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大型平底低溫地上液化儲槽簡介

作者  呂連慶 林靜芳

作者 呂連慶 林靜芳

鋐原能源股份有限公司

 目錄

一、低溫液化儲槽型式分類

  低溫液化儲槽廣泛應用於工業界,例如液氧(LO2)、液氮(LN2) 、液氬(LAr) 、液化乙烯/丙烯儲槽、LPG儲槽及LNG儲槽等,設計壓力為10KPa~80KPa,其容積大小可彈性設計,從200公秉至大型200,000公秉都可承製。

儲槽型式分類如下:

大型低溫地上液化儲槽簡介-儲槽形式分類

本文僅就大型平底地上型液化儲槽(Aboveground Tank)介紹。

二、儲槽結構型式

  地上型儲槽使用API 620(Design and Construction of Large, Weld ,Low-Pressure Storage Tanks)標準設計製造及檢查材料有使用不銹鋼材料之薄膜型(Membrane)內槽及9%鎳鋼內槽2種型式。其結構型式可分為一次包覆,二次包覆及全包覆3種。

1. 一次包覆型(Single Containment)

  一次包覆型儲槽結構分為與液體接觸之金屬內槽,外槽為碳鋼材質,內槽與外槽間裝設絕熱材料,並以氮氣充填。底板以下由基樁支撐,槽體外圍再以防液堤建置。外型圖如圖1所示。

大型低溫地上液化儲槽簡介-圖1一次包覆型儲槽
圖1 一次包覆型儲槽

2. 二次包覆型(Double Containment)

  二次包覆型與一次包覆型最大差別在於其儲槽適當距離處有保冷材料被覆的混凝土結構包覆牆。外型圖如圖2所示。

大型低溫地上液化儲槽簡介-圖2二次包覆型儲槽
圖2 二次包覆型儲槽

3. 全包覆型(Full Containment)

  此儲槽結構內槽為金屬,外殼為預力混凝土(PC Wall)加貼襯片(Liner)組成,稱為預力混凝土雙重金屬殼槽體,內槽採用9%鎳鋼板,外槽為襯片材質為碳鋼;內槽與外槽設置絕熱材料,外槽為預力混凝土牆與底板合成預力混凝土槽取代傳統之防溢堤,有效節省設置所需面積。

此型式內外槽獨立結構,可承載本身操作重量,風力,地震力,再配合使用惰性氣體密封持壓,使儲槽蒸發損失降低。目前台灣中油公司,台中港LNG接收站儲槽為此型式。外型圖如圖3所示。

大型低溫地上液化儲槽簡介-圖3全包覆型儲槽
圖3 全包覆型儲槽

三、槽頂型式說明

  依據歐規EN-14620立式平底低溫儲槽的型式分類,全包覆型圓拱型儲槽槽頂結構可分為懸吊板式(suspended deck) 及拱型頂(Dome Roof)兩種,其構造與性質說明如下:

1. 懸吊板式(suspended deck)

  儲槽容積大於10,000m3時會使用此型式槽頂構造,此型式構造有柱固定於屋頂,橫樑加上平板形成水平懸吊板,當地震發生時,儲槽內儲存液體會產生搖動而觸及槽壁使槽壁液面升高並對槽壁施加額外力矩,此升高的液面稱為浮溢高度(Sloshing Height),由於懸吊板其材料為輕質鋁板結構,受地震力所造成的衝擊,因此槽壁設計高度需額外加上浮溢高度,以防止頂部懸吊板受損,而造成洩漏事件。懸吊板構造詳圖3。

2. 拱型頂(Dome Roof)

  拱型頂式儲槽室內槽側壁與屋頂交接處採用較厚的9%鎳鋼鋼板,此部分稱之為膝板(Knuckle Plate)。由於儲槽設計規範API 620規定9%鎳鋼鋼板的厚度不得超過50mm,依此計算,設計壓力則為0.22bar ,儲槽容量因膝板厚度限制目前仍以16萬公秉為主。若採用拱型頂(Dome Roof ),可降低週期性地震造成浮溢(Sloshing)之衝擊,且可設計整體對銲銲接達到密封耐壓效果,使得儲槽不易洩漏。日本與台灣地上低溫儲槽均採用拱型頂設計。拱型頂外型圖如圖4所示。

大型低溫地上液化儲槽簡介-圖4拱型頂儲槽
圖4 拱型頂儲槽

四、低溫儲槽絕熱性能試驗相關規定

1. 以API 620法規設計製造檢查之平底低溫儲槽,其構造非真空絕熱,無法實施真空試驗。超低溫設備保持絕熱性能之方式,係由設計製造者考量設計參數,選用適當絕熱材料材質、被覆厚度、計算傳熱遞損失以評估適當冷卻方式、保冷設施或設置使其溫度、壓力不致上升之安全裝置等。

  絕熱性能試驗,其目的為保冷功能之測試,惟因設備體積龐大;且構造檢查時設備尚未裝填內容物,無法驗證其絕熱性能,況且歐美、日本工業等先進國家對於超低溫設備僅書面審核設計資料並無實施絕熱性能試驗,若能提出相關資料佐證亦無不可。勞動部(前行政院勞工委員會)於中華民國96年4月19日勞安2字第0960009488號函,有關平底低溫儲槽依API 620 設計、製造者,得依API 620 實施檢查,絕熱性能試驗自得依API 620相關規定辦理。絕熱性能試驗實施困難者,得改依其保冷材料選用,底部保冷強度設計、熱傳導率等設計考量相關資料認定之。

2. 儲槽蒸發損失計算例

設計數據:

  • 內容物:液氮
  • 儲槽有效容積:2000M3
  • 儲槽內徑:14.5M
  • 儲槽高度:15M
  • 最大液位高度:12M
  • 儲槽外徑:17.6M
  • 每日蒸發損失保證值:0.25%
  • 內槽工作壓力:0.1bar
  • 最低工作溫度:-196℃

計算例:

儲槽保冷絕熱層熱損失計算主要有4種熱損失需要計算

(1)珍珠粉末熱損失(2)玻璃棉塊熱損失(3)地錨帶熱損失(4)管線熱損失

熱損失計算公式如下:

五、結語

  目前國內大型平底低溫儲槽正大量建造中,藉由建造工程實務推廣,有效提升國內低溫儲槽技術能力。低溫液化儲槽設計,如何減少蒸發損失其保冷層設計為重要關鍵;建造施工時銲材選用、銲接程序、銲材管制作業、銲接檢驗等工項都必須列為監造重要指標項目,確保儲槽建造品質及儲槽預期使用壽命。

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