优秀毕业设计 lng市场及其储罐的技术现状和发展方向.docx
《优秀毕业设计 lng市场及其储罐的技术现状和发展方向.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《优秀毕业设计 lng市场及其储罐的技术现状和发展方向.docx（49页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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
升级会员 