地上式液化天然氣儲槽法規標準及構造

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地上式液化天然氣儲槽法規標準及構造

作者  曾宇

作者 曾宇

前台灣中油公司興建工程處 專案經理

 目錄

前言

  液化天然氣(簡稱LNG)之主要成份是甲烷,氣化後比空氣輕,萬一洩漏時,很容易上升擴散至大氣中,不聚積在地面,降低爆炸的危險。LNG在液化過程中,已將硫、二氧化碳、水份等除去,因此燃燒時,不會造成硫份之空氣污染,天然氣具有很高的熱值(約10000Kcal/M3)。液化後的體積縮小為1/600,利用海水與LNG換熱使之氣化,便於儲存與運輸,是安全、乾淨、高效能且方便之能源。在世界上,能源的需要只增不減,且面臨環境破壞或溫室效應等難於解決之狀況,而液化天然氣(LNG)為石化燃料中二氧化碳排放量最少的,且氮氧化物NOX或硫氧化物SOX等污染物質非常少,為最受到關注且乾淨的能源。

壹、LNG儲槽種類

  LNG儲槽種類約可分為三類,分別為坑式儲槽(In-pit LNG tank)地下式儲槽(In-ground LNG tank)地上式儲槽(Above-ground LNG tank)。坑式儲槽是在地表下挖坑,周圍設有坑牆(如圖1)。地下式儲槽為地表下混凝土外牆與土壤直接接觸,內層為薄膜(Membrane)內槽,內外層間有保冷絕熱層(如圖2),中油公司永安液化天然氣廠目前有6座。

  地上式儲槽包括四種型式,分為傳統式儲槽(Conventional LNG tank)預力混凝土牆式儲槽(Pre-stress concrete wall LNG tank)簡稱PC tank、預力混凝土牆薄膜式儲槽(PC membrane tank)覆土混凝土牆式儲槽(RC outer tank and earth embankment)。

  傳統式儲槽是四周有防液堤(Dike),槽體為內外層金屬板(如圖3)。預力混凝土牆式儲槽之外槽自撐式預力混凝土牆取代防液堤,內體包括內外層金屬板層間有保冷絕熱層(如圖4),中油公司台中液化天然氣廠即為此類儲槽,3座儲槽於2009年建造完成並已進氣使用。預力混凝土牆薄膜式儲槽是四周有防液堤,槽體外層為預力混凝土牆內層是薄膜(如圖5)。覆土混凝土牆式儲槽係類似傳統式儲槽,四周圍覆土做堤防(如圖6)。

圖1
圖2
圖3
圖4
圖5
圖6

   2000年後各國已不再興建傳統式儲槽,僅建造預力混凝土地上式儲槽和地下式儲槽二者,其比例約3比1。而預力混凝土地上式儲槽多採用全密閉型(Full containment)(如圖7),依頂部型式分為雙拱頂(Double dome)(如圖8)及懸頂(Suspension deck)二種(如圖9),日本國內用雙拱頂,因地震帶與日本使用JGA(Japan Gas Association)日本地上式儲槽指針(非標準)之考量,歐洲、美國及除日本以外亞洲地區則使用懸頂,中油公司台中液化天然氣廠6座均為雙拱頂。

圖7

貳、全密閉預力混凝土地上式儲槽與構造

一、全密閉地上式儲槽

  參照API625第5.4章節說明,液體密封(Liquid tight)之內槽(Primary container)及液體(Liquid tight)與氣體密封(Vapor tight)之外槽(Secondary container),兩者具有獨立儲存作用。外槽需能抵抗內槽洩漏液體至外槽的液體與產生氣體,使其結構不致受損壞。

二、雙拱頂及懸頂

1. 雙拱頂

  內槽槽頂為銲接於內槽由9%鎳鋼製成的拱型屋頂,使內槽成為密封的槽體。儲槽內、外槽間的環狀空間(Annular Space)充滿氮氣,並與旁邊充滿氮氣的呼吸槽(Breathing Tank)相連通。可以時時讓環狀空間充滿氮氣並保持在微正壓狀態,以確保外部的空氣無法流進外槽;這樣的設計不但避免了萬一內槽洩漏時LNG或BOG(Boil Off Gas、 LNG蒸發氣)與氧氣接觸爆炸的可能性,同時因無氧氣,內槽與外槽間也不易銹蝕,增加了儲槽壽命及安全性。

圖8

2. 懸頂

  內槽槽頂為吊掛於外槽,由鋁板加上保冷毯組成之平板以吊桿固定於屋頂。內槽與外槽未做完全隔離,內槽與外槽間充滿了BOG而使壓力得以平衡,故無需設置呼吸槽。呼吸槽有其風險,呼吸槽失能時,夾層壓力失控將會造成內槽損壞;呼吸槽連至儲槽的管線斷裂,夾層壓力亦將失控;呼吸槽的耐震設計不同於儲槽,在遭遇強烈地震時,呼吸槽反成為潛在風險因子;如外槽有破洞,雙拱頂式儲槽夾層的氮氣必也外漏流失,造成夾層壓力失控而危及內槽壁的安全。

3. 雙拱頂及懸頂的區別(如表1)

圖9
表1

  雙拱頂因有9%鎳鋼之內槽拱頂,若以160,000公秉LNG儲槽內槽拱頂重量約1,000噸,其材料費與施工費較懸頂儲槽成本約增加 10%,工期約增加7個月。

三、構造

1. 內槽

  懸頂儲槽為頂部開口平底圓柱體,由耐超低溫9%鎳鋼材料製成。拱頂儲槽同樣有耐超低溫9%鎳鋼材料製成的平底圓柱體及圓拱頂,使成密封的液體容器,頂部及上部為BOG空間。

2. 外槽

  由預力混凝土外牆及基礎板連接之襯板組成,包括底襯板、壁襯板及頂襯板,即所謂的夾層。懸頂儲槽內槽是頂部開口平底圓柱體,所以內槽和外槽為連通空間。拱頂儲槽內槽是密封容器,內槽與外槽完全隔離。外槽功能不僅是在正常運行期間,保持但氣壓力平衡,並隔絕氣體不致從混凝土外牆流出,而且還要承受其使用壽命期間可能發生的主要內部和外部危害。尤其是,在LNG從內槽意外洩漏或溢出的情況下,承受LNG超低溫維持結構強度,同時控制蒸發氣排放。

3. 外牆

  包括外環預力鋼筋混凝土之基礎板及水平和垂直的預力混凝土圓柱體牆壁。

4. 保冷

  頂部為珍珠岩粒,槽壁有玻璃纖維彈性毯、珍珠岩粒及PUF(Poly Urethane Foam),底部為輕骨材薄混凝土層、多孔玻璃(Cellular glass)、珍珠岩保冷混凝土塊、珍珠岩保冷混凝土等。

5. 地錨 (Anchorage或Anchor strap)(如圖10)

  地錨的需否取決於地震來臨時儲槽壁傾斜挫屈所施予基礎的額外負荷,在儲槽設計時,都會以有限元素分析(FEA)算得此額外負荷而決定需否地錨,雙拱頂式內槽頂因有近千噸的載重壓頂,地震晃動帶給基礎的負荷效應,使地錨的設置成為必需,而吊頂式儲槽的內槽頂為重量不到200噸的平板,地震晃動帶給基礎的負荷效應遠低於雙拱頂式儲槽,需否地錨則視儲槽所在地的地震強度而定。設計參照API 620 Q.3.7章節或EN14620 Part2 5.1.2.2及5.8.1章節。

圖 10

6. 底角保冷裝置TCP (Thermal Corner Protection)(如圖11)

TCP的構造為外槽垂直向上延伸5m高圓筒與夾層底部的9%鎳鋼,和垂直圓筒在外牆之間設置由剛性泡沫玻璃製成的保冷層組成。TCP的作用是留存BOG冷凝之液體及內槽溢流或洩漏至夾層之LNG,其設置可抵抗超低溫液體,使結構不致受損。因懸頂儲槽內槽與外槽空間相通,需設置TCP,設計參照API 625 6.8章節或EN14620 Part1 7.1.11章節。

圖 11

7. 干舷 (Free board)(如圖12)

  干舷為最高液位至壁板與頂板之切線的間距,參照EN14620 Part1 7.1.7章節至少300mm。懸頂式儲槽地震引起液位搖晃(sloshing)計算sloshing高度,若不足儲槽壁板高度,可增加sloshing高度或free board長度,亦可抵抗地震產生的sloshing。

圖 12

8. 進出管線

  管線由槽頂及懸頂甲板進出,管內為超低溫液體自外部流入出,溫度變化極大,為防止熱變化造成應力不均,裝設保冷減少熱變化。一般來說,管線穿過外槽頂部被設計為充當固定點。來自管線的承載將通過穿透部分傳遞到屋頂結構。為了適應甲板和管線的熱運動,將設計通過懸掛式甲板的管線穿透。噴嘴將被提供適當的保冷,以防止在屋頂滲透連接處形成結冰。

9. 泵柱 (Pump well)

  泵柱將由外槽頂支撐,並通過銲接到9%Ni槽底進行水平引導。泵柱和支撐系統將根據項目規範的要求進行振動分析。泵套管須通過有限元素模型,該模型將用於執行模態分析以確定泵柱的固有頻率。

10. 儀器系統

  儀器確保控制和保護功能,包括儲槽計量、液位計至少二組、防止液化天然氣溢出、冷卻儲槽、過壓保護、減壓保護、氣相溫度監測、壓力監測、壓力監測及防止翻滾現象等。

11. 電氣系統

  危險區域劃分的設備都將通過Gas Group II A T3和IP 55 防護等級的認證。為了確保人員和設備的安全,液化天然氣儲槽將配備一個連接到接地迴路的等電位電路,所有暴露的導電部件或元件都將連接到此接地網絡。避雷保護雷電的直接影響的防護將被應用,它還將涵蓋防止由於電磁脈沖和過電壓造成的間接後果。根據國際民用航空要求及政府規定,飛機警示燈安裝在液化天然氣罐頂部的最高點。其他包括接線盒、配電盤、照明、通訊及廣播等。

12. 底部加熱系統

  加熱器係安裝在基礎板導管中的加熱元件產生熱量,防止基礎下面的地面凍結。基礎的基礎溫度將保持在5°C和10°C之間。當一個溫度傳感器降至5°C以下時,整個加熱系統將打開。當所有溫度傳感器升高到10°C以上時,整個加熱系統將被關閉。通過控制室的DCS提供適當的加熱系統控制和監測 (電氣和溫度報警)。

13. 安全系統

  在液化天然氣儲槽設置壓力釋放安全閥。每個安全閥都配有一個隔離閥,採用遠程提升和先導排氣密封的先導式,PSV尾管上都會配備乾化學噴嘴,PSV將為入口管和入口管線提供隔離閥的聯鎖裝置,以便隨時進行維護。真空安全閥將空氣排入槽頂,避免超過外壓。每個真空安全閥都配有隔離閥,入口均單獨安裝在混凝土圓頂上,不會進入懸掛式甲板以下。

14. 消防系統

  PRV的尾管上安裝化學滅火系統,包括粉末罐,加壓氮氣瓶,管線以及其他設備,如排氣管內的噴霧器,用於熄滅RV的排放火災。消防灑水系統2.5 L/min/m2,LNG洩漏收集系統(Spill protection)。

15. 附屬物

  儲槽一級泵維修時吊裝用之旋臂起重機,槽內梯、外槽走梯、緊急逃生梯、槽頂平台、槽頂梯子、泵平台、外環欄杆、電梯等,拱頂槽用呼吸槽。

參、政府法規與標準

一、政府法規(如表2)

表2

二、風險評估

  勞動部「危險性機械及設備安全檢查規則」第6條規定,混凝土製外槽與鋼製內槽之液化天然氣雙重槽應於事前將風險評估報告送中央主管機關審查,非經審查通過及確認檢查規範,不得申請各項檢查。

  報告內容包括風險情境描述、量化風險評估、評估結果、風險控制對策及承諾風險控制措施等。審查時,包括規劃設計要項及實施檢驗規範。

三、標準

  上述法規亦規定,國內依合約約定採用前項國外標準設計、製造之危險性機械或設備,得採用該國外標準實施檢查。國外標準之指定,應由擬採用該國外標準實施者,於事前檢具各該國外標準經中央主管機關認可後為之。換言之,儲槽設計、製造及檢查等所用的國外標準必須經勞動部認可。

  目前冷凍槽常用的標準包括美國石油學會 API620 低壓儲槽設計及建造、英國歐盟 BS EN14620 操作溫度0℃~-165℃立式圓筒平底冷凍槽設計及建造和美國機械工程學會ASME等已取得勞動部國外標準指定適用,至於美國石油學會 API625 尚未被勞動部認可。

肆、結論

  全密閉預力混凝土外牆地上式儲槽有雙拱頂及懸頂兩種不同的頂部,雖然中油已使用雙拱頂儲槽,但是其他企業有雙拱頂及懸頂的選擇,雙拱頂儲槽已商業運轉,懸頂可節省成本與縮短工期,唯台灣市面上尚未建造。

  依據勞動部「危險性機械及設備安全檢查規則」第6條規定,液化天然氣儲槽需通過勞動部風險評估審查才可動工,風險評估從編寫完成報告送出審查到通過至少需一年時間。目前正在建造之液化天然氣儲槽執行情況,因風險評估審查通過和竣工檢查與丙類危險性工作場所有關連,為工期考量只得讓廠商在未取得風險評估審查通過前先行動工。未來規劃液化天然氣接收站與儲槽之興建時程,需考慮法規因素,使兩者能順利銜接。

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