设置在平台附近，且垂直安装。（6）压力表压力表是测量压力容器内介质压力的仪表，可以直接显示出容器内的压力值，使操作人员正确了解容器内压力。球壳的上部和下部各设2个压力表，压力表的最大刻度为正常运转压力的2倍。（7）水喷淋装置球罐上装设水喷淋装置是为了内盛的液化天然气的隔热需要。在夏天气温高的时候，对球罐不断均匀地进行喷淋水冷却，水由罐顶经罐壁流下，使冷却水带走球罐所吸收的太阳辐射热，降低球罐气体空间温度，大大减少球罐呼吸损耗，同时也可起消防保护作用。第三章 罐区布置及防火防爆区域的划分3.1、LPG罐区平面布置根据石油化工企业设计防火规范3.0.2规定，LPG属于甲A类危险化学品。根据建筑设计防火规范表3.3.1规定，甲类单层厂房按二级耐火等级设计，最大允许建筑面积为3000m3。配电站布置：根据建筑设计防火规范表4.4.1，储罐区距离配电站距离80m。1、储罐防火间距根据表6.3.3所示，液化烃全压力式球罐间距为1.0D，即1.010=10m，故取间距为10米满足要求。2、防火堤根据储罐区防火堤设计规范GB503512005，石油化工企业设计防火规范6.3.5规定，液化烃全压力式式储罐组宜设不高于0.6m的防火堤，防火堤内堤脚线距储罐不应小于3m，堤内应采用现浇混凝土地面，并应坡向外侧，防火堤内的隔堤不宜高于0.3m。故取防火堤有效容积取600m3。由于储罐组总容积为5004=2000m3，根据第2款，不设隔堤。防火堤有效容积为：V=AH(V1V2V3V4)=2066.50.5-约50=615m3符合要求。防火堤强度计算（暂不考虑地震等因素）：钢筋混泥土r=25KNM3自重载荷：G1K=RB1H1 =538.66kg/m3G1K=gh=538.669.80.25=1319.7pa=2510000.5B1 得B1=0.105m为方便人员行走，取d=1000mm防火堤堤身要求密实、不渗透，可选用钢筋混泥土结构，厚度为1000mm，内侧喷涂隔热防火材料，并满足相关标准要求。防火堤四个方向上均设置一个越堤人行踏步。3.2、火灾爆炸危险区域划分根据爆炸和火灾危险环境电气装置设计规范和中华人民共和国爆炸危险场所电气安全规程(试行)的规定，城镇燃气设计规范对LPG站用电场所爆炸危险区域和等级作了明确的划分。LPG球形储罐属于第二级释放源，密度大于空气，根据中华人民共和国爆炸危险场所电气安全规程(试行)2.3.3划分爆炸危险区域。在爆炸危险区域内，地坪下的坑、沟壑为1区；以释放源为中心，半径为15m，地坪上高度为7.5m及半径为7.5m，顶部与释放源的距离为7.5m的范围为2区；以释放源为中心，总半径为30m，地坪上的高度为0.6m，在2区以外的范围内划为附加2区。以球顶端的安全阀为、排气孔等为释放源，范围为半径为15m的区域。第四章 罐区可燃或有毒气体（蒸汽）报警仪布置根据石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范GB 50493-2009 第4.3.1规定：液化烃储罐防火堤内应设探测器，且探测点位于释放源的全年最小频率风向上风侧时，可燃气体探测点与释放源的距离不宜大于15m，探测点位于释放源的全年最小频率风向下风侧时，可燃气体探测点与释放源的距离不宜大于5m。因风向未知，为安全起见，设置气体报警器与释放源距离d=4.0m。LPG密度大于空气，根据6.1.1规定，安装高度距地坪0.30.6m，取h=0.5m。在液化烃罐组防火堤内，每隔30m宜设一台检测器，且距储罐的排水口或罐底接管法兰、阀门不应大于15m,根据石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范规定：1 、使用或产生液化烃和/或有毒气体的工艺装置、储运设施等可能积聚可燃气体、有毒气体的地坑及排污沟最低处的地面上。2 、易于积聚甲类气休、有毒气体的“死角”。检测比空气重的可燃气体或有毒气体的检测器，其安装高度应距地坪(或楼地板)0.3m0.6m。由于液化烃罐多为球罐，在防火堤内即或有隔堤，其高度均低于防火堤。因此仅在防火堤内设检测点。可燃气休或有毒气体在全年内被吹人室内的机率较多的控制室和配电室都宜设检测器。第五章 避雷针高度及保护范围计算5.1、储罐基本信息LPG储罐类型：常温高压球形储罐；外径Do=10m；球罐中心至支柱底距离：为了方便球罐的操作和检修，球罐底部需留足一个人的高度，则：H=0.5DO+2.0=7m。5.2、设计依据根据建筑物防雷设计规范（GB50057-2000）第2.0.3条，遇下列情况之一时，应划为第二类防雷建筑物：1、国家级重点文物保护的建筑物。2、国家级的会堂、办公建筑物、大型展览和博览建筑物、大型火车站、国宾馆、国家级档案馆、大型城市的重要给水水泵房等特别重要的建筑物。3、国家级计算中心、国际通讯枢纽等对国民经济有重要意义且装有大量电子设备的建筑物。4、制造、使用或贮存爆炸物质的建筑物，且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者。5、具有1 区爆炸危险环境的建筑物，且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者。6、具有2 区或11 区爆炸危险环境的建筑物。7、工业企业内有爆炸危险的露天钢质封闭气罐。8、预计雷击次数大于0.06 次a 的部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物。9、预计雷击次数大于0.3 次a 的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。LPG常温高压球形储罐属于有爆炸危险的露天钢质封闭气罐，所以应划分为第二类防雷建筑物。根据第3.3.1条，第二类防雷建筑物防直击雷的措施，宜采用装设在建筑物上的避雷网（带）或避雷针或由其混合组成的接闪器。根据第5.1.1条规，接闪器应由下列的一种或多种组成：1、独立避雷针；2、架空避雷线或架空避雷网；3、直接装设在建筑物上的避雷针、避雷带或避雷网。根据建筑物防雷设计规范GB 50057-19945.1.1 的避雷针的布置应符合下表规定：建筑物防雷类别滚球半径hr(m)避雷网网格尺寸第一类防雷建筑物3055 或64第二类防雷建筑物451010 或128第三类防雷建筑物602020 或2416布置接闪器时，可单独或任意组合采用滚球法、避雷网。设计的接闪器采用独立避雷针设计，所以确定第二类防雷建筑物滚球半径为45m。5.3、设计原理滚球法计算设计避雷针1、单只等高避雷针的保护范围应按下列方法确定（附图）。（1）当避雷针高度h小于或等于hx时：距地面hr处作一平行于地面的平行线；以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点；以A,B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。从此弧线起到地面止就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体；避雷针在hx高度的xx平面上和在地面上的保护半径，按下列计算式确定： 式中： rx避雷针在hx高度的xx平面上的保护半径(m)；hr滚球半径，按本规范表5.2.1确定(m)；hx被保护物的高度(m)；r0避雷针在地面上的保护半径(m)。（2）当避雷针高度h大于hr时，在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针针尖作为圆心。其余的做法同本款第（1）项。式中的h用hr代入。双支避雷针保护范围：（如下图）当 时，分别按两支单针计算其保护范围当 时，按下列方法计算其保护范围（a）ACBE外侧保护范围按单支避雷针计算（b）A、B连线垂直面上的保护高度线为圆心O，高度为hr、半径为 的居中圆弧，圆弧高度为 hx=hr - 式中 x-距两针中心点的水平距离。 地面上每侧最小保护宽度为： b0=CO=EO= （c）ACBE范围内，圆弧两侧的保护范围将弧线顶点作为假象单支避雷针针尖，按滚球法确定（d）hx高度地面平行平面上保护范围的确定：分别以A、B为圆心、rx为半径作弧线与四边形ACBE相交，再以C、E为圆心、（r0 - rx)为半径作弧线与上一弧线相交。四条弧线限定的范围即为平面上的保护范围。5.4、避雷针位置的布置因为罐区的形状为长方形，而非正方形，所以只选择一直避雷针时由于与覆盖半径过大，且避雷针高度过高，单只避雷针成本过高。罐区为对称布置，所以择两只避雷针。由于保护范围为对称型锥体，每只设置在两个储罐的几何中心，只要每只能够保护对称的两个储罐，设置另外一个即可满足要求。所以避雷针布置在第一和第二、第三和第四个储罐的几何中心处。5.5、避雷针高度的计算避雷针高度的计算因为球罐为对称体，避雷针的保护范围也为对成型椎体，所以只需要研究一个剖面就可以得到全部结果。确定大致作图范围由hx=H=10m+2m=12mRmax=DO+0.5L=15m 求得：hx=12m此时，h最大为45m,保护范围在球罐范围内。2、用二分法作图求具体避雷针高度在45至12m的范围内用二分法取值作为避雷针的长度，做出一个剖面的避雷针的保护范围和球罐的图形。观察避雷针的保护范围是否可以覆盖球罐区域。通过作图得到，当避雷针高度为31m时，避雷针的保护范围不能覆盖球罐的范围，所以选择避雷针高度为31m。参考文献1 GB50160-2008,石油化工企业设计防火规范S2 GB503512005,储罐区防火堤设计规范S3 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范（GB5005