液化气站的总体设计.(DOC)

液化气站的总体设计 一、总体方案设计

（一）温度控制器工作原理 1、压力式温控

既然根据金属热胀冷缩的原理，可以设计出双金属温度开关，人们不禁要问那么能不能利用其他物体的这种特性来做成温度开关呢？回答是肯定的，压力式温控开关就是利用了气体受热膨胀，压力增大来实现开关的功能的。

压力温控开关在工业领域应用很广，主要是因为它的输出力比较大，而且不用电源，完全是气体，符合本征安全的要求。但是由于其体积比较大，所以不适合于一般的小家电，家用一般用于冰箱和空调。

一般的冰箱就是利用压力温度开关来维持冰箱的恒定温度的。下面我们通过介绍它，来说明一般的压力温控开关的工作原理。冰箱温控器的工作原理温度调节旋钮和凸轮是用来设定冰箱平均温度的。在封闭的温包中装有气液共存的“湿饱和蒸汽”，一般是制冷剂磠甲烷或氟里昂，因为它们的沸点比较低，受热容易气化和膨胀。通过毛细管，温包和膜盒相连，这个膜盒是用特殊材料做成的，极具弹性。开始杠杆一端的电触点没有闭合，当温度升高时，温包内的饱和蒸汽，受热膨胀，压力增大，通过毛细管的传压，使得膜盒也胀大起来。从而推动杠杆克服弹簧的拉力产生的力矩逆时针转动，当温度达到一定程度时，触点闭合，冰箱压缩机开始工作，进行制冷。当温度降低时，饱和气体收缩，压力降低，触点断开，停止制冷。如此循环，把冰箱温度恒定在一定范围之内而且节省了电能。

其实这种控制的精度也不高，现在市场上高档的冰箱和空调一般利用变频调节。但是由于价格便宜，原理简单，老式的调节方式还是很受欢迎的。 2、热敏铁氧体温控

在家用电饭煲中有两种温度开关，一种就是前面提到的，双金属温度开关，

它可以不停地通断，用来对煮熟的米饭进行保温，还有一种温度开关是用“热敏铁氧体”做成的，它能实现只接通一次，可以使电饭煲煮饭温度高于一百多度后断开，不再接通。因为米汤煮沸后，焖锅一阵子就可以，过多通断反而会把饭煮糊。有类似的温度控制要求的场合也很多，都可以利用“热敏铁氧体”温度开关来实现。

所谓“热敏铁氧体”是一种化学物质，类似于磁棒，对温度很敏感，在一定温度下能被磁铁吸引，而高过一定温度就对磁性不敏感了，这个温度可以由改变其组成的化学成分的比例而改变，所以温度设定十分方便。在电饭煲中，这个温度一般设定为略高于一百度。如下图所示，开始煮饭时，我们将按钮压下，通过杠杆，热敏铁氧体和磁铁结合在一起，由于弹簧的作用力，电节点闭合，开始煮饭，热敏铁氧体通过与锅底接触其温度也升高，当温度升高到一百多度时，其和磁铁之间的吸引力消失，压着杠杆往下掉，作用于下面的金属片，把电节点断开，煮饭结束，进入保温阶段。以后的温度控制就交给双金属温度开关了，因为一来，米饭保温不会有这么高的温度，二来即使温度够恢复了磁性，还是难以克服其本身的重力的。 3、双金属温控

在日常生活中，温度开关可能是人们接触最多也是最简单的控制元件了，所谓温度开关就是根据所要控制的对象的温度来决定通断的开关，我们在很多小家电中经常能看到它的身影。根据其动作原理不同我们可以将它分为双金属式，压力式和热敏铁氧体式几种，我们将对它们进行逐一介绍。这里先介绍双金属温度开关。

各种金属都有热胀冷缩的特性，而不同金属随着温度变化的膨胀系数不一样，双金属温度开关就是根据这个原理来工作的。在下面的动画中，我们可以看到双金属片是怎样控制电路通断的。

动画的解释如下：双金属片由上面的“高锰合金”和下面的“殷钢”组成。前者的膨胀系数是后者的好几十倍，分别称为“主动层”和“被动层”，在正常温度下图中的弹簧片的触点和主动层的触点是接触的，整个电路处在接通状态。温度升高时，主动层膨胀的比被动层多，双金属片向下弯曲，温度升高到一定程度时，电路断开。冷却到一定程度双金属片伸直，电路接通。反之，我们同样可以解释温度降低的情况。图中的调温旋钮是来调节通断时的平均温度的。 这种温度开关的特点是简单便宜，但是精度不高，电熨斗，电暖瓶和电烘箱

中的温度开关就是这个原理。除了设计温度开关外，根据同样的原理，人们还可以设计出双金属温度计。荧光灯中的起辉器也是借助这个方法来实现电路通断为整流器产生瞬间高压的。这种开关还有动作时间慢的缺点，只适合于小电流设备，因为电流大的场合开关的过慢动作会形成电火花，影响触点的功能。人们想出了其他办法来加快开关动作速度。一种是在触点旁安放磁铁，使得触点难以断开而易于闭合。还有一种方法就是把双金属片设计成蝶形的，触点要动作必须克服其内部应力，产生快速变形，从而实现快速通断。但是速动开关也有缺点，就是延时太大，控制不够及时，就会大大影响控制效果。所以我们要根据不同的控制要求来加以选择。 （二）液化气站的规模

液化气站使用三个80立方米的贮罐，其中一个备用。可供应4000户左右用气，按每户1瓶每月计，平均每月灌5000瓶（每瓶15kg），平均每天灌166瓶。考虑气源不稳定原因，故设贮罐总容量160立方米，取平均装量系数0.85，则可储存65吨液化气，储存期为一个月。残液按5%~ 10%考虑，设置容积为10立方米的残液罐一个。 （三）总体方案布置

1、室外电缆埋地敷设，一般深埋0.7米，穿越公路处深埋1米，并穿钢管保护；在进出建筑物处设钢管保护，直接埋地时，电缆上下各填100mm厚沙子，并盖上水泥板。

2、站内设环形接地装置，为电气接地、防雷接地、防静电接地共用，接地电阻不大于4欧。配电屏、照明配电箱和其它用电设备的金属外壳、穿线保护钢管、避雷针、带引下线泵、压缩机和金属容器、管架处的管道处均应与接地线可靠连接、卸槽车外设活动接地柱。

3、罐区设避雷针、灌瓶间、机泵房、瓶库的尾架或屋面设避雷针（不大于10x10mm的金属网格），并用扁钢为25x4规格与接地干线连接，电阻小于10欧。避雷针按国家标准图制作。

4、外部电源用自备架空电线，距站20米换接埋地电缆进配电室，接电气装置安装施工及验收按规范GBJ232-82进行。

5、储罐区设可燃气体检测器两台，二次报警仪表设在门卫处；另附设灌区照明灯及路灯；每只避雷针10米高处安装2台外照型节能灯。

二、储罐设计

（一）设计参数

设计压力1.77 MPa，设计温度-40℃由设计条件设计压力Pd=1.77MPa，T值为（-40，50]，设计容积50m3，参考《特殊压力容器》[3]取标准系列筒内径为2400mm，且在容积小于1000m3的情况下，应尽可能采用低碳钢或低合金钢，适当采用热处理。 （二）储罐材料选用

根据储罐的PV=1.77×50=88.5MPa·m3，且盛装介质为易燃易爆物质，参考《过程设备设计》[4]，所以设计储罐为Ⅲ类压力容器。综合考虑材料的性能与经济性，20Mn部适合温度低于-20℃的环境，15MnVR 造价较高，初步采用16MnR，含碳量0.12～0.20%，含锰1.2～1.6%。 （三）壁厚确定 1、筒体壁厚设计

根据《过程设备设计》[4]压力容器设计筒体壁厚计算公式

PcDit2Pc11.77240021631.7713.10

查标准《过程设备设计》[4]表4-3取=1.0 查表下表：钢板负偏差C1（mm）

表 2-1 钢板负偏差 钢板厚度 2.0 2.2 2.5 2.8～3.0 3.2～3.5 3.8～4.0 4.5～5.5 0.22 0.25 36～40 1.1 0.30 42～45 1.2 0.5 52～60 1.3 负偏差C1 0.18 0.19 0.2 钢板厚度 6～7 8～25 26～30 32～34 负偏差C1 0.6 0.8 取厚度负偏差C1=0.8mm

C2腐蚀裕量=设备实用年限×腐蚀速度 取设备使用年限=20，腐蚀速度为0.1mm 所以C2=2mm

因为名誉厚度n≥+C1+C2=15.9mm

0.9 1.0 20.5P11.77240021630.51.7713.066tkPcDi取

n=18mm 有效厚度e= n- C1-C2

=15.2mm

2、封头的厚度设计

根据《过程设备设计》[4]封头的厚度计算公式 同理于筒体的厚度计算查表得：

C1=0.8mm腐蚀裕量按GB150-1998《钢制压力容器》[5]C2取4.8mm 所以总厚度为17.866mm，根据《过程设备设计》[4]圆整为22mm

查《标准零部件》[6]表当公称直径DN2400之间，EHA和EHB型的封头成型对厚度的影响为计算厚度的13% 所以：C3=×13%=1.6mm

所以：设计厚度d=+ C2 =17.866mm 名誉厚度：n≥d+C1+C3=20.3mm 取

n=22mm 查《标准零部件》[6]表B1和B2选取EHA2400×

22-16MnRJB/T4746-2002椭圆形封头2个，容积V=1.9905m3，质量m=1118.3kg 深度H=0mm

3、储罐强度的校核 1）质量的计算

筒体质量：m1=DL钢

=3.14×（2.4+0.018） ×10×7.8×103 =10659kg 封头质量：m2=2×m =2×1118.3 =2236.6kg

充满液体的质量：m3=V水=50×103kg 其他零部件的质量：m4=1500kg 所以总质量：M=m1+m2+m3+m4 =395.6kg 故支反力F=Mg/2=315.5kN 2）危险截面的初步判定

图2-1危险截面的初步判定

如上图，根据《过程设备设计》[4]上的图，我们可以初步的判断危险截面：

其危险截面有可能发生在支座处以及罐体中截面处。

a、当梁的全长为L，则当外伸端长度A=0.207时，双支座跨距中间截面的最打弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，而且支座截面 处应力较复杂，故常取支座处圆筒弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩通常取A不超过0.2L=2000mm b、根据JB4731规定A最好≤0.5Rm=600mm 所以选定A=600mm

3） 鞍座的选定

根据《标准零部件》[6]表选取：JB/T4712-92鞍座BI2400-F JB/4712-92鞍座BI2400-S

鞍座A，120包角，焊制，六筋，带垫板和重型B为滑动式鞍座，基本结构尺寸见下表

表2-2 鞍座基本结构尺寸

型号 A2400-S B2400-F 相关图形如图2-3

鞍座高度 250 250 腹板b0 10 18 底板δ12 18 1 o

h高度 250 250 图2-2 鞍座基本结构

4） 弯矩的计算

a、两支座中间处弯矩按《过程设备设计》[4]

由M1=F（C1L-A）

筒体总长为L'=L+4/3H

=10853mm

224HRHiC21其中 C33L2RiL6

带入计算得M1=547.23×10N.mm

b、根据《过程设备设计》[4]得圆支座截面处的弯矩 其中A取600mm

带入数据计算得：M2=-10.608×106N.Mm 5）强度的校核

a、在跨距中点处圆筒截面的轴向应力，根据《过程设备设计》[4]章节5中的公

M1式（5-6）最高点（压缩应力）1 Ri2e

=7.96

PRi2e =69.86Mpa

所以总轴向压应力为根据《过程设备设计》[4] 1'1 =69.86-7.96 =61.9Mpa＜

由内压引起的轴向应力：

[]t=163Mpa

最低点（拉伸应力）根据《过程设备设计》[4]公式（5-7）

2M1Ri2e =69.86Mpa 所以总的拉伸应力：

2'2

=69.86+7.96

12[(C1Ri2H2)()]LL4H4(1)3L =77.82Mpa

b、在支座圆筒截面上的轴向应力，在靠近同中心轴处的圆筒上端为拉伸应力根

据《过程设备设计》[4]公式（5-8）

3=

M2 K1Rie根据《过程设备设计》[4]表（5-1）

表2-3 封头加强筒体鞍座条件 由封头加强筒体即A≤Ri/2，或有加强圈的筒体 未被封头加强筒体即A>Ri/2，或无加强圈的筒体 鞍座包角θ 1200 1500 1200 150 0 K1 1.00 1.00 0.107 0.161 K2 1.00 1.00 0.192 0.279 由上表选取k1=1.00 带入数据算得：3=0.154

总应力为： 3'3 =69.86+0.1543 =70.02Mpa 在最低点为压缩应力：

K3F4 = Rie =-0.1543Mpa

总压缩应力为： 4'4 =69.86-0.1543 =69.713Mpa c、剪力的计算校核

圆筒用封头加强早鞍座边角处的应力最大，根据《过程设备设计》[4]公式（5-12）

根据《过程设备设计》[4]表（5-2）

表2-4 封头对圆筒起加强作用

max=

M2K1Rie封头对圆筒 起加强作用 bA0.5R 0.5bAb 鞍座包角 120° 120° 圆筒K3 0。880 0。880 封头K4 0。401 0。880 0.401314.5103取K3=0.880，所以120015.2106max=15.17Mpa=130.4Mpa

封头上的附加拉伸应力根据《过程设备设计》[4]公式（5-13）

h=

=

查上表2-4取K4=0.401 =

=6.914Mpa

d、圆周向切应力计算

在支座截面上圆筒最低处根据，根据《过程设备设计》[4]公式（5-28）

根据《过程设备设计》表2-5

表2-5 加强圈 位于鞍座平面处的加强圈 内环 0.0528 0.340 120° 0.760 0.0581 0.271 外环 120° 0.760 0.0581 0.217 靠近鞍座平面的加强圈 K5F(b1.56Rie_)e5 K5 K6 K7 查上表取K=50.760

Fsin2a1.5()2asinacosa2KieK4FRie

查《标准零部件》[6]表：取b=240，所以

=34.[]t

Ri400鞍座高度250在支座截面上截面鞍座边角处，根据《过程设备设计》[4]的要求当： 3K9F8Ri8120096001000L 9 Hb0则

查标准零部件表：取b=240，：取k6=0.0132 所以

=-38.429Mpa<1.25163=203.75Mpa[]t e、鞍座强度校核

根据《过程设备设计》0.204314.5[4]公式（5-31）

25016当：

所以用平均应力计算 根据《过程设备设计》[4]表（5-5）

表2-6 鞍座包 鞍座包角 120°

K9 0.204

0.760314.51035(2401.56120015.2)15.2 其中查标准零部件表取b0=16，查上表取K9=0.024，带入上式得 9 =

63KFF62e4(b1.56Rie)e =16.039Mpa=93.33Mpa

331430.0132314.5103因此鞍座的强度满足要求 .510666215.215.2104(2401.56120015.2)15.2104、开孔及补强

（1）开孔不需要补强的最大孔径

GB150规定，当在设计压力小于或等于2.5Mpa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称直径小于或等于mm时，只要接管满足以下要求，可以对其不另行补强 根据《过程设备设计》[4]表（4-14）

表2-7 接管公称外径最大厚度

接管公称外径 25 32 38 最大厚度 3.5 45 4.0 48 57 5.0 65 76 6.0

并且根据GB150规在等面积补强开孔最大直径的，（1）在圆筒上开孔的

1为当内径Di1500时，开孔最大直径dDi，且d520

2（2）人孔的设计

人孔的设置主要是为了工作人员进出球罐进行检查和维修之用，根据煤气设计手册，对卧式储罐在容积大于50立方米时一般设置上下两个人孔，根据相关的压力及材料，参考《标准零部件》[6]表选择: 水平吊盖带颈对焊法兰人孔 人孔型号为MFM型

人孔设计压力 2.5MPa（凹凸面） 人孔接管公称直径 DN=500mm

dWS 为530×12

设计温度-40℃～50℃ 人孔壁厚 s=12mm

（3）筒体开孔后需要补强的面积

1）所需最小补强面积A的计算，根据《过程设备设计》[4]公式（4-76）

A=d2et(1fr)

其中d为开孔直径，在此d=530mm，=13.10mm是壳体开孔后的计算厚度，et 为接管有效厚度，etntC，fr为强度削弱系数，根据根据《过程设备设计》[4]取fr1.0

带入相关的值计算得：

A=6947mm2 2）筒体补强区有效范围

在壳体上开孔处的最大应力在孔边，并随离孔边距离的增加而减少，如果离在

离孔边一定距离的补强范围内，加上补强材料，可有效降低应力水平。 根据《过程设备设计》[4]公式（4-79）有效宽度B按下式计算，取二者较大值

其中n为壳体开孔处的名义厚度，nt接管名义厚度 ddw2e =506mm 所以B=1012mm

内外侧有效高度按下式计算公式按《过程设备设计》[4]（4-80）和（4-81） 内侧：h1dnt=84.16 h1=接管实际外伸高度 外侧：h2dnt=84.16 h2=接管实际内伸高度 3）补强区域内的多余金属

根据设备设计等面积补强的相关知识，可作为有效补强的金属有以下几部分。 a、A1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。按《过程设备设计》[4]（4-82）

A1(Bd)(e)2et(e)(1fr) =1062.6mm2

b、A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，按[4]（4-83）

B2d A22h1(ett)fr2 h2(2)rBdet2Cnf2nt2 =2019.84mm

c、A3有效补强区域内焊缝金属的截面积 A30

d、A4有效补强区域内的另外再增加的补强元件的金属截面积。 式子中e为壳体开孔处的有效厚度 t接管计算厚度 若AeA1A2A3A

式子中Ae为有效补强范围内另加的补强面积 则开孔后不需要另行补强。 若AeA1A2A3A

则开孔需要另外补强，所增加的步金属截面积A4应满足 A4AAe=38.56mm2 4）补强圈的设计

根据标准零部件表补强圈尺寸系列查的：

选定补强圈外径D0=840mm，DN=500mm，补强厚度有设备设计公式得：

其中根据标准零部件表中的补强圈JB-736-2002选择A型补强圈，其中上式的D1为补强圈的内径，D1d03~5，d0为接管外径。 3、其他管道孔的设计

孔，安全阀孔等由于储罐的等级较高，可以采用形式较好的补强形式。采用整体补强的形式，具体形式如下图所示。

A4D0D1'38.5684053512.67mm

dAB1n 22

29.54202

13.7103mm2

2图2-3 整体补强的形式

（5）人孔固定螺栓的核算 1）螺栓的选择

根据《标准零部件》[6]表查的：选用双头螺栓M33×2×180，材料35钢，许用应力[σ]t=106MPa。 2）实际螺栓总截面积

3）设计压力下螺栓的总截面积 （a）操作情况下：

最小螺栓载荷，按《燃气压力容器》[1]式（7-2）由Wm1查[1]选用压紧形状为1b，则垫片xb350基本密封宽度：

3W577.6103DN=500mm2m1D2、D1A分别为密封面的外、内径，公称直径，所以 5.4510mm1t3b10610

4D2P2bDmp，

Wm2bDY3.140.00850.55825.51379.9KNAM2Wm2tb379.9103323.5810m106103垫片系数m=2.75，比压力为Y=25.51MPa。 D=D2-2b=0.575-2×0.0085=0.558m 2Wm1DP2bDmp4将以上数值代入得

4螺栓的计算面积按《燃气压力容器》[1]式（7-3b） 577.6KN

（b）在预紧情况下，预紧螺栓载荷按《燃气压力容器》[1]式（7-1）

螺栓的计算面积按《燃气压力容器》[1]式（7-3a）

因为maxAm1,Am2AB，所以选取的螺栓的强度是足够的，同时人孔法兰的密封也是可靠的。 B1D2D1b024b06.4mm,垫片有效宽度为b2.53b02.5311.258.486mm0.55821.7720.00850.5582.751.77