1 概述
1.1 圍堰區(qū)的概念
在LNG廠站工程中，最主要的危險(xiǎn)設(shè)施為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐，在事故狀態(tài)下儲(chǔ)罐可能破裂。為防止此時(shí)LNG的泄漏蔓延，在大部分的LNG廠站工程中，需按規(guī)范要求為儲(chǔ)罐設(shè)置安全圍護(hù)設(shè)施，即鋼筋砼圍護(hù)墻。此圍護(hù)墻稱為圍堰，圍堰所圍合的區(qū)域即為圍堰區(qū)。本文分析探討的是在儲(chǔ)罐總儲(chǔ)量大于2000m3的LNG廠站工程中，需特殊設(shè)置的圍堰區(qū)。
1.2 圍堰區(qū)的參數(shù)
圍堰區(qū)具有許多屬性參數(shù)，規(guī)范中僅對(duì)某些參數(shù)有所限制。
①常用的參數(shù)
a．圍堰擴(kuò)距：圍堰內(nèi)堤腳到儲(chǔ)罐外壁的距離，單位為m。
b．圍堰區(qū)域面積：圍堰所圍合的區(qū)域占地面積，單位為m2。
c．圍堰區(qū)有效容積：圍堰區(qū)域面積與圍堰計(jì)算高度的乘積，單位為m3。其中圍堰計(jì)算高度等于圍堰內(nèi)高度(圍堰區(qū)內(nèi)地面算起)減去0.2m。
②參數(shù)之間的關(guān)系
圍堰區(qū)的上述3個(gè)參數(shù)互相關(guān)聯(lián)制約。圍堰擴(kuò)距是最基本的參數(shù)，在圍堰高度一定時(shí)，圍堰擴(kuò)距越大，圍堰區(qū)域面積越大，圍堰區(qū)有效容積越大。
1.3 圍堰區(qū)對(duì)工程的影響
LNG廠站總平面設(shè)計(jì)中，必須滿足兩項(xiàng)基本要求，一是確保建構(gòu)筑物(站內(nèi)外)之間防火間距滿足規(guī)范要求，二是對(duì)站外環(huán)境的危害程度符合安全評(píng)價(jià)(以下簡(jiǎn)稱安評(píng))和環(huán)境影響評(píng)價(jià)(以下簡(jiǎn)稱環(huán)評(píng))的要求。
①防火間距的控制
與其他建構(gòu)筑物不同，對(duì)于按規(guī)范要求設(shè)置了圍堰區(qū)的儲(chǔ)罐，除了控制儲(chǔ)罐本體(從罐外壁算起)到周圍建構(gòu)筑物的距離，還要控制圍堰邊界到周圍建構(gòu)筑物(站內(nèi)外)的距離。
②安全評(píng)價(jià)和環(huán)境影響評(píng)價(jià)
在對(duì)廠站的安評(píng)和環(huán)評(píng)中，其危害程度的評(píng)估計(jì)算，是以圍堰區(qū)域面積或圍堰區(qū)有效容積為基數(shù)的，基數(shù)越大則危害程度就越大。
1.4 問(wèn)題的提出
由以上分析可知，圍堰區(qū)是一個(gè)矛盾體。為了防止LNG泄漏溢出圍堰區(qū)，確保儲(chǔ)罐自身的安全圍護(hù)更安全合理，需要加大圍堰區(qū)域面積，但這樣造成了廠站占地面積增大，并對(duì)工程的安評(píng)和環(huán)評(píng)帶來(lái)不良影響，由此產(chǎn)生的后果對(duì)站址的選擇、廠站的造價(jià)和工程工期控制產(chǎn)生不可忽視的副作用。
如何處理這個(gè)矛盾體?本文沿著總圖沒計(jì)的整體思路，對(duì)圍堰區(qū)的合理設(shè)置，從常規(guī)設(shè)置的圍堰區(qū)到優(yōu)化設(shè)置的圍堰區(qū)進(jìn)行論述。
2 圍堰區(qū)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)
2.1 依據(jù)的規(guī)范
①GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《油規(guī)》)。
②GB 50351—2005《儲(chǔ)罐區(qū)防火堤設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《堤規(guī)》)。
2.2 《油規(guī)》和《堤規(guī)》對(duì)圍堰區(qū)的要求
①對(duì)不同類型儲(chǔ)罐的要求
LNG儲(chǔ)罐按其罐體結(jié)構(gòu)形式分為單容罐、雙容罐和全容罐。
雙容罐和全容罐屬于特殊情況，此類儲(chǔ)罐的圍堰是與罐體相連設(shè)置的，不需形成圍堰區(qū)；而單容罐的圍堰需脫離開罐體，按一定的要求獨(dú)立設(shè)置，形成圍堰區(qū)。本文論述單容罐的圍堰區(qū)設(shè)置。
②對(duì)單容罐圍堰的具體要求
基本要求：圍堰區(qū)有效容積不小于最大單罐罐容，并為工藝管道及設(shè)備安裝留有合適的空間。
以100kPa的操作壓力為分界值，形成兩種不同的圍堰區(qū)設(shè)置方法。
當(dāng)操作壓力大于100kPa時(shí)，圍堰區(qū)只需滿足基本要求，例如子母罐的圍堰區(qū)。本文不再論述。
特殊要求：當(dāng)操作壓力小于或等于100kPa時(shí)，且圍堰區(qū)內(nèi)采取了防低溫或火災(zāi)影響的措施，圍堰區(qū)的設(shè)置除了滿足基本要求外，還需滿足特殊要求，見式(1)。
L+h=y+x ????????(1)
式中L——圍堰擴(kuò)距，m
h——圍堰內(nèi)高度，m
y——儲(chǔ)罐最高液位，m
x——儲(chǔ)罐氣相空間壓力的當(dāng)量壓頭，m
3 圍堰區(qū)的計(jì)算實(shí)例
已知：某LNG工程圍堰區(qū)內(nèi)，設(shè)有LNG單容罐2臺(tái)，單罐罐容均為5000m3，操作壓力為l5kPa，圍堰區(qū)采取防低溫或火災(zāi)影響的措施。要求：合理設(shè)置圍堰區(qū)。
3.1 滿足《油規(guī)》和《堤規(guī)》對(duì)圍堰區(qū)的要求
①滿足基本要求
應(yīng)滿足有效容積的要求。根據(jù)已知條件得出：圍堰區(qū)有效容積為5000m3。
②滿足特殊要求
應(yīng)滿足式(1)的要求。
式(1)中的y和x，可根據(jù)已知條件，從儲(chǔ)罐的參數(shù)得出，但L和h的值具有可變性，需在以下論述中得出。
3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)
設(shè)計(jì)參數(shù)包括儲(chǔ)罐、LNG和其他的設(shè)計(jì)條件。設(shè)計(jì)中，儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)參數(shù)均由儲(chǔ)罐生產(chǎn)廠家提供。
儲(chǔ)罐外徑d為22.3m，儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)液位為16m，儲(chǔ)罐的操作壓力為l5kPa，LNG密度約430kg／m3。由以上參數(shù)可以得出以下數(shù)據(jù)：
①最高液位y：式(1)中的最高液位是由設(shè)計(jì)液位和支承儲(chǔ)罐的承臺(tái)高度相加而得。承臺(tái)高度約3m(實(shí)踐經(jīng)驗(yàn))，則y＝19m。
②當(dāng)量壓頭x：由操作壓力和LNG密度可得當(dāng)量壓頭x＝3.5m。
3.3 不同平面形狀的圍堰區(qū)及其特性
圍堰區(qū)的平面形狀可分為圓形和矩形兩種基本形狀。按規(guī)范要求設(shè)置的未做特殊優(yōu)化處理的圍堰區(qū)稱為常規(guī)圍堰區(qū)。
將已知的設(shè)計(jì)參數(shù)代入式(1)可得出：
L+h＝y(tǒng)+x＝19m+3.5m＝22.5m，記為定值(1)。
依實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)圍堰內(nèi)高度h為2m，故得出常規(guī)圍堰擴(kuò)距L為20.5m。
常規(guī)圓形圍堰區(qū)：圍堰是儲(chǔ)罐外壁的同心圓，其圓半徑為20.5m+11.15m＝31.65m，特性是圍堰擴(kuò)距保持不變，為20.5m。所形成的圍堰區(qū)域面積為5166m2。由于圓形的鋼筋砼圍堰在實(shí)際工程中較難施工，且不具備做特殊優(yōu)化處理的可能性，工程中不常采用。
常規(guī)矩形圍堰區(qū)：將常規(guī)圓形圍堰邊界作為基準(zhǔn)線，以矩形平面將常規(guī)圓形圍堰全部包含于內(nèi)，形成常規(guī)矩形圍堰。特性是圍堰擴(kuò)距為變值，L≥20.5m。
3.4 常規(guī)矩形圍堰區(qū)的分類
常規(guī)矩形圍堰的圍堰擴(kuò)距是變值，它直接影響了圍堰區(qū)的長(zhǎng)和寬，從而影響圍堰區(qū)面積和圍堰區(qū)容積。
圍堰區(qū)的長(zhǎng)度是由圍堰擴(kuò)距和兩個(gè)儲(chǔ)罐之間的間距d1決定的，由于對(duì)d1的設(shè)置方法不同，形成兩種大小不同的圍堰區(qū)。
①大圍堰區(qū)：兩個(gè)儲(chǔ)罐間距d1≥l.5d時(shí)，所形成的圍堰區(qū)稱為大圍堰區(qū)。由于此時(shí)對(duì)罐體的噴淋水量只計(jì)入一個(gè)罐，從而減小了消防水系統(tǒng)的規(guī)模。d1＝22.3m×l.5＝33.45m，取34m。由于大圍堰區(qū)占地面積大而帶來(lái)許多弊端，本案例不采用。
②小圍堰區(qū)：兩個(gè)儲(chǔ)罐間距d1<1.5d時(shí)，所形成的圍堰區(qū)稱為小圍堰區(qū)。這時(shí)噴淋水量需考慮相鄰儲(chǔ)罐，從而增大了消防水池容積和其他消防設(shè)施的容量，但可大大減小圍堰區(qū)的面積。本例選擇小圍堰區(qū)進(jìn)行分析。
3.5 常規(guī)小圍堰區(qū)的形成
圍堰區(qū)的形成方法為先確定其長(zhǎng)和寬，然后求得其面積和容積。參見圖1。
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①圍堰區(qū)的長(zhǎng)度：按《油規(guī)》中要求的儲(chǔ)罐之間的最小間距為相鄰儲(chǔ)罐直徑之和的l／4，得d1＝11.15m，取11.2m?？傻脟邊^(qū)的長(zhǎng)度：
L+d+d1+d+L＝20.5m+22.3m+11.2m+22.3m+20.5m＝96.8m。
②圍堰區(qū)的寬度：L+d+L＝20.5m+22.3m+20.5m＝63.3m。
③圍堰區(qū)面積：A＝63.3m×96.8m≈6130m2。
④圍堰區(qū)有效容積的驗(yàn)證：
圍堰區(qū)有效容積等于圍堰區(qū)面積與計(jì)算高度之積，即6130m2×1.8m＝11034m3，此值大于5000m3，滿足規(guī)范對(duì)圍堰區(qū)要求的基本條件。
由此可見，雖然為小圍堰區(qū)，但由于需滿足式(1)的要求，使得圍堰區(qū)的面積仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)范對(duì)其的基本要求值。此種圍堰區(qū)仍留有較大空間可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
