1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

液化天然气作为一种新兴能源，以其清洁、经济、高效的特点被广泛应用于化工、居民生活、汽车燃料等领域 ，社会的需求量不断增长，LNG 产业的发展日益壮大，LNG 储罐的规模也随之呈现大型化的趋势发展为超大型储罐，超大型储罐及库区成为必然的发展方向。

本文主要对10000m³液化天然气球形储罐进行合理设计,主要包括罐区平面布置，储罐类型、壁厚、高度、直径；储罐间防火间距及储罐与防火提之间的距离；消防系统设计。此外，还需对罐区进行危险有害因素辨识以及对介质进行重大危险源分析，并对可能出现的危险提出相应的安全对策措施。最后对整个罐区进行安全评价。

一、液化天然气概述

1、1液化天然气组分

液化天然气（Liquid Natural Gas，简称 LNG）是一种多组分的混合气体，主要成分为甲烷（CH₄），并且含有少量的乙烷（C₂H₆）、丙烷（C₃H₈）以及丁烷（C₄H₁₀），有些情况下还含有微量的二氧化碳（CO₂）、硫化氢（H₂S）、氮气（N₂）和水（H₂O），以及微量的惰性气体，例如氦（He）和氩（Ar）等。其中，甲烷是无色、无味、无毒、可燃且无腐蚀性的气体，与空气的重量比约为 0.54^[1]。表1-1 列出了典型 LNG 的组分。

表1-1 典型液化天然气组分

名称	组分	含量
甲烷	CH4	70～90%
乙烷	C2H6	0～20%
丙烷	C3H8	#8212;
丁烷	C4H10	#8212;
二氧化碳	CO2	0～8%
氧气	O2	0～0.2%
氮气	N2	0～5%
硫化氢	H2S	0～5%
稀有气体	A、He、Ne、Xe	微量

1、2液化天然气危险特性

液化天然气由甲烷、乙烷、丙烷、氮等其他物质共同组成，甲烷通常占 85%以上。常见的危险特性如下表1-2所示^[2]：

表1-2液化天然气的危险特性

沸点	-162℃	燃点	482~632℃
爆炸极限	5%~15%	密度	430~470kg/m3
与天然气体积比	1/165

根据《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008^[3]，可将LNG 火灾危险类别定为甲A类，属于高度易燃易爆物质。

二、液化天然气储罐设计

2、1储罐的选型及储存的工艺条件

常用液体储罐的主要型式有：固定顶罐、外 / 内浮顶罐、球罐、卧罐等。要确定储罐的型式，首先应明确储罐所储存介质的物理特性及火灾危险性类别，然后根据介质的火灾危险性类别来确定储罐型式^[4]。不同介质的火灾危险性类别有其常用储罐型式，由于液化天然气属于甲A 类，而甲A类液化烃常用球罐型式^[3]。球形储罐与其他型式的压力容器比较，有许多突出的优点。如与同等容量，相同工作压力的圆筒形压力容器比较，球罐具有表面积小，所需钢板厚度较薄，因而具有耗钢量少，重量轻的优点。此外，球罐还有制造方便，易于大型化、占地面积小、操作管理和检修方便等特点^[4]。

常见的储存工艺有低温常压、低温加压、加压常温。此处储存工艺应选择低温加压。通过文献^[2]可知,该储罐共有两层，中间有一层保冷层。本毕业设计主要设计最内一层为主。采用镍钢作内罐、镍钢或混凝土作外罐和顶盖、底板。外罐壁或混凝土壁到内罐壁大约1~2m，其设计最大压力为23KPa，其允许的最大操作压力20KPa，设计最小温度-165℃。

2、2储罐材料设计

金属的性质在常温下变化不大，但天然气的液化温度是-162℃，若金属与液化天然气直接接触，其性质会出现较大的转变。若在常温至-162℃范围内，制造储罐选用的材质达不到强度要求，或者是在使用温度范围内没有足够的韧性和塑性，同时该材质不具有良好的焊接性，则很容易导致 LNG 在储罐低温储存的状态下，发生罐体破裂泄漏事故，在点火源存在的状况下，极易造成火灾、爆炸事故，对人身健康和财产造成巨大损失^[5]。因此，对 LNG 储罐内罐材质的选择十分重要。

用于储存液化天然气的内罐材质需要满足以下要求实现 LNG 储存的安全性：①为

了避免脆性破坏，材料需要在 0~196℃范围内具有较高的韧性和塑性。②满足温度 0~196℃之内的强度要求。③易于加工且焊接性能优良。④稳定的金相结构。⑤易于购买且费用便宜。⑥满足温度极低时的物理性能^[6]。

2、3储罐强度计算

储罐的强度计算主要包含筒体尺寸的计算、封头的选型、筒体壁厚计算、封头壁厚计算、开孔补强结构、法兰垫片及紧固件以及其他的一些安全附件的设计。具体的设计计算内容将在毕业设计正文里展开。

2、4储罐的附件

安全附件是压力容器重要的附属装置,能够避免容器出现高温、高压、超负荷等问题,保证其安全稳定地运行。球形储罐应装设安全阀 、压力表 、温度计、螺栓紧固件、管件等安全附件，此外还需要有防雷和防静电装置。通过一些书籍和期刊^[7]~[9]了解到必须针对预见的风险严谨合理的选择附件的尺寸与型号，且具体安全附件的选用及安装应符合《固定式压力容器安全技术监察规程》^[10]。

三、液化天然气总平面布置及消防系统设计

3.1罐区平面布置

本文为10000m³液化天然气球罐区安全设计。该罐区位于某城市边缘某大型炼油厂的西北角，地势十分平坦且视野开阔，其周围住户很少，基本无大型居住区，该地区常年风向为东南风。

该罐区可能配套建设办公用房、发配电间、门卫、压缩机房、消防泵房、事故收集池及备用配件库，位于某预留地。根据《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008^[3]第3.l.1条规定：在进行区域规划时，应根据石油化工企业及其相邻的工厂或设施的特点和火灾危险性，结合地形、风向等条件，合理布置。建（构）筑物、设施之间的防火距离的设计距离应符合《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008^[3]第3.1.7条和第4.2.1条规定。

3.2防火堤设计及隔堤设计

按照《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008^[3]第5.2.10条的要求，罐组应设防火堤。罐区防火堤类型选择钢筋混凝土防火堤，根据《储罐区防火堤设计规范》GB50351-2014^[13]第4.2.7条第1款，堤身及基础底板的厚度不应小于250mm。具体设计内容、设计形式参考规范^[11]~[13]。

按照《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008^[3]第5.2.14条的要求，设有防火堤的罐组内，应按下列要求设计隔堤：单罐容积大于5000m³的，应每1个一隔。具体设计内容、设计形式参考规范^[11]~[13]。

3、3消防系统设计

按照《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008^[3]第7.1.1条的要求：石油化工企业应设置匀生产、储存、运输的韧料相适应的消防设施，供专职消防人员和岗位操作人员使用。

消防系统的组成主要包括：消防水池、消防水泵、消防给水管网和消防冷却水喷水设施。其中还要有冷却方式的选择、消防用水量的计算、消防系统装置的布置等^[14]~[19]。

具体的分析计算将在毕业设计正文里展开。

四、罐区危险有害因素辨识及安全对策措施

4、1重大危险源辨识

根据最新发布的重大危险源标准GB18218#8212;2009《危险化学品重大危险源辨识》^[20]规定：单元内存在危险化学品的数量等于或超过其规定的临界量，即被定为重大危险源。而甲烷，天然气的临界量为50t/每单元。若该罐区单元内的储存重量大于50t，则构成重大危险源，反则不是。

若构成重大危险源，则需要对其评价分级^[21]。

4、2罐区危险、有害因素辨识

根据GB6441#8212;86《企业职工伤亡事故分类》^[22]规定，综合考虑起因物、引起事故的诱导性原因、致害物、伤害方式等，将危险因素分为20类。包括物体打击、车辆伤害、机械伤害、起重伤害、触电、淹溺等。其中该罐区可能出现的危险特性有：机械伤害、火灾、容器爆炸等

4、3安全对策措施

安全对策措施是要求设计单位、生产单位、经营单位在建设项目设计、生产经营、管理中采取的消除或减弱危险、有害因素的技术措施和管理措施，是预防事故和保障整个生产、经营过程安全的对策措施。其主要包括：厂址及厂区平面布置的对策措施；防火防爆对策措施；电气安全对策措施以及其他安全对策措施^[23][24]。

根据该罐区可能出现的危险特性，主要从厂区平面布置和防护防爆这两个方面提出相应的安全对策措施。

比如根据满足工艺流程的需要和避免危险有害因素相互影响的原则，布置厂房内的生产装置、物料存放区和必要的运输、操作、安全、检修通道；为防止可燃物与空气或其他氧化剂作用形成危险状态，应加强对可燃物的管理和控制，其次要防止空气和其他氧化性物质进入设备内，或防止泄露的可燃物与空气混合。

五、罐区安全评价

安全评价方法是对系统中的危险性、危害性进行分析评价的工具，是进行定性、定量安全评价的工具。是科学、客观、公正得出安全评价结果和结论的前提，是获得理想安全评价效果的关键。其主要包括定性安全评价方法和定量安全评价方法。

安全评价方法一般以表格的形式出现，常用的有安全检查表^[25]、预先危险性分析法、危险可操作性研究^[26]、道化学法等。本设计中主要采用的安全评价方法有安全检查表、道化学法和事故树法。

参考文献：

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、研究问题

本设计主要通过对10000m³液化天然气球罐区安全设计。具体包括根据国家相关规范确定罐区形状、大小、面积等客观情况；计算防火堤，画出总平面布置图；根据储存的条件，对储罐分别进行材料选型、强度计算、安全附件选型等基础计算；并画出相应的平面图和剖面图等；由介质危险性分析入手，分析罐区危险因素危害因素，并有针对性的提出安全对策措施；对罐区进行消防系统的设计；最后对整个罐区进行安全评价。

二、手段或途径有