LNG卫星站设计计算书

LNG卫星站设计计算书——储罐日蒸发率与放空系统专项计算工程编号：LNG-WX-2026-001设计阶段：初步设计文件类型：专项计算书编制：____________审核：____________批准：____________编制日期：2026年10月二〇二六年十月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u第1章概述 第1章概述1.1项目背景液化天然气（LNG）卫星站，又称液化天然气气化站，是指具有将槽车运输的液化天然气进行卸气、储存、气化、调压、计量和加臭，并送入城镇燃气输配管道功能的站场。LNG卫星站作为城镇燃气输配系统的重要调峰与应急气源设施，在城市燃气基础设施布局中承担着保障供气安全、调节季节峰谷、拓展供气范围的关键作用。本计算书针对某LNG卫星站工程的核心工艺系统开展专项设计计算，重点围绕LNG储罐日蒸发率（BOR）与放空气体（BOG）系统进行多维度核算与安全验证，为工程设计、设备选型及安全评审提供定量依据。1.2设计依据本计算书编制主要依据以下现行国家标准、行业规范及技术文件：表1-1主要设计规范与标准一览表序号标准编号标准名称发布/实施年份1GB50028-2006（2020年版）城镇燃气设计规范2006/20202GB/T20368-2021液化天然气（LNG）生产、储存和装运2021/20223GB51156-2015液化天然气接收站工程设计规范2015/20164GB51261-2019天然气液化工厂设计标准2019/20195GB55009-2021燃气工程项目规范2021/20226GB50156-2021汽车加油加气加氢站技术标准2021/20217GB50016-2014（2018年版）建筑设计防火规范2014/20188GB/T20801-2020压力管道规范工业管道2020/20209NB/T47041-2014塔式容器2014/201510TSG21-2016固定式压力容器安全技术监察规程2016/20161.3设计范围本计算书涵盖LNG卫星站以下核心工艺系统的设计计算：（1）LNG储罐容量与充满率计算；（2）储罐静态日蒸发率（BOR）计算与标准符合性核验；（3）蒸发气体（BOG）产生量与放空气量计算；（4）安全泄放装置（安全阀）泄放能力核算与选型；（5）放空总管管径水力计算；（6）气化器与卸车系统工艺计算；（7）消防与安全设施参数核算；（8）多工况对比分析与工程指导建议。1.4设计原则（1）安全可靠原则：严格遵循现行国家强制性标准，确保储罐压力泄放系统、消防系统及紧急切断系统满足安全运行要求。（2）经济合理原则：在满足安全与工艺要求的前提下，优化储罐容积、保冷结构及放空系统配置，降低工程投资与运行成本。（3）节能降耗原则：通过降低储罐漏热量、优化BOG回收利用路径，减少蒸发损耗，提升能源利用效率。（4）操作灵活原则：考虑不同供气负荷工况、槽车卸车间歇工况及极端环境温度工况下的系统适应性。

第2章设计基础参数2.1LNG物性参数本工程设计采用的LNG典型物性参数如下表所示。实际设计中应根据气源组成（甲烷含量、氮含量、重烃含量）通过HYSYS或PRO/II等流程模拟软件进行精确计算。表2-1LNG主要物性参数表参数名称符号数值单位备注甲烷摩尔分数y_CH40.92—典型气源组成LNG密度（沸点）ρ_L425kg/m³常压沸点下气态天然气密度（标况）ρ_g0.7174kg/m³0℃,101.325kPa常压沸点T_b-162℃约111.15K汽化潜热h_fg510kJ/kg常压沸点下液体比热容c_p,L4.2kJ/(kg·K)平均温度下气体比热容c_p,g2.2kJ/(kg·K)常压下导热系数（液体）λ_L0.15W/(m·K)-162℃临界温度T_c190.6K纯甲烷临界压力P_c4.59MPa纯甲烷爆炸极限（体积分数）LEL/UEL5.0/15.0%空气中2.2站场设计条件表2-2站场设计条件参数表参数名称符号数值单位备注站场所在地极端最高气温T_max40.6℃历年气象统计站场所在地极端最低气温T_min-20.0℃历年气象统计夏季室外通风计算温度T_summer32.0℃通风计算用冬季室外通风计算温度T_winter-5.0℃通风计算用多年平均极端最高地温T_ground28.0℃地下埋管段大气压P_atm101.325kPa标准大气压地震设防烈度—7度按GB50011土壤导热系数λ_soil1.5W/(m·K)天然湿度2.3储罐主要设计参数本工程选用2台60m³真空粉末绝热立式LNG储罐，单罐几何容积60m³，设计压力0.8MPa（表压），设计温度-196℃～+60℃。储罐为双层结构，内罐采用0Cr18Ni9不锈钢，外罐采用Q345R碳钢，夹层填充珠光砂并抽真空。表2-3LNG储罐主要设计参数表参数名称符号数值单位储罐型式—立式真空粉末绝热—单罐几何容积V_g60m³有效储液容积（90%）V_L54m³设计压力（表压）P_d0.8MPa最高工作压力P_w0.6MPa设计温度T_d-196～+60℃内罐材质—0Cr18Ni9—外罐材质—Q345R—内罐直径D_i3.0m内罐直段高度H_i8.5m夹层厚度δ_ann0.6m夹层绝热材料—珠光砂真空—储罐充装系数η0.90—

第3章储罐容量计算3.1供气规模与储罐容积确定根据城镇燃气用气负荷预测，本站设计日供气规模为15×10⁴Nm³/d，高峰小时流量为8500Nm³/h。按照《城镇燃气设计规范》GB50028要求，LNG气化站储罐总容积应满足计算月高峰日数天的用量储备要求。储罐有效储气量计算如下：V式中：V_LNG——LNG液体储量，m³；V_gas——气态天然气体积（标况），Nm³；ρ_gas——标况天然气密度，0.7174kg/Nm³；ρ_LNG——LNG液体密度，425kg/m³。单罐有效储液量：V代入数据：V_L=60×0.90=54.0m³单罐有效储气量（标态）：V代入数据：V_g0=54.0×425/0.7174≈31984Nm³≈3.20×10⁴Nm³本站设置2台60m³储罐，总有效储气量约6.40×10⁴Nm³，可满足约0.43天的高峰日供气需求。考虑槽车运输周期及应急调峰需要，储罐总容积配置合理。3.2储罐充满率与气相空间计算储罐充满率是指储液量达到设计规定的最高储存液面时，储罐内液体体积与储罐几何容积之比。根据GB/T20368要求，LNG储罐的最大充装系数不应大于0.90。V代入数据：V_vap=60−54=6.0m³气相空间占几何容积比例为：6.0/60=10%，满足GB/T20368关于预留不小于10%气相空间以缓冲BOG体积膨胀的要求。

第4章储罐日蒸发率计算4.1计算原理与方法LNG储罐日蒸发率（Boil-OffRate，简称BOR），是指储罐达到额定充满率、静置达到热平衡后，24小时内自然蒸发损耗的LNG质量与储罐储存容积下LNG质量的百分比。日蒸发率是衡量储罐绝热性能的核心指标。根据传热学原理，环境热量通过储罐壁面（罐顶、罐壁、罐底）经绝热层传入LNG液体，使部分液体吸收汽化潜热后蒸发为气体。漏热量越大，蒸发速率越高。日蒸发率的基本计算公式为：BOR式中：BOR——日蒸发率，%/d；Q_leak——储罐总漏热量，W；h_fg——LNG汽化潜热，510kJ/kg；ρ_LNG——LNG密度，425kg/m³；V_L——储罐有效储液容积，m³。4.2储罐漏热量计算储罐总漏热量由罐顶漏热量、罐壁漏热量和罐底漏热量三部分组成。对于真空粉末绝热储罐，漏热量主要通过绝热层的导热和辐射传热传入。4.2.1罐壁漏热量圆筒形罐壁的漏热量按通过平壁的一维稳态导热计算：Q式中：A_wall——罐壁传热面积，m²；ΔT——内外壁温差，K；R_wall——罐壁单位面积热阻，m²·K/W。罐壁传热面积：A代入数据：A_wall=3.1416×3.0×8.5=80.11m²罐壁热阻（含珠光砂绝热层）：R式中：δ_ins——绝热层厚度，0.6m；λ_ins——珠光砂真空绝热层有效导热系数，取0.008W/(m·K)。R罐壁漏热量（极端夏季工况，环境温度40℃）：Q4.2.2罐顶漏热量罐顶为椭圆形封头，传热面积近似按平顶计算：AAQQ4.2.3罐底漏热量罐底与保冷基座及土壤接触，由于土壤温度相对稳定（约15～20℃），且罐底保冷层较厚，漏热量相对较小。罐底传热面积与罐顶相同。Q式中：T_soil——罐底处土壤温度，取18℃；R_bottom——罐底热阻，含保冷层厚度0.8m，取90.0m²·K/W。Q4.2.4总漏热量汇总表4-1储罐漏热量计算汇总表（极端夏季工况）部位传热面积(m²)热阻(m²·K/W)温差(K)漏热量(W)罐壁80.1175.0202215.9罐顶7.0775.020219.0罐底7.0790.018014.1合计94.25——249.0考虑管道附件、接管、法兰等局部漏热（约占总漏热量的15%～20%），取局部漏热系数1.18，则储罐总漏热量为：Q4.3日蒸发率计算根据漏热量计算日蒸发率：BORBOR计算得到极端夏季工况下储罐静态日蒸发率约为0.22%/d。需要说明的是，上述计算为基于绝热层导热的理论计算值，实际储罐日蒸发率还受环境风速、太阳辐射、操作扰动等因素影响。4.4标准符合性核验根据GB/T20368-2021《液化天然气（LNG）生产、储存和装运》及GB51261-2019《天然气液化工厂设计标准》的相关规定，不同类型LNG储罐的日蒸发率应满足以下要求：表4-2储罐日蒸发率标准符合性核验表储罐类型标准要求日蒸发率(%/d)本计算结果(%/d)符合性真空粉末绝热小型储罐≤0.300.22符合真空多层绝热储罐≤0.15——全容式混凝土储罐（大型）≤0.08——单容罐/双容罐（中型）≤0.10——核验结论：本工程选用的60m³真空粉末绝热LNG储罐，计算日蒸发率0.22%/d，满足GB/T20368-2021对真空粉末绝热小型储罐日蒸发率不大于0.30%/d的要求，绝热性能合格。

第5章放空气量计算5.1BOG产生量计算原理蒸发气体（Boil-OffGas，简称BOG）是指LNG储罐内因漏热蒸发而产生的气态天然气。BOG产生量直接决定放空系统、BOG压缩机及再冷凝器的设计规模。BOG质量流量由漏热量决定：m代入数据（极端夏季工况）：m换算为标准状态下的体积流量：VV5.2静置期间BOG产生量储罐静置（无卸车、无外输）时，BOG仅由漏热产生。不同环境温度工况下的BOG产生量计算如下：表5-1不同工况下静置BOG产生量计算表工况环境温度(℃)总漏热量(W)BOG质量流量(kg/h)BOG体积流量(Nm³/h)极端夏季402942.072.89夏季平均302791.962.73春秋平均152571.812.52冬季平均-52281.602.23极端冬季-202061.442.005.3卸车作业期间BOG增量计算槽车向储罐卸车时，储罐内液相空间增加导致气相空间被压缩置换，同时低温LNG进入储罐引发管系和罐内气体热交换，产生额外的BOG（称为“置换BOG”或“作业BOG”）。卸车置换BOG体积按理想气体状态方程计算：V式中：V_BOG,dis——卸车置换BOG体积（标态），Nm³；V_deliver——单次卸车LNG体积，m³；P_tank——储罐操作压力，0.6MPa（表压）；P_atm——大气压，0.101325MPa；T_gas——储罐内气体温度，取-140℃（133.15K）；T_ref——标态温度，273.15K。单次槽车卸车量按40m³计算：VV卸车作业时间按2小时计，则卸车期间置换BOG平均流量为：134.8/2=67.4Nm³/h。卸车期间总BOG流量=静置BOG+置换BOG=2.89+67.4=70.3Nm³/h（极端夏季工况）。5.4最大放空气量确定综合静置漏热BOG与卸车置换BOG，并考虑一台储罐卸车、另一台储罐静置的最不利组合工况，确定本站最大放空气量：表5-2各工况BOG产生量汇总表工况组合静置BOG(Nm³/h)置换BOG(Nm³/h)总BOG(Nm³/h)备注单罐静置2.8902.89正常运行单罐卸车2.8967.470.3常规卸车双罐同时卸车5.78134.8140.6极端工况（校核）安全阀起跳工况——见第6章事故工况设计取值：正常操作最大放空气量取70.3Nm³/h（单罐卸车工况），作为BOG回收系统及放空总管设计的依据。安全阀起跳工况下的泄放量在第6章单独计算。

第6章安全泄放装置计算6.1安全阀泄放量计算原理根据GB/T20368-2021及GB50028要求，LNG储罐必须设置安全泄放装置（安全阀），以防止储罐超压。安全阀的泄放能力应满足火灾工况、外部热源加热等最恶劣条件下的超压排放要求。对于暴露于火灾环境中的LNG储罐，安全阀所需泄放量按APIRP520及GB/T20801推荐公式计算：W6.2火灾工况下储罐吸热量计算火灾工况下，储罐暴露于火焰环境中吸收的热量按以下经验公式计算（APIRP521）：Q式中：Q_fire——火灾环境下储罐吸热量，kJ/h；A_wet——储罐被火焰润湿的总表面积，m²。对于60m³立式储罐，罐壁润湿面积约为80m²（含罐壁下部及罐底区域）：Q6.3安全阀所需泄放量计算火灾工况下安全阀所需泄放质量流量：W换算为标准状态下的体积流量：V根据GB50028-2006（2020年版）第9.2.16条规定，LNG气化器或其出口管道上必须设置安全阀，环境气化器的安全阀泄放能力必须满足在1.1倍设计压力下，泄放量不小于气化器设计额定流量的1.5倍；加热气化器的安全阀泄放能力必须满足在1.1倍设计压力下，泄放量不小于气化器设计额定流量的1.1倍。6.4安全阀选型计算根据上述计算结果，储罐安全阀选型如下：表6-1安全阀选型计算表设备名称安装位置整定压力(MPa)泄放量要求(Nm³/h)选型规格数量(台)储罐安全阀储罐气相空间0.66≥1056DN50弹簧全启式2（一用一备）气化器安全阀气化器出口0.44≥1275（1.5×850）DN25弹簧全启式2卸车软管安全阀卸车臂0.88按软管容积DN25弹簧微启式2注：气化器设计额定流量按高峰小时流量850Nm³/h的1.5倍即1275Nm³/h校核。安全阀整定压力取最高工作压力的1.1倍。6.5放空总管管径计算放空总管管径应按安全阀全量排放时的允许压降计算确定。根据GB/T20368要求，放空管内气体流速不宜超过60m/s（避免产生过大背压影响安全阀排放能力）。放空总管管径按以下公式计算：d式中：d——放空管内径，m；V_relief——安全阀泄放体积流量（工况），m³/h；u——管内允许流速，取50m/s。工况下气体体积流量需按操作压力和温度修正。储罐安全阀出口背压按0.15MPa（绝压）、气体温度按-100℃（173.15K）计算：Vd计算结果显示放空总管内径需不小于56mm。考虑两台储罐安全阀同时排放的极端工况及一定安全裕量，放空总管选用DN80（内径约80.5mm）不锈钢管，管内流速约为24.4m/s，满足GB/T20368关于放空管流速不超过60m/s的要求。

第7章工艺管道设计计算7.1卸车管道管径计算LNG卸车管道管径应根据槽车卸车能力确定。典型LNG槽车卸车泵流量为2000～3000L/min，本工程按2500L/min（150m³/h）设计。液体管道经济流速一般取1.0～2.0m/s。管径计算公式：dd选用DN150不锈钢低温管道（0Cr18Ni9），实际管内流速约为1.32m/s，处于经济流速范围内。7.2气化器选型计算本站设计高峰小时用气量为8500Nm³/h，选用空温式气化器。单台气化器处理能力按高峰流量的50%配置，共设4台（2用2备）。表7-1气化器选型计算表参数名称符号数值单位备注高峰小时用气量Q_peak8500Nm³/h设计值单台气化器额定流量Q_unit4250Nm³/h50%冗余气化器台数n4台2用2备进口LNG温度T_in-162℃储罐出口出口天然气温度T_out≥-10℃环境气化单台换热面积A_hx约350m²厂家样本7.3调压计量系统计算气化后的天然气经调压、计量、加臭后送入城镇中压管网。调压装置进口压力为0.4MPa（表压），出口压力为0.2MPa（表压），设计流量8500Nm³/h。根据流量与压差，选用雷诺式调压器2台（1用1备），流量计选用涡轮流量计，精度等级1.5级。加臭装置选用四氢噻吩（THT）加臭机，加臭量按16mg/m³设计。

第8章消防与安全设施计算8.1消防水量计算根据GB50028及GB50156要求，LNG气化站应设置消防给水系统。储罐区消防用水量按固定式冷却水系统计算：Q式中：q_water——冷却水供给强度，取0.15L/(s·m²)；A_tank——储罐冷却面积，按罐壁表面积计算，约80m²。Q考虑2台储罐同时冷却及辅助冷却，消防总用水量按30L/s设计，火灾延续时间按3小时计，则消防水池有效容积为：V本站设置350m³消防水池一座，满足消防水量要求。8.2防火间距核验根据GB50028-2006（2020年版）表9.2.5，LNG储罐与站外建（构）筑物的防火间距应符合下表要求。本站储罐总容积为120m³（2×60m³），属于“总容积50～200m³”等级。表8-1防火间距核验表项目标准要求(m)本站设计(m)符合性与站外民用建筑（一、二级）4550符合与站外民用建筑（三、四级）5055符合与重要公共建筑7075符合与铁路（中心线）4550符合与公路（路边）2025符合与架空电力线（大于380V）1.5倍杆高1.5倍杆高+5符合与站内操作室1520符合与站内配电室1520符合

第9章结果分析与工程指导意义9.1计算结果汇总表9-1主要计算结果汇总表序号计算项目计算结果单位标准要求结论1储罐单罐有效储液量54.0m³——2储罐气相空间比例10.0%≥10%符合3储罐日蒸发率（极端夏季）0.22%/d≤0.30符合4静置BOG产生量（夏季）2.89Nm³/h——5卸车置换BOG（单次）134.8Nm³——6最大操作BOG流量70.3Nm³/h—设计取值7火灾工况安全阀泄放量1056Nm³/h—选型依据8放空总管管径DN80mm流速≤60m/s符合9消防用水量30L/s≥12L/s符合10消防水池容积350m³≥324m³符合9.2多工况对比分析通过对极端夏季、夏季平均、春秋平均、冬季平均及极端冬季五种工况的系统计算，可以得出以下规律性认识：（1）环境温度对日蒸发率的影响：环境温度从-20℃升高至40℃时，储罐日蒸发率从约0.15%/d上升至0.22%/d，增幅约47%。夏季高温工况是BOG产生的控制工况，设计选型应以夏季极端温度为基准。（2）卸车作业是BOG产生的主要来源：单次卸车产生的置换BOG约为134.8Nm³，相当于储罐约4.7天的静置漏热BOG总量。因此，卸车频次和卸车效率是影响整体蒸发损耗的关键因素。（3）火灾工况泄放量远大于正常操作BOG：火灾工况下安全阀泄放量（1056Nm³/h）约为正常卸车工况BOG（70.3Nm³/h）的15倍。安全阀选型必须以火灾工况为控制条件，不能仅按正常操作BOG选型。9.3工程指导建议基于上述计算与分析，提出以下工程设计与运行管理建议：（1）BOG回收利用：建议本站设置BOG回收系统，将储罐蒸发气经压缩后送入出站天然气管道，或作为气化器热源使用，减少直接放空造成的资源浪费和环境污染。按年运行330天计算，年回收BOG约7.6×10⁴Nm³，具有显著的经济效益和环保效益。（2）储罐保冷优化：真空粉末绝热储罐在运行数年后真空度会逐渐下降，导致日蒸发率上升。建议每3年进行一次真空度检测和补抽，必要时更换绝热材料，以长期维持储罐绝热性能。（3）卸车操作优化：合理安排卸车时间，尽量选择在气温较低的时段（如夜间）进行卸车作业，可降低卸车期间的热置换BOG增量。同时优化卸车流速，在保证卸车效率的前提下降低置换气产生速率。（4）安全系统配置：储罐安全阀采用双阀并联（一用一备）配置，安全阀出口接至集中放空总管，放空管出口高度应高于站房顶部2m以上，且距地面不小于4m，确保放散气体安全扩散。（5）温度压力监控：储罐应设置连续温度监测点（罐