优秀毕业设计 lng市场及其储罐的技术现状和发展方向.docx
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优秀毕业设计lng市场及其储罐的技术现状和发展方向
摘要
本次设计主要从安全、经济的角度进行LNG港口接收站的系统设计,并通过计算和取材进行LNG储罐的结构设计;并结合制造、维护等工艺要求进行LNG储罐的施工建造流程设计和罐壁的焊接工艺设计;不仅使制造工艺简单;而且操作使用方便。
本设计的20万立方米大型储罐尽量遵循有关国家标准及部颁标准;严格规范;力求做到设计合理;确保使用安全。
本次设计对比了两种建造方案,并选择了最优的一种。
并且在关键问题处理上取得了突破。
关键词:
LNG站大型储罐焊接
ABSTRACT
Thisdesignmainlyfromthesecurity,economicperspectiveLNGportterminalofthesystemdesign,calculationanddrawnforbythestructuraldesignofLNGstoragetanks;andthecombinationofmanufacturing,maintenanceandothertechnicalrequirementsfortheconstructionofLNGstoragetankdesignandconstructionprocesstankwallweldingtechnology;notonlythemanufacturingprocessissimple;andeasytooperate.Thedesignofthe200,000cubicmetersoflargestoragetanksasfaraspossiblefollowtherelevantnationalstandardsandministerialstandards;strictnorms;triedtobedesigned;toensuresafeuse.Thisdesigncomparestwokindsofconstructionprograms.
Andselectthebestone.Andkeyissuesinthehandlingofabreakthrough.
Keywords:
LNGstation;Large;Tank;Welding
0引言
天然气是在气田中自然开采出来的可燃气体,主要成分由甲烷组成。
天然气经过预处理,脱除重质烃、硫化物、二氧化碳、水等杂质后,在常压下深冷到零下162℃液化制成液化天然气(LNG),这是天然气以液态存在的形式,其体积仅为气态时的1/600,密度为426kg∕m3。
天然气液化后可以大大节约储运空间和成本,而且具有热值大,性能高等特点。
自1964年第一艘LNG运输船将LNG从阿尔及利亚运到大不列颠时起,LNG就成为世界天然气贸易中不可分割的一部分,它不仅仅在数量上,而且在地理范围上拓宽了天然气市场。
世界上目前有八个国家出口LNG,1995年共出口6877万吨(折含天然气925亿米3),其中印尼为最大出口国,占35.4%。
出口国
1995年出口量(万吨)
占总量(%)
印度尼西亚
2435
阿乐及利亚
1361
马来西亚
956
澳大利亚
743
文莱
627
阿布扎比
497
利比亚
139
美国阿拉斯加
119
合计
6877
100
有九个国家和地区进口LNG,以日本和韩国进口量最大。
进口国
1995年进口量(万吨)
占总量(%)
日本
4306
法国
624
韩国
700
西班牙
527
比利时
307
台湾
257
土耳其
107
美国
45
意大利
4
合计
6877
根据予测:
世界LNG总需求量,2000年为0.9~1.1亿吨,2010年为1.3~1.9亿吨,通过现有装置的技术改造以及扩建、新建项目实施,到2010年世界年总产能量可达到2亿吨LNG,国际市场是能够满足LNG的需求有深远的意义。
通过上面论述天然气储运成为一大难题,其显得十分重要。
2008年,在全球金融危机肆虐的大背景下,我国天然气工业仍然实现了平稳快速发展。
2008年我国天然气产量为774.74亿立方米,同比增长12%;消费量为778亿立方米,同比增长了13%。
天然气消费结构持续优化,城市燃气占消费总量的33.2%。
西气东输二线(西段)超大型天然气管线建设拉开序幕,国家骨干管道增输工程全面实施;大连、江苏LNG接收站开工建设,新的进口LNG资源不断落实。
受全球经济危机以及管道输送能力等因素的影响,预计2009年全国天然气消费量为850亿~870亿立方米,总体上仍处于供不应求局面。
建议国家加强天然气定价机制的研究,针对2010年的大规模天然气进口,理顺国内天然气定价机制;适时调整天然气利用政策,重视天然气发电在拓展天然气市场中的作用;抓住目前LNG价格相对较低的有利时机,加快LNG国际贸易谈判步伐;在建设骨干管网的同时,加快支线和联络线的建设。
天然气运输主要包括管道运输、LNG储运、CNG(压缩天然气)储运、吸附储存天然气、天然气水合物储运等。
铺设管道是传统的天然气的运输方式,世界上月75﹪天然气通过管道运输。
当前管道运输发展趋势是长运距,大口径、高压力和网络化逐步形成大型的供气系。
向极地和海洋延伸。
安全系数高,对环境污染小。
但投资巨大,成本高。
LNG储运是将天然气低温冷却液化后,以LNG形式储运。
这种方式输送乐25%的天然气。
LNG液化后的体积远比气体小在运输方面具有极大优势。
LNG运输是提高海洋与沙漠地区天然气开发利用率的有效方法,其成本仅为管道运输的1/7.并可降低因气源不足而造成铺设管道的风险。
压缩天然气储运是利用气体的可压缩性将天然气以高压进行储存,通常压力为15至25MPa。
储运成本与上述两种方法比较成本最低,但存在高压危险。
综上所诉,一些新的储运方式在应用的同时,LNG储运方式将得到更大的发展空间,使用比率在不断上升。
0.2LNG储罐建造市场及现状
LNG贮存是LNG工业中非常重要的一个环节,但对LNG接收站或调峰型液化工厂来说占有很高的投资比例,因此世界上许多国家都非常重视大型常压LNG储罐设计和制造。
阿尔及利亚、文莱和印度尼西亚等LNG输出国和英国、法国、日本等输入国都建有大量大型常压LNG储罐。
目前LNG在亚洲应用量最大,占全球78%,其中日本应用量占全球62%.LNG储罐储存容量通常按照液化装置的液化能力、长距离运输所需总容量或冬季燃气调峰贮备来考虑,其工作压力可在3.4~30KPa之间选择。
储罐形式取决于容量大小、投资费、安全因素及当地的建造条件等。
目前世界上不少国家都有能力和技术建造大中型常压储罐。
容量为45000~200000m3数百台LNG储罐在许多国家和地区正发挥着基本负荷贮存、高峰负荷贮存及终端贮存的各种功能。
我国是世界天然气大国之一,有丰富的天然气资源,但我国还没有大规模液化天然气系统工程实践,天然气液化技术的发展使得西部地区的天然气低成本走向东、南部沿海地区成为可能,进而缓解我国天然气资源分布不均的矛盾。
目前我国对天然气液化技术方面所做的研究还很少,尚未掌握液化天然气核心技术,也没有大型LNG储罐国家标准,与发达国家相比还存在很大的差距。
国内目前尚无自行设计、建造的大型常压LNG储罐,由国外引进技术自行承建的也屈指可数。
随着液化天然气工业的发展,我国对液化天然气储罐的研究也越来越重视。
近10年来我国在积极引进液化天然气开拓能源供应渠道多元化,继建成了上海LNG事故调峰站、河南中原天然气液化工厂和新疆天然气液化工厂等。
同时引进的广东、福建和上海LNG项目近年来均获重大进展。
由德林公司承建的新疆广汇容量为30000m3、压力为15kPa的圆筒双层壁LNG储罐;由法国索菲公司承建的上海浦东容量为10000m3的钢筋混凝土LNG储罐;由法国和意大利STTS集团联合承建的广东深圳两台160000m3大型LNG储罐。
江苏如东、辽宁大连等LNG项目也都在投资策划中。
2020年我国LNG年进口量将超过60000吨/年,使天然气在一次能
源消费中所占比例上升到8%以上。
但在大型低温液体储罐领域,如液氧、液氮储罐,国内已有成熟的设计、建造技术。
四川空分设备(集团)从20世纪80年代开始吸收外国设计,建造大型储罐的先进技术,近年来自主开发了400~6000m3的大型低温液体储罐,目前已建成该类储罐上百台,其中2000m3以上储罐20多台。
国内近几年小型LNG容器已建造不少,基本上都是以压力罐的方式出现,如四川空分设备(集团)最早建造的用于中原油田的600m3子母罐。
压力罐在容量小的场合是可行的,但随着容量增大其投资成本增大,发展大型常压LNG储罐,尤其是10000m3以上LNG储罐已是大势所趋。
国内外在大型浮顶储罐的建造中,罐体普遍在用自动焊工艺,技术已经相当成熟。
我国在上世纪80年代初就引进了大型储罐自动焊技术及设备,部分技术设备已实现国产化。
最近三四十年来,储罐向大型化方向发展的趋势已成定局。
这样储罐的设计、施工更成为重中之重。
1港口LNG接收站概念设计
目前国内液化天然气接收站的设计主要参照国外和国内LPG站的标准,还没有形成LNG气化站的设计规范。
根据多个LNG气化站设计、建设和运行的经验,针对设计及运行中存在的问题,进行本次设计。
本次设计主要对液化天然气气站贮存设备进行设计,从安全、方便使用的角度,通过计算和取材进行总体结构设计,并结合制造、维护等工艺要求进行总体规划;不仅使制造工艺简单,而且操作使用方便。
本设计严格遵循有关国家标准、化工部及其他部颁发的标准,严格规范,力求做到设计合理,确保使用安全,为制造部门提供一套完整的资料。
推进LNG站建设优化速度,和相关标准的建立。
本工程设计规模:
储罐容积20万m3。
日供应量达19.5万m3。
位置选择建在港口附近,采用海上LNG船运输,主要供应沿海城市用户的使用,方便居民及相关企业的使用,并减少环境的污染。
设计要点包括:
1)LNG站功能设计
2)LNG站系统设计
3)LNG站流程设计
4)LNG储罐的罐体设计
a、结构形式设计
b、罐体材料的选择
c、罐底设计
d、罐壁设计
e、罐顶设计
5)施工流程、组装、焊接工艺设计
方案选择:
方案一、经最省材公式V=πr2h;A=2πrh+2πr2面积最小:
dA/dr=4πr-2V/r2=0;r=(V/2π)1/3,h=V/πr2=2r
式中V——内罐容积,单位为m
;A——内罐表面积,单位为m
;
r——内罐半径,单位为m;H——内罐高度,单位为m。
储罐公称体积200000㎥,内直径110m,高度为22.5m,罐壁11层。
壁厚最底层为18mm,最上层为5mm,设计压力1㎫㎫,安全阀开启压力为0.88。
设计温度-165℃设计温度:
-165℃/+65℃最低工作温度-196℃;日蒸发率:
0.05%。
腐蚀裕量为1。
储存物料时商品液化天然气,物料密度426kg/㎥,充装系数0.9,容器为Ⅲ类,抗震强度8级,风压值600㎩,雪压值400㎩,当地最冷月最低气温-15℃。
主体材料:
内筒为06Ni9钢,外筒为混凝土,隔热材料为珠光砂。
图1.1方案一储罐整体设计图
图1.2方案二储罐整体设计
接收站由工艺系统、公用工程系统及辅助工程组成,其典型组成,见表1.1。
表1.1系统组成
序号
项目名称
称序
项目名称
一.接收站工艺系统
三.辅助工程
1
LNG卸料系统
1
行政办公楼
2
BOG返回系统
2
中央控制室
3
LNG贮罐
3
总变电所
4
BOG压缩机
4
码头控制及配电室
5
BOG再冷凝器
5
维修间及仓库
6
LNG低压输送系统
6
储油库
7
LNG高压输送系统
7
化学品库
8
LNG气化系统
8
废品库
9
天然气计量及送出系统
9
消防站及医疗中心
10
LNG装车系统
10
食堂
11
火炬系统
11
门卫
12
燃料气系统
12
压缩厂房
13
工艺海水系统
13
计量分析室
公用工程系统
14
装车控制室
1
生产水系统
15
装车棚
2
生活水系统
3
仪表空气及压缩空气系统
4
氮气系统
5
生活污水处理系统
6
含油污水分离器
7
供配电系统
在大型LNG接收站系统是由LNG卸船工艺系统、LNG储存系统、LNG再气化/外输系统、蒸发气处理系统、火炬/放空系统组成。
如图2.1所示:
图1.3LNG站主要系统构成图
①LNG卸船工艺系统
卸船系统由卸料臂、卸船管线、蒸发气回流臂、LNG取样器、蒸发气回流管线及LNG循环保冷管线组成。
在大型LNG接收站,LNG的运输船抵达码头后,经码头上的卸料臂将LNG输出管线与岸上卸船管线连接起来,由船上储罐内的输送泵将LNG输送到储罐中进行储存,随着LNG不断输出,船上储罐内的气相压力逐渐下降,为维持其气相压力平衡,将岸上一部分蒸发气加压后,经回流管线及回流臂送至船上储罐内。
LNG卸船管线一般采用双母管式设计。
卸船时两根母管同时工作,各承担50%的输送量。
当一根母管出现故障时,另一根仍可工作,不致使卸船中断。
在非卸船期间,双母管可使卸船管线构成一个循环,便于对母管进行循环保冷,使其保持低温,减少因管线漏热使LNG蒸发量增加。
通常,由岸上储罐输送泵出口分出一部分LNG来冷却需保冷的管线,在经循环保冷管线返回罐内。
每次卸船前还需用船上LNG对卸料臂等预冷,预冷完毕后再将卸船量逐步增加至正常输量。
卸船管线上配有取样器,在每次卸船前取样并分析LNG的组成、密度及热值。
②LNG储存系统
LNG储存系统由低温储罐、附属管线及控制仪表组成。
低温容器内液体在储存过程中,尽管容器有良好的绝热,但还是会有一些热量通过各种方式传入容器中。
由于热量的漏入,将会使一部分低温液体气化,则容器中的压力会随之上升。
储罐的日蒸发量约为0.06%~0.08%。
卸船时,由于船上储罐内输送泵运行时散热、船上储罐与终端储罐内的压差、卸料臂漏热及LNG液体与蒸发气的置换等,蒸发气量可数倍增加。
为了最大程度减少卸船时的蒸发气量,应尽可能提高此时储罐内的压力。
一般说来,接收终端至少应由2个等容积的储罐。
③LNG再气化/外输系统
LNG再气化/外输系统包括LNG储罐内输送泵(潜液泵)、储罐外低/高压外输泵、开架式水淋蒸发器、浸没燃烧室蒸发器及计量设施。
㎫㎫后,进入高压水淋蒸发器蒸发,以供远距离用户使用。
再气化的高、低压天然气经计量设施分别计量后送往用户。
为保证罐内输送泵、罐外低压和高压外输泵正常运行,泵出口均设有回流管线。
当LNG输送量变化时,可利用回流管线调节流量。
在停止输出时,可利用回流管线打循环,以保证泵处于低温状态。
④蒸发气处理系统
蒸发气处理系统包括蒸发气冷却器、分液罐、压缩机及再冷凝器等。
此系统应保证LNG储罐在一定压力范围内正常工作。
储罐的压力取决于罐内蒸发器的压力。
当储罐处于不同的工作状态,例如储罐有LNG外输、正在接收LNG或既不外输也不接收LNG时,其蒸发量有较大差别,如不适当处理,就无法控制气相压力。
因此,储罐中应设置压力开关,并分别设定几个等级超压值及欠压值,当压力超过或低于各级设定值时,蒸发气处理系统按照压力开关进行相应动作,以控制储罐内的气相压力。
⑤储罐防真空补气系统
为防止LNG在运行中产生真空,在流程中配有防真空补气系统。
补气的气源通常为蒸发器出口管进出的天然气。
⑥火炬/放空系统
当LNG储罐内气相空间超压,蒸发气压缩机不能控制且超过泄放阀设定值时,罐内多余蒸发气将通过泄放阀进入火炬中烧掉。
当发生诸如涡旋现象等事故时,大量气体不能及时烧掉,则必须采取放空措施,及时把蒸发气排放掉。
⑦控制系统
控制系统以DCS为核心,实现对整个装置的集中监视、控制。
安全连锁保护及紧急停车采用ESD(EmergencyShutDownSystem)系统实现。
接收站控制系统和输气管线监控和数据采集系统(SCADA)有接口用以过程动态数据交换
LNG接收站的控制系统具备以下基本功能:
1)对生产工艺实行实时控制,如压力、液位和温度控制等。
2)动态显示生产流程、主要工艺参数及设备运行状态,对异常工况进行声报警并打印记录备案、存贮有关的重要参数。
3)在线设定、修改控制参数。
4)LNG气化的天然气的外输计量和控制。
5)显示可燃气体及火灾探测状态,以声光形式对探测到的异常状态报警。
6)监视全厂的生产安全,重要安全信号去DCS报警。
7)接收站与码头控制系统的数据通信。
8)执行紧急切断逻辑,显示紧急切断报警信号。
1.3.1LNG接收终端工艺流程设计
图1.4LNG接收终端工艺流程
在大型LNG接收站,LNG的运输船抵达码头后,经码头上的卸料臂将LNG输出管线与岸上卸船管线连接起来,由船上储罐内的输送泵将LNG输送到储罐中进行储存,随着LNG不断输出,船上储罐内的气相压力逐渐下降,为维持其气相压力平衡,将岸上一部分蒸发气加压后,经回流管线及回流臂送至船上储罐内。
来自储罐的LNG由LNG泵升压后送入LNG汽化器,LNG受热气化后,送到下游用户管网。
1.3.2LNG气化站工艺流程设计
图1.5LNG气化站工艺流程
采用BOG再冷凝工艺,BOG先通过压缩机加压到1㎫左右,然后与LNG低压泵送来的LNG过冷液体换热、冷凝成LNG,再经气化器进入用户管网,为维持储罐内的气压平衡,必须将一部分蒸发气返回到船上储罐内。
罐体结构主要是由储罐罐底、罐壁、浮顶三大部分组成。
本章的设计主要就是对罐体进行的各部分的结构设计。
对于结构的设计又要包括各部分尺寸的确定、材料的选择以及具体的结构设计等。
[5]
1.4.1储罐结构设计
浮顶储罐主要是由罐底、罐壁、罐顶及附件三个部分组成。
①罐底设计
罐底板由中幅板与边缘板两部分组成。
边缘板和中幅板板厚均为5mm;边缘板板宽2.5m,板长8.5m;中幅板板宽2.8m,板长11m。
该储罐采用了定尺板横竖相间的条形排列方式,中幅板由中心向四周对称排列,便于在焊接过程中均布焊工,等速、同步施焊,以减小焊接变形。
罐底板的接头形式主要有对接和搭接。
罐底中幅板可采用带状条形排版,边缘板采用弓形边缘板。
边缘板和幅板的拼接均采用对接,全焊透。
排板方式如3.2.1图所示:
②罐壁设计
1)罐壁厚度计算
采用定点设计法,对于每层罐壁板下端以上0.3m处的静液压力为基准,作为该层罐壁板的设计压力。
aTd=0.0049ρ(Hi-0.3)D/([σ]Ф)+C1+C2(2.1)
bTt=4.9(Hi-0.30)D/([σ]Ф)(2.2)
cTi=max(Td,Tt)(2.3)
Td—按储液条件确定的设计厚度,mm
Tt—按充水实验条件确定的设计厚度,mm
ρ—储液密度,kg/㎥
Hi—设计液面至第i层钢板下端的高度
D—储罐内径
[σ]—设计温度下罐壁钢材的许用应力,㎫
Ф—焊缝系数
C1—钢材厚度负偏差
C2—腐蚀裕量
2)壁厚计算流程
层数
高度(m)
计算结果(Tdmm)
计算结果(Ttmm)
比较结果(Timm)
1
15
18
18
2
13
17
17
3
11
15
15
4
9
13
13
5
7
11
11
6
6
10
10
7
4
8
8
8
3
6
6
9
3
5
5
10
21
3
5
5
11
3
5
5
③浮顶设计
为保证浮顶储罐内的安全运行,浮顶支撑在罐底板上时,能承受浮顶自重和1200Pa的附加载荷。
双盘式浮顶应设置紧急排水管,浮顶在设计最高位置和最低位置之间浮动时,浮顶罐中的任何部件、零件如浮顶、罐壁、量油导向管和浮顶支柱均不得受损伤。
浮顶处于漂浮状态时,浮顶下表面应与储液全面接触。
1.4.2储罐的选材
①储罐内壁、罐底板、浮顶材料
1)储罐内壁、罐底板、浮顶板都采用06Ni9钢
a06Ni9钢及其焊接性
06Ni9钢是中合金低碳马氏体型低温钢。
焊接特性其化学成分和力学性能见下表
表1.306Ni9钢的化学成分(质量分数)(%)
C
Si
Mn
P
S
Mo
V
Cr
Ni
Cu
Al
--
--
--
表1.406Ni9钢的力学性能
热处理
方式
屈服强度Rel/MPa
抗拉强度RL/MPa
断后伸长率A(%)
低温冲击功Ak(-196~C)/J
淬火+.回火
670
700
301,301,309
钢由于06Ni9钢含有较多的镍,具有一定的淬硬性(Ceq=0.40)。
该钢种具有较高的低温韧性,焊接性能也优于一般的低合金高强钢。
在板厚<50ram的结构焊接时,可以不预热,焊后也可不进行消除应力热处理,具有优良的焊接性。
尽管06Ni9钢的焊接性优良,但必须严格控制钢的化学成分(含量)不超标,尤其是硫、磷的含量必须控制在标准含量下,否则在焊接过程中可能出现焊接热裂纹,尤其是弧坑裂纹更为敏感。
由于9%Ni钢非常容易磁化,焊接时必须采用交流电源防止电弧偏吹,同时要选用适合交流电源的焊接材料;为保证9%Ni钢焊接接头的低温韧性,焊前不能预热,而且必须严格控制焊接时的层间温度,主要目的是避免接头过热和晶粒长大。
同时,要选择合适的焊接热输入,因为焊接热输入直接影响接头组织、晶粒大小和性能。
②钢的焊接工艺分析
焊接方法及焊接电源的选择
1)根据大型低温储罐的结构特点,目前LNG低温储罐罐体环焊缝多采用埋弧横焊,纵焊缝通常采用焊条电弧焊。
由于9%Ni钢易磁化,采用直流电源时易产生磁偏吹现象,影响焊接工艺的稳定性,并直接影响到焊接接头的质量,因此工程中通常采用交流电源。
设备、方法选择
焊接方法
设备名称
型号
生产厂家
交流焊条电弧焊
交流方波脉冲电弧焊机
WSME630
上海威特力
埋弧焊
交流埋弧横焊机
PowerWaveAC/DCl000
LINC0N
2)焊接材料的选择
若采用与06Ni9钢成分相近的焊接材料,焊后不经热处理,焊缝的低温韧性要低于母材,所以这种焊接材料很少应用;根据生产经验,可以选用含镍量较高的奥氏体型的镍基合金焊条,采用高镍焊接材料时,焊缝组织均为奥氏体。
这种组织的焊缝强度也略低于母材,且可以保证焊缝的低温韧性。
因此本次设计选择的焊材有焊条E-NiCrMo-6、焊丝ER-NiCrM-4、焊剂Marathon104
表1.6焊接材料的化学成分(质量分数)
焊材牌号
C
Si
Mn
P
S
Mo
Cr
Ni
Cu
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