LNG储罐安全泄放设计计算书

LNG储罐安全泄放设计计算书（含BOG与火灾工况）文件编号：LNG-RV-2026-001设计阶段：基础设计阶段文件类型：安全泄放系统计算书编制：________________审核：________________批准：________________二〇二六年十月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 概述1.1设计依据本计算书依据国家现行设计规范、行业标准及国际通用API标准，对10000m³LNG全容储罐的安全泄放系统进行设计计算，确定各工况下所需安全泄放量，并完成泄压安全阀（PSV）的选型计算。1.2设计范围本计算书涵盖以下内容：（1）BOG（蒸发气）正常工况泄放量计算；（2）LNG储罐翻滚工况泄放量校核；（3）外部火灾工况下储罐热输入与泄放量计算；（4）其他超压工况（出口堵塞、热膨胀等）核算；（5）安全泄放阀所需有效泄放面积计算与规格选定；（6）安全核验与结果分析。1.3储罐基本参数表1-1LNG储罐基本设计参数表序号参数名称符号数值单位1储罐公称容积V10000m³2储罐型式—双容/全容立式圆筒—3内罐内径D28.5m4内罐直壁高度H17.5m5设计压力（表压）P_d20kPa(g)6最高允许工作压力MAWP20kPa(g)7最高操作压力P_op12～15kPa(g)8设计温度T_d-165℃9储存介质—液化天然气（LNG）—10最高液位h_max15.75m2标准与规范引用本计算书编制过程中，主要引用以下标准规范：表2-1引用标准规范一览表序号标准编号标准名称1APIRP521Pressure-relievingandDepressurisingSystems2APIRP520PartISizing,Selection,andInstallationofPressure-RelievingDevices3API2000VentingAtmosphericandLow-PressureStorageTanks4API526SteelPressure-ReliefValves—Flanged5GB/T26978-2021现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气储罐的设计与建造6GB51261-2019天然气液化工厂设计标准7GB50183-2004（2018年版）石油天然气工程设计防火规范8HG/T20570.2-95安全阀的设置和选用9AQ3059-2023化工企业液化烃储罐区安全管理规范3设计基础数据3.1介质物性参数表3-1LNG及蒸发气物性参数表序号参数名称符号数值单位1LNG密度（饱和状态）ρ_L420kg/m³2甲烷摩尔质量M16.04kg/kmol3饱和温度（常压沸点）T_b111.5（-161.7）K（℃）4汽化潜热h_fg512kJ/kg5气体比热比（绝热指数）γ1.31—6气体压缩因子Z0.98—7日蒸发率（BOR）b0.05%/d8大气压力P_atm101.325kPa(a)3.2安全阀设定条件根据储罐设计压力及APIRP521规定，安全阀设定压力取储罐最高允许工作压力（MAWP），即：P_set=20kPa(g)火灾工况下允许超压限度为10%，故泄放压力（绝压）计算如下： (3-1)P代入数据：P₁=20×(1+0.10)+101.325=123.33kPa(a)4BOG工况泄放量计算4.1正常蒸发BOG计算储罐在正常操作过程中，由于外界环境热量漏入（绝热层热泄漏），LNG持续蒸发产生蒸发气（BOG）。正常BOG产生量按日蒸发率（BOR）法计算： (4-1)W式中：W₁——正常BOG产生量，kg/h；V——储罐最大储存容积，取10000m³；ρ——LNG密度，取420kg/m³；b——日蒸发率，取0.05%/d。代入数据：W₁=10000×420×0.0005/24=87.5kg/h该部分正常BOG由储罐BOG压缩机抽吸处理，正常操作下不通过安全阀排放。安全阀需考虑的是当BOG压缩机故障或排放路径受阻时，BOG在罐内累积导致的超压。4.2储罐热泄漏与环境温升除正常日蒸发率外，还应考虑以下额外热输入源：（1）太阳辐射热：夏季正午太阳直射罐顶及外壁，额外热流密度约为100～200W/m²；（2）进料扰动：进料温度略高于罐内储存温度时，引发少量闪蒸气；（3）卸料作业时的气相置换：卸料时液体进入罐内，排出等体积气体。上述工况产生的附加BOG量约为正常BOG的2～3倍，保守取3倍系数：W_BOG_normal=3×W₁=3×87.5=262.5kg/h4.3翻滚工况BOG计算LNG储罐在长期储存过程中，罐内液体可能因密度分层形成上下两层。当两层液体发生混合（翻滚，Roll-over）时，会瞬间产生大量蒸发气，导致储罐压力急剧上升。根据APIRP521及工程实践，翻滚工况下BOG产生量可保守取正常蒸发量的100倍： (4-2)W代入数据：W_roll=100×87.5=8750kg/h注：翻滚工况属于低概率高后果事件，实际工程中通过定期倒罐、混合器搅拌等操作手段预防。本计算书将其作为安全阀选型的校核工况之一。5火灾工况泄放量计算5.1计算方法选择当储罐周边发生池火灾时，火焰烘烤储罐外壁，热量通过罐壁传入罐内液体，导致液体急剧蒸发，罐内压力迅速升高。此时安全泄放阀必须能够排出足够数量的气体，以防止储罐超压破裂。本计算依据APIRP521（第7版）及API2000推荐的湿润表面积法计算火灾工况下的热输入量。5.2湿润表面积计算湿润表面积（WettedSurfaceArea）指储罐外壁直接被火焰包围、且罐内对应位置存有液体的表面积。对于立式圆筒储罐：（1）罐侧湿润面积：A_side=π×D×h_max=3.1416×28.5×15.75=1410.3m²（2）罐底湿润面积：A_bottom=π×D²/4=3.1416×28.5²/4=637.9m²（3）总湿润表面积：A_wet=A_side+A_bottom=1410.3+637.9=2048.2m²由于A_wet=2048.2m²>260m²，采用大火区热输入公式。5.3火灾热输入计算根据APIRP521，当湿润表面积大于260m²时，储罐吸收的火灾热辐射量按下式计算： (5-1)Q=70900·F·式中：Q——储罐吸收的总热流量，kJ/h；F——环境系数（无隔热层时取1.0；有良好隔热层且有消防水冷却时可取0.3～0.5）；A——湿润表面积，m²。本计算书按保守原则取F=1.0（不考虑隔热层及水喷淋冷却效果），代入数据：Q=70900×1.0×(2048.2)^0.5=70900×45.26=3.209×10⁶kJ/h5.4火灾工况泄放量换算火灾传入的热量全部用于液体汽化，所需排出的气体质量流量为： (5-2)W代入数据：W_fire=3.209×10⁶/512=6268kg/h即火灾工况下安全阀需要排出的气体质量流量为6268kg/h。6其他工况泄放量核算6.1出口堵塞工况当储罐安全阀出口管系堵塞或排放火炬系统故障时，正常BOG持续产生而无法排出。此时超压速率取决于BOG产生速率与安全阀泄放能力的对比。本工况下泄放负荷取正常BOG量：W_block=W_BOG_normal=262.5kg/h，远小于火灾工况泄放量，不起控制作用。6.2热膨胀与液体膨胀对于低温液体储罐，液体受热膨胀量较小，且气相空间大，热膨胀工况通常不起控制作用。本工况泄放量可忽略不计。6.3真空吸入（负压）工况当储罐抽液速度过快或BOG压缩机抽气量过大时，罐内可能形成负压。此时需要设置真空泄压阀（负压安全阀），吸入外界大气以防止储罐抽瘪。真空吸入工况的进气量按卸料最大流量的气相置换量计算，通常远小于正压泄放量。本计算书重点关注正压泄放，负压工况另行核算。7安全阀选型计算7.1气体物性系数计算根据APIRP520，气体通过安全阀的流动属于临界（壅塞）流动时，所需有效泄放面积按下式计算： (7-1)A=式中：A——所需有效泄放面积，mm²；W——所需泄放质量流量，kg/h；C——气体物性系数，由比热比γ确定；Kd——安全阀额定排放系数，取0.975；P₁——安全阀入口绝对压力，kPa(a)；Kb——背压修正系数（临界流动时取1.0）；Kc——爆破片修正系数（无爆破片时取1.0）；T——泄放温度，K；Z——气体压缩因子；M——气体摩尔质量，kg/kmol。气体物性系数C按下式计算： (7-2)C=520·代入γ=1.31：C=520×sqrt[1.31×(2/2.31)^(2.31/0.31)]=520×sqrt[1.31×0.328]=520×0.656=341.17.2各工况所需泄放面积计算表7-1各工况安全阀所需泄放面积计算表工况泄放量W

(kg/h)P₁

(kPa(a))T

(K)所需面积A

(mm²)备注正常BOG工况262.5123.33111.5220不起控制翻滚工况8750123.33111.57340校核工况火灾工况6268123.33111.55260控制工况出口堵塞262.5123.33111.5220不起控制注：上表中所需面积A按公式(7-1)计算，计算参数为C=341.1，Kd=0.975，Kb=Kc=1.0，Z=0.98，M=16.04。7.3控制工况判定对比各工况所需泄放面积：（1）火灾工况：A_fire=5260mm²=52.6cm²；（2）翻滚工况：A_roll=7340mm²=73.4cm²。虽然翻滚工况所需面积更大，但翻滚属于可通过操作管理预防的低概率事件。根据APIRP521及GB51261-2019的规定，安全泄放阀的设计应以火灾工况为控制工况，同时满足：当设计压力小于100kPa的储罐，若安全阀排放能力未考虑翻滚工况，应采取相应的预防措施（如定期倒罐、设置混合器等）。本计算书以火灾工况为设计控制工况，即所需有效泄放面积A_req=52.6cm²。7.4安全阀规格选定根据API526标准，安全阀的标准阀座口径（Orifice）系列如下：表7-2API526标准安全阀口径系列表代号阀座面积(in²)阀座面积(cm²)公称尺寸(in)D0.1200.7741×2E0.2601.6771×2F0.5033.2451.5×2.5G1.006.4522×3H2.0012.903×4J3.1420.263×4K5.0032.264×6L8.0051.614×6M11.0571.296×8N16.00103.28×10本工程所需有效泄放面积为52.6cm²。对比API526标准口径系列：·L口径（8.00in²=51.61cm²）：略小于所需面积，不满足要求；·M口径（11.05in²=71.29cm²）：大于所需面积，满足要求。考虑到LNG储罐为低压储罐，通常采用大口径先导式安全泄放阀。最终选定：安全阀型式：先导式安全泄放阀（PilotOperatedReliefValve）阀座代号：M（OrificeM）公称尺寸：6in×8in（入口法兰×出口法兰）设定压力：20kPa(g)整定允差：±10%（低压阀）8安全核验与结果分析8.1超压限制核验根据APIRP521，火灾工况下储罐允许的最大超压为10%MAWP。本设计中：·设定压力P_set=20kPa(g)·火灾工况超压10%时P₁=22kPa(g)（绝压123.33kPa）·安全阀在该压力下的排放能力=71.29cm²>所需面积52.6cm²·实际超压率<10%，满足规范要求。8.2排放能力裕量分析选定M口径安全阀的实际排放面积为71.29cm²，所需面积为52.6cm²，裕量为：裕量=(71.29-52.6)/52.6×100%=35.5%该裕量考虑了以下因素：（1）安全阀制造偏差及长期使用后的性能衰减；（2）入口管路压力损失的修正；（3）出口管路背压的影响；（4）未来工况变化的余量。8.3背压影响分析LNG储罐安全阀出口通常接入火炬总管或放空总管。当排放背压较高时，需要校核背压对安全阀排放能力的影响。本设计采用先导式安全阀，其主阀膜片两侧可平衡背压影响，适用于背压较高的场合。临界流动条件下（出口压力/入口压力<临界压力比），背压修正系数Kb取1.0。本工程设计出口背压不超过入口绝压的50%（即<61.7kPa(a)），处于临界流动范围内，Kb=1.0，无需额外修正。8.4多阀并联校核对于大型LNG储罐，通常设置2台或多台安全阀并联布置，以提高可靠性。本工程设置2台M口径先导式安全泄放阀，一开一备或同时开启。单台M阀排放面积71.29cm²，满足火灾工况需求。两台同时开启时总排放面积为142.58cm²，远大于所需面积，安全裕度充足。9工程指导意义与建议基于上述计算与分析，对LNG储罐安全泄放系统的工程设计与运行提出以下建议：9.1设计阶段建议（1）安全泄放系统应以火灾工况为控制工况进行设计，同时校核BOG故障及翻滚工况的影响；（2）低温LNG储罐宜选用先导式安全泄放阀，其密封性好、开启精度高、适用于低压大流量场合；（3）安全阀入口管路应尽量短而直，减少阻力损失，避免入口管路压降超过设定压力的3%；（4）出口管路应设置足够的排凝和