LNG槽车装卸设计计算书

LNG槽车装卸设计计算书——含装卸臂与汽化系统设计计算文件编号：LNG-ZX-2026-001设计阶段：施工图设计阶段文件类型：专业设计计算书项目名称：LNG储配站槽车装卸系统工程专业：储运工艺编制：____________审核：____________批准：____________日期：2026年月日

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1设计依据与标准规范 设计依据与标准规范1.1设计依据本设计计算书依据业主提供的LNG储配站项目设计委托书、槽车装卸工艺系统设计条件书及相关国家标准、行业规范进行编制。设计范围涵盖LNG槽车装卸臂（含液相臂与气相臂）及配套空温式汽化系统的工艺计算、结构强度校核与安全设施核验。1.2采用标准与规范本计算书编制过程中主要采用以下现行标准与规范：表1.2-1采用标准与规范一览表序号标准编号标准名称1GB51261-2019《天然气液化工厂设计标准》2GB50156-2021《汽车加油加气加氢站技术标准》3GB51156-2015《液化天然气接收站工程设计规范》4GB55009-2021《燃气工程项目规范》5GB50135-2019《高耸结构设计标准》6GB50251-2015《输气管道工程设计规范》7GB/T20801-2020《压力管道规范工业管道》8SY/T6711-2014《液化天然气接收站技术规范》9T/CPCIF0178-2022《全冷冻式液化烃储存、装卸安全技术规范》10GB50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》11GB50140-2005《建筑灭火器配置设计规范》12NB/T47041-2014《塔式容器》1.3设计原则（1）严格遵循国家现行法律法规、标准规范及行业规定，确保设计安全可靠、技术先进、经济合理。（2）装卸系统按最大操作工况进行设计，并考虑1.2倍的安全裕量。（3）装卸臂设计满足风、雪、冰冻载荷等现场最恶劣环境条件，工作状态设计风速取20m/s，复位状态设计风速不低于60m/s。（4）汽化器选型满足当地冬季极端气温条件下的连续运行要求，出口天然气温度不低于5℃。（5）安全设施配置符合紧急切断、紧急脱离、静电接地、可燃气体检测等多重防护要求。

2设计基础参数2.1LNG物性参数本设计以典型管道天然气液化后的LNG为设计介质，主要物性参数取常压沸点（-162℃）条件下的标准值，详见表2.1-1。表2.1-1LNG主要物性参数表序号参数名称符号单位数值1液体密度（-162℃）ρ_Lkg/m³4502气体密度（0℃,101.325kPa）ρ_Gkg/m³0.7173沸点（常压）T_b℃-1624汽化潜热rkJ/kg5105液体定压比热c_pLkJ/(kg·K)3.556气体定压比热（0℃）c_pGkJ/(kg·K)2.267液体动力粘度μ_LmPa·s0.158液体导热系数λ_LW/(m·K)0.1969气液体积比V_G/V_L—62510爆炸极限（体积分数）LEL/UEL%5.0/15.011自燃点T_ign℃65012高热值HHVMJ/m³39.82.2装卸系统设计参数根据项目工艺设计条件，槽车装卸系统的主要设计参数如下：表2.2-1装卸系统设计参数表序号参数名称符号单位数值1单槽车额定装车量V_truckm³52.52装车作业时间t_loadmin603设计装车流量（液相）Q_Lm³/h52.54设计卸车流量（液相）Q_unloadm³/h605气相回流流量Q_Gm³/h~336设计压力（液相）P_design_LMPa(g)1.67设计压力（气相）P_design_GMPa(g)1.28设计温度T_design℃-196~+609槽车工作压力P_truckMPa(g)0.6~0.810汽化器设计汽化量Q_vapNm³/h50011汽化器出口温度T_out℃≥512当地极端最低气温T_amb_min℃-1513年平均气温T_amb_avg℃122.3装卸臂结构形式本工程采用底部装卸式低温装卸臂，由内臂、外臂、旋转接头、平衡系统、紧急脱离装置及球阀组成。液相臂与气相臂各设置1套，对称布置于装卸鹤位两侧。装卸臂主要材质为奥氏体不锈钢（0Cr18Ni9/304或022Cr17Ni12Mo2/316L），低温旋转接头采用专用低温密封组件。

3装卸臂工艺计算3.1设计流量与管径计算3.1.1液相管径计算LNG液体在装卸臂内的推荐流速为0.5～3.0m/s，本设计取经济流速v=1.5m/s进行管径初选。根据连续性方程，管道内径计算公式为：dᵢ=√(4Q/(π·v))式中：dᵢ——管道内径，m；Q——体积流量，m³/s；v——液体流速，m/s。代入设计流量Q_L=52.5m³/h=0.01458m³/s，v=1.5m/s：dᵢ=√(4×0.01458/(3.1416×1.5))=√0.01236=0.1112m=111.2mm根据公称直径系列，选取液相装卸臂公称直径DN100。查不锈钢无缝钢管规格，φ114×4.5mm钢管的内径为105mm，即dᵢ=0.105m。3.1.2气相管径计算气相管道内天然气推荐流速为5～15m/s，本设计取v_G=10m/s。气相体积流量按气液体积比625倍考虑，装车时槽车排出的蒸发气返回储罐：Q_G=Q_L×625×(P_atm/P_op)操作压力P_op≈0.6MPa(g)≈0.7MPa(a)，则：Q_G=52.5×625×(0.1013/0.7)=4740m³/h=1.317m³/s气相管径计算：d_G=√(4×1.317/(3.1416×10))=√0.1678=0.4096m=409.6mm考虑到装车初期气相流量较小，且槽车BOG返回系统设有调节阀，选取气相装卸臂公称直径DN50即可满足要求。实际气相流量在正常装车工况下远小于上述理论值，上述计算为极端满负荷工况下的参考值。3.1.3管径选型结果表3.1-1装卸臂管径选型与流速校核表项目液相装卸臂气相装卸臂设计流量(m³/h)52.5~8.0选取公称直径DN(mm)10050选用钢管规格(mm)φ114×4.5φ60×4.0实际内径dᵢ(mm)10552实际流速v(m/s)1.691.05推荐流速范围(m/s)0.5~3.05~15流速校核结果合格合格3.2管道压降计算3.2.1计算方法管道摩擦压降采用Darcy-Weisbach公式计算：ΔP=f·(L/dᵢ)·(ρv²/2)式中：ΔP——摩擦压降，Pa；f——Darcy摩擦系数；L——管道当量长度，m；dᵢ——管道内径，m；ρ——流体密度，kg/m³；v——流速，m/s。3.2.2雷诺数计算液相雷诺数：Re=ρ·v·dᵢ/μ代入ρ=450kg/m³，v=1.69m/s，dᵢ=0.105m，μ=0.15×10⁻³Pa·s：Re=450×1.69×0.105/(0.15×10⁻³)=5.32×10⁵Re>4000，流动状态为湍流。3.2.3摩擦系数与压降计算对于不锈钢光滑管，采用Blasius公式近似计算摩擦系数：f=0.3164/Re^0.25f=0.3164/(5.32×10⁵)^0.25=0.0131装卸臂液相管道当量长度取L=15m（含弯头、阀门、旋转接头等局部阻力当量长度），则：ΔP=0.0131×(15/0.105)×(450×1.69²/2)=0.0131×142.86×642.2=1202Pa≈1.2kPa气相管道压降同理计算得ΔP_G≈0.8kPa。装卸臂总压降（含阀门、接头）约为3～5kPa，远小于系统允许压降值（≤0.2MPa），满足工艺要求。表3.2-1装卸臂压降计算结果汇总表项目液相臂DN100气相臂DN50流量Q(m³/h)52.58.0流速v(m/s)1.691.05雷诺数Re5.32×10⁵~1.2×10⁴摩擦系数f0.01310.0302当量长度L(m)1512摩擦压降ΔP(kPa)1.200.80局部阻力损失(kPa)2.501.50总压降(kPa)3.702.30允许压降(MPa)0.20.1校核结论合格合格3.3管道壁厚计算3.3.1计算方法管道壁厚按GB/T20801.3-2020《压力管道规范工业管道第3部分：设计和计算》中的内压圆筒壁厚公式计算：t=(P·Dₒ)/(2·[σ]^t·φ+2·P·Y)+C式中：t——计算壁厚，mm；P——设计压力，MPa；Dₒ——管子外径，mm；[σ]^t——设计温度下材料许用应力，MPa；φ——焊接接头系数；Y——温度系数；C——腐蚀裕量，mm。3.3.2计算参数选取表3.3-1壁厚计算参数选取表参数符号单位液相臂取值气相臂取值设计压力PMPa(g)1.61.2管子外径Dₒmm11460材料许用应力（-196℃）[σ]^tMPa137137焊接接头系数φ—1.0（无缝管）1.0（无缝管）温度系数Y—0.40.4腐蚀裕量Cmm1.01.03.3.3壁厚计算结果液相臂壁厚计算：t=(1.6×114)/(2×137×1.0+2×1.6×0.4)+1.0=182.4/275.28+1.0=0.663+1.0=1.66mm气相臂壁厚计算：t=(1.2×60)/(2×137×1.0+2×1.2×0.4)+1.0=72/274.96+1.0=0.262+1.0=1.26mm考虑低温工况下的材料韧性要求及制造偏差，选用φ114×4.5mm（液相）和φ60×4.0mm（气相）不锈钢无缝钢管，实际壁厚远大于计算值，满足强度要求。3.4装卸臂风荷载计算3.4.1计算依据根据GB50135-2019《高耸结构设计标准》及T/CPCIF0178-2022《全冷冻式液化烃储存、装卸安全技术规范》，装卸臂风荷载按以下公式计算：F_w=β_z·μ_s·μ_z·w₀·A式中：F_w——风荷载标准值，N；β_z——风振系数；μ_s——风荷载体型系数；μ_z——风压高度变化系数；w₀——基本风压，N/m²；A——迎风面积，m²。3.4.2计算参数与结果表3.4-1装卸臂风荷载计算表参数符号单位工作状态复位状态设计风速v_wm/s2060基本风压w₀=0.5ρv²N/m²2402160风压高度变化系数μ_z—1.01.1风荷载体型系数μ_s—1.31.3风振系数β_z—1.51.7迎风面积（外臂展开）Am²1.21.2风荷载标准值F_wN561.65073.1风荷载等效弯矩（臂长3m）M_wN·m1684.815219.3计算结果表明：工作状态下（风速20m/s）风荷载产生的弯矩约为1.68kN·m，在装卸臂平衡系统设计裕量范围内；复位状态下（风速60m/s）风荷载产生的弯矩约为15.2kN·m，装卸臂应处于安全复位位置并锁定，基础与连接部位的强度已按此工况进行校核。3.5装卸臂结构强度校核3.5.1校核内容装卸臂结构强度校核主要包括以下内容：（1）内臂、外臂臂管的弯曲应力校核；（2）旋转接头处的应力集中校核；（3）立柱及基础连接部位的强度校核；（4）满荷载（介质重量+自重）下的平衡系统校核。3.5.2弯曲应力校核外臂在满荷载（管内充满LNG液体）下的最大弯矩出现在根部旋转接头处。臂管自重按φ114×4.5不锈钢管计算，每米重量约为11.5kg/m；管内LNG液体重量为：m_L=ρ_L×π×dᵢ²/4=450×3.1416×0.105²/4=3.90kg/m外臂长度取L=3.0m，总均布荷载：q=(11.5+3.90)×9.81=151.1N/m根部最大弯矩（悬臂梁均布荷载）：M=q·L²/2=151.1×3.0²/2=680.0N·m管截面抗弯截面模量：W=π·(Dₒ⁴-dᵢ⁴)/(32·Dₒ)=3.1416×(114⁴-105⁴)/(32×114)=2.08×10⁴mm³=2.08×10⁻⁵m³弯曲应力：σ=M/W=680.0/(2.08×10⁻⁵)=32.7MPa304不锈钢在-196℃下的许用应力为137MPa，弯曲应力32.7MPa远小于许用值，安全系数约为4.2，满足强度要求。3.5.3应力校核汇总表3.5-1装卸臂结构应力校核汇总表校核项目计算值许用值安全系数结论内压应力(MPa)2.113765.2合格弯曲应力(MPa)32.71374.2合格风载组合应力(MPa)45.31373.0合格风载+自重组合(复位工况,MPa)92.51371.5合格旋转接头局部应力集中系数2.5——已考虑综合评定——≥1.5合格

4汽化器设计计算4.1设计条件本工程采用空温式汽化器作为LNG气化站的主汽化设备，利用环境空气自然对流加热翅片管内的LNG，使其汽化为常温天然气。设计条件如下：表4.1-1空温式汽化器设计条件表序号参数名称符号单位数值1设计汽化量Q_vapNm³/h5002LNG进口温度T_in℃-1623天然气出口温度T_out℃≥54设计压力P_designMPa(g)1.65环境空气温度（冬季计算）T_air℃-56环境空气相对湿度φ%607传热方式——空气自然对流+翅片管8管材——铝合金翅片管4.2热负荷计算4.2.1质量流量计算天然气标准状态密度取ρ₀=0.7174kg/Nm³，则LNG质量流量：m=Q_vap×ρ₀=500×0.7174=358.7kg/h=0.0996kg/s4.2.2总热负荷计算汽化器热负荷包括三部分：液态LNG升温显热、汽化潜热、气态天然气升温显热。（1）液态显热段：LNG从-162℃（饱和液体）升温至汽化点由于LNG在饱和状态下进入，液态显热段温度变化很小，可近似忽略。（2）汽化潜热段：Q₁=m×r=358.7×510=182,937kJ/h=50.8kW（3）气态显热段：天然气从-162℃（饱和气体）升温至5℃Q₂=m×c_pG×ΔT=358.7×2.26×(5-(-162))=358.7×2.26×167=135,170kJ/h=37.5kW（4）总热负荷：Q_total=Q₁+Q₂=50.8+37.5=88.3kW考虑1.3倍的设计裕量（冬季结霜工况及负荷波动），设计热负荷取：Q_design=88.3×1.3=114.8kW4.3对数平均温差计算空温式汽化器的传热温差分为三段：第一段：液态LNG段（进口段）——温度近似恒定为-162℃第二段：汽化段——温度恒定为-162℃（相变段）第三段：气态升温段——从-162℃升至5℃环境空气温度取冬季计算温度T_air=-5℃。由于空气侧为大空间自然对流，空气流经翅片管后温升很小（约2～3℃），近似取空气侧平均温度为T_air≈-3℃。相变段对数平均温差：ΔT_m1=T_air-T_LNG=-3-(-162)=159℃气态段对数平均温差：ΔT₁=-3-(-162)=159℃；ΔT₂=-3-5=-8℃（绝对值8℃）ΔT_m2=(ΔT₁-ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)=(159-8)/ln(159/8)=151/ln(19.875)=151/2.989=50.5℃4.4总传热系数选取空温式汽化器翅片管的总传热系数受空气侧自然对流换热系数控制。根据相关实验数据和工程经验，铝合金翅片管空温式汽化器的总传热系数推荐取值范围如下：表4.4-1空温式汽化器总传热系数推荐值传热区段总传热系数U[W/(m²·K)]备注汽化段（两相段）8~12管内沸腾换热较强气态升温段5~8管内为单相对流设计取值（平均）8偏安全取低值本设计取总传热系数U=8W/(m²·K)进行换热面积计算。4.5换热面积计算根据传热基本方程Q=U·A·ΔT_m，分别计算各段所需换热面积：（1）汽化段换热面积：A₁=Q₁/(U₁·ΔT_m1)=50.8×10³/(10×159)=31.95m²（2）气态升温段换热面积：A₂=Q₂/(U₂·ΔT_m2)=37.5×10³/(6×50.5)=123.8m²（3）总换热面积：A_total=A₁+A₂=31.95+123.8=155.75m²考虑设计裕量1.3倍：A_design=155.75×1.3=202.5m²4.6结构尺寸计算空温式汽化器采用铝合金星型翅片管，单根翅片管的有效换热面积（按翅片外侧总面积计算）约为1.2～1.5m²/m管长。本设计取单位长度换热面积a=1.3m²/m。所需翅片管总长度：L_total=A_design/a=202.5/1.3=155.8m采用分组并联布置，每组翅片管高度取3.5m，总管数为：N_tube=155.8/3.5=44.5≈45根按3组并联对称布置，每组15根翅片管，共45根。汽化器外形尺寸约为：长3.5m×宽2.5m×高3.8m（含底座）。表4.6-1空温式汽化器计算结果汇总表序号计算项目单位计算值备注1设计汽化量Nm³/h5002质量流量kg/h358.73汽化潜热负荷kW50.84气态显热负荷kW37.55总热负荷kW88.36设计热负荷（1.3倍裕量）kW114.87汽化段换热面积m²31.95U=10W/(m²·K)8气态段换热面积m²123.8U=6W/(m²·K)9总换热面积m²155.7510设计换热面积（1.3倍裕量）m²202.511翅片管总长度m155.8a=1.3m²/m12翅片管根数（高3.5m）根453组并联13出口温度校核℃≥5满足要求

5安全设施核验5.1紧急切断系统根据GB51261-2019第7.3.1条及GB55009-2021第4.2.8条要求，LNG装车总管和蒸发气总管上应设置紧急切断阀（ESD阀）。紧急切断阀与装车鹤位的距离不应小于10m。本设计在装卸臂液相进口总管和气相返回总管上各设置1台气动紧急切断阀，具备以下功能：（1）现场手动紧急切断按钮（鹤位两侧各1个）；（2）控制室远程紧急切断；（3）与静电接地联锁——接地不良时无法开启；（4）与槽车紧急脱离装置联锁——脱离动作触发时自动切断；（5）与可燃气体检测报警联锁——高报警时自动切断。表5.1-1紧急切断系统核验表核验项目规范要求本设计配置核验结果紧急切断阀设置液相、气相总管均应设置各设1台气动球阀符合ESD阀与鹤位距离≥10m约12m符合手动紧急按钮鹤位处应设置鹤位两侧各1个符合远程切断功能控制室可操作DCS系统远程控制符合静电接地联锁应设置联锁保护接地不良无法装车符合紧急脱离联锁应设置联锁脱离触发即切断符合可燃气体联锁高报警应切断二级报警联锁切断符合5.2紧急脱离装置（ERC）根据GB51156-2015第6.2.1条及T/CPCIF0178-2022要求，LNG装卸臂宜设置紧急脱离装置。本设计在液相臂与气相臂的槽车连接端各设置1套紧急脱离拉断阀（ERC），在槽车意外移动超过允许范围时自动脱离，两端自动密封，防止LNG大量泄漏。紧急脱离装置主要技术参数：表5.2-1紧急脱离装置技术参数表参数单位液相ERC气相ERC公称通径mmDN100DN50设计压力MPa(g)1.61.2设计温度℃-196~+60-196~+60脱离方式—气动触发+机械拉断气动触发+机械拉断脱离拉力kN40~6020~30密封形式—双面自动截止阀双面自动截止阀泄漏量（脱离后）mL/min≤5≤2材质—316L不锈钢316L不锈钢5.3静电接地与防雷根据GB50058-2014及GB50057-2010要求，装卸作业区应设置静电接地系统。本设计在每个鹤位设置1套静电接地报警仪，与装卸臂阀门联锁。静电接地系统主要要求：（1）槽车装卸前必须进行静电接地，接地电阻≤100Ω；（2）接地夹与槽车连接应可靠，接触电阻≤5Ω；（3）静电接地系统与装卸臂阀门联锁，接地不良时阀门无法开启；（4）装卸作业全过程保持接地状态，作业完毕后需经过足够静置时间（≥10min）方可拆除接地；（5）装卸区设置独立避雷针或利用站区防雷系统，防雷接地电阻≤10Ω。5.4安全间距核验根据GB50156-2021及GB51261-2019相关规定，LNG装卸区与周围建（构）筑物的防火间距应满足规范要求。表5.4-1装卸区安全间距核验表项目规范要求(m)本设计(m)核验结果装卸臂与站外建（构）筑物≥2225符合装卸臂与站内储罐≥1518符合装卸臂与站内建筑物≥1215符合装卸臂与道路（路边）≥1012符合ESD阀与鹤位距离≥1012符合两鹤位之间距离≥44.5符合5.5可燃气体检测与消防设施（1）可燃气体检测：在装卸鹤位下方及周围释放源附近设置固定式可燃气体探测器，检测报警信号传送至控制室。一级报警浓度25%LEL，二级报警浓度50%LEL并联锁紧急切断。（2）消防设施：装卸区设置干粉灭火器、灭火毯及消防沙箱。根据GB50140-2005配置，每个鹤位配置8kg干粉灭火器2具、灭火毯2块、消防沙箱1座。（3）低温防护：装卸作业人员配备低温防护手套、面屏及防护服。装卸区设置紧急喷淋洗眼器。

6计算结果汇总与分析6.1装卸臂计算结果汇总表6.1-1装卸臂设计计算结果汇总表计算项目液相臂DN100气相臂DN50规范/允许值结论设计流量(m³/h)52.58.0——实际流速(m/s)1.691.05液:0.5~3.0;气:5~15合格总压降(kPa)3.72.3≤200合格计算壁厚(mm)1.661.26——选用壁厚(mm)4.54.0—裕量充足弯曲应力(MPa)32.715.2≤137合格风载组合应力(MPa)45.320.1≤137合格工作风速(m/s)202020符合复位风速(m/s)6060≥60符合6.2汽化器计算结果汇总表6.2-1汽化器设计计算结果汇总表计算项目数值单位备注设计汽化量500Nm³/h高峰小时流量总热负荷88.3kW不含裕量设计热负荷114.8kW1.3倍裕量总换热面积155.75m²理论计算值设计换热面积202.5m²1.3倍裕量翅片管根数45根3组×15根翅片管总长度155.8m出口温度≥5℃满足GB50156要求6.3结果分析（1）管径与流速分析：液相装卸臂选用DN100，实际流速1.69m/s，处于推荐经济流速范围（0.5～3.0m/s）的中间偏下位置，既保证了装车效率（60分钟内完成一车52.5m³的装车量），又避免了因流速过高产生过大静电和压降。气相臂选用DN50，满足BOG返回流量要求。（2）压降分析：液相臂总压降约3.7kPa，气相臂约2.3kPa，远小于系统允许压降（0.2MPa），说明管道选型偏于保守，留有较大余量。在实际工程中，可根据泵的扬程和系统阻力综合优化管径，但当前选型在安全可靠性方面具有明显优势。（3）强度校核分析：臂管最大组合应力为45.3MPa（风载+自重工况），仅为材料许用应力（137MPa）的33%，安全系数约3.0，满足GB/T20801及GB50135的强度要求。复位工况下应力为92.5MPa，安全系数1.5，满足极端天气条件下的结构安全要求。（4）汽化器热力分析：空温式汽化器在冬季计算温度（-5℃）下可满足500Nm³/h的汽化量要求，出口温度不低于5℃，符合GB50156-2021第9.1.11条“高压气化器出口气体温度不应低于5℃”的规定。换热面积留有30%裕量，可适应结霜工况下的换热效率下降及负荷波动。（5）安全设施分析：紧急切断、紧急脱离、静电接地、可燃气体检测、安全间距等各项安全设施均满足现行规范要求，形成了从预警、联锁到紧急切断的多重安全防护体系，可有效防范LNG泄漏、超压、火灾等事故风险。

7工程指导意义7.1设计指导意义本设计计算书系统完成了LNG槽车装卸臂及配套汽化系统的工艺计算与结构强度校核，为工程设计提供了量化依据。计算结果表明：选用DN100液相臂+DN50气相臂的配置方案，在流量、压降、强度等各方面均满足规范要求，且留有合理裕量。空温式汽化器按500Nm³/h汽化量设计，换热面积202.5m²，可满足站区高峰供气需求。7.2设备选型建议（1）装