LNG全容儲(chǔ)罐保冷系統(tǒng)及其性能探究

楊絲桑 相 華

1.石油化工管理干部學(xué)院,北京 100012;2.俄羅斯國(guó)立古勃金石油天然氣大學(xué),俄羅斯 莫斯科 119991

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LNG全容儲(chǔ)罐保冷系統(tǒng)及其性能探究

楊絲桑1相 華2

1.石油化工管理干部學(xué)院,北京 100012;2.俄羅斯國(guó)立古勃金石油天然氣大學(xué),俄羅斯 莫斯科 119991

為了探究LNG全容儲(chǔ)罐的絕熱性能和保冷系統(tǒng),給出了LNG儲(chǔ)罐各部分主要的保冷材料及其性能特征,以及可供參考的保冷系統(tǒng)施工工序和安裝方法。分別從罐底、罐壁和罐頂分析漏熱量,提出了大型LNG全容儲(chǔ)罐漏熱量和靜態(tài)日蒸發(fā)率的計(jì)算方法。以國(guó)外某20×104m3LNG儲(chǔ)罐為例給出了漏熱量和日蒸發(fā)率的計(jì)算結(jié)果,得出其日蒸發(fā)率符合保冷設(shè)計(jì)要求。分析影響LNG儲(chǔ)罐蒸發(fā)率的主要因素,得出LNG儲(chǔ)罐存在一個(gè)“最優(yōu)直徑”和“最優(yōu)充滿(mǎn)率”,可通過(guò)增大保冷層厚度,選取導(dǎo)熱系數(shù)小的保冷材料,向LNG儲(chǔ)罐內(nèi)充注氮?dú)獾却胧﹣?lái)降低儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)率,為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐的保冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

LNG;大型全容儲(chǔ)罐;保冷材料;保冷安裝;漏熱量;日蒸發(fā)率;保冷設(shè)計(jì)

0 前言

LNG是天然氣的液態(tài)形式,它蘊(yùn)藏著大量的低溫能量,常溫下LNG的體積約為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣態(tài)體積的1/625[1-4]。天然氣作為燃料燃燒時(shí)所排放的有害物質(zhì)含量少,被稱(chēng)為清潔能源[5-6],廣泛用于發(fā)電、城市民用燃?xì)饧肮I(yè)燃?xì)鈁7-8],優(yōu)化了能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),改善大氣環(huán)境,有利于經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

LNG的儲(chǔ)存包括儲(chǔ)罐儲(chǔ)存和巖腔儲(chǔ)存兩種方式,其中儲(chǔ)罐儲(chǔ)存是主要的儲(chǔ)存方式。目前世界上LNG地面儲(chǔ)罐數(shù)量最多,在LNG儲(chǔ)存大型化和對(duì)儲(chǔ)存安全性要求越來(lái)越高的今天,大型全容儲(chǔ)罐得到廣泛的應(yīng)用[9-12],中國(guó)LNG接收站均采用全容儲(chǔ)罐[13-15]。由于LNG需要在沸點(diǎn)或以下溫度長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存,為了防止外界熱量漏入,引起LNG汽化,加劇能耗,同時(shí)減少LNG蒸發(fā)量,保證儲(chǔ)罐的安全,LNG儲(chǔ)罐必須具有完善的保冷系統(tǒng)和良好的保冷性能。

1 LNG儲(chǔ)罐的保冷系統(tǒng)

大型LNG全容儲(chǔ)罐保冷系統(tǒng)由罐底保冷層、罐壁保冷層和吊頂保冷層組成，見(jiàn)圖1。各部分保冷材料的選擇取決于儲(chǔ)液量、儲(chǔ)罐形式、蒸發(fā)率等因素。一般要求保冷材料具有良好的抗吸水吸濕性、抗水蒸氣滲透性、阻燃性,滿(mǎn)足導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高等條件。保冷材料的施工過(guò)程具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、交叉施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、安裝標(biāo)準(zhǔn)高等特點(diǎn),需要嚴(yán)格控制施工工序和安裝方法。

圖1 大型LNG全容儲(chǔ)罐整體結(jié)構(gòu)

1.1 罐底保冷系統(tǒng)

罐底保冷系統(tǒng)由三部分組成:罐底中心區(qū)保冷、罐底環(huán)形邊緣區(qū)保冷和邊角區(qū)保冷。因罐底需承受儲(chǔ)存液體的壓力,除了考慮傳熱系數(shù)外,還需考慮材質(zhì)的抗壓強(qiáng)度[16-18]。所以罐底保冷材料采用泡沫玻璃磚,位于內(nèi)罐壁下方的保冷層采用高強(qiáng)度泡沫玻璃磚,還要設(shè)置高強(qiáng)度珍珠巖混凝土或混凝土環(huán)墻,其余部分采用普通強(qiáng)度泡沫玻璃磚。罐底保冷材料的主要性能見(jiàn)表1。

表1 罐底保冷材料主要性能

材料名稱(chēng)密度/(kg·m-3)導(dǎo)熱系數(shù)平均值/(W(m·K)-1)抗壓強(qiáng)度平均值/MPaHLB800型泡沫玻璃磚1200.0430.8HLB1200型泡沫玻璃磚1400.0461.2HLB1600型泡沫玻璃磚1600.0480.55墊氈3.9--珍珠巖混凝土500～10320.1855玻璃纖維毯11～160.0382.1×10-4

罐底保冷層施工過(guò)程伴隨著內(nèi)罐和土建施工,因此罐底保冷層的安裝采用分層交叉倒退施工法,即從罐底圈壁板預(yù)留門(mén)相對(duì)的方向開(kāi)始鋪設(shè)，見(jiàn)圖2。泡沫玻璃磚的鋪設(shè)使用層縫交錯(cuò)排列,錯(cuò)縫間距最小為100 mm,兩塊磚之間為對(duì)接形式,塊間縫隙不能超過(guò)2 mm。為了使單塊泡沫玻璃磚的抗壓強(qiáng)度最優(yōu),減少工作中磚塊破碎的可能性,各泡沫玻璃層間設(shè)有瀝青墊氈層。每層材料的鋪設(shè)都應(yīng)該保持平整,在任意2 m范圍內(nèi)每一層的平整度都應(yīng)在±3 mm范圍內(nèi)。

圖2 罐底保冷材料的施工順序

1.2 罐壁保冷系統(tǒng)

儲(chǔ)罐側(cè)壁的保冷層即內(nèi)罐壁與外罐壁之間的環(huán)形空間的保冷是由彈性氈和膨脹珍珠巖等組成，見(jiàn)表2。為了防止內(nèi)外罐因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生收縮或膨脹,導(dǎo)致膨脹珍珠巖向下沉降使得上部保冷材料流失,會(huì)在整個(gè)內(nèi)罐外壁上安裝一層彈性氈,補(bǔ)償罐體位移空隙。另外LNG儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏時(shí)可能會(huì)影響外罐,通過(guò)熱角保護(hù)系統(tǒng)和在混凝土墻內(nèi)表面安裝聚氨酯泡沫涂層保證儲(chǔ)罐氣密性。

在罐壁保冷層的施工過(guò)程中,彈性氈緊貼內(nèi)罐壁并通過(guò)罐壁頂部連接件懸掛在內(nèi)罐壁外側(cè),通過(guò)設(shè)置在罐壁表面的保溫釘與罐壁固定。為了防止填充過(guò)程中及后來(lái)沉積作用下,珍珠巖對(duì)最外層彈性氈產(chǎn)生摩擦并使之失效,緊貼膨脹珍珠巖的彈性氈可采用鋁箔保護(hù)層或使用高強(qiáng)度玻璃纖維布保護(hù)。膨脹珍珠巖從現(xiàn)場(chǎng)膨脹設(shè)備出來(lái)后通過(guò)填充管和軟管進(jìn)入環(huán)形空間,在重力的作用下落入填充區(qū)域并自然形成珍珠巖圓柱堆。當(dāng)整個(gè)環(huán)形空間的填充達(dá)到一定厚度時(shí),各個(gè)管口的填充均停止并開(kāi)始對(duì)剛填充的膨脹珍珠巖進(jìn)行振實(shí)工作,振實(shí)工作完成后再進(jìn)行填充直到填充高度。

表2 罐壁保冷材料主要性能

材料名稱(chēng)密度/(kg·m-3)導(dǎo)熱系數(shù)/(W·(m·K)-1)其他膨脹珍珠巖70～2500.028～0.038吸水率29%～30%彈性玻璃纖維氈160.04抗拉強(qiáng)度≥15kPa聚氨酯發(fā)泡料30～600.019～0.029吸水率在1.5%左右,抗拉強(qiáng)度不低于0.2MPa

1.3 罐頂保冷

內(nèi)罐罐頂采用懸吊式巖棉保冷層,該保冷層將罐內(nèi)空間與罐頂隔開(kāi),減少兩者間的對(duì)流,降低蒸發(fā)氣體交換量。一般選擇在鋁吊頂上鋪設(shè)玻璃纖維氈,由不銹鋼絲等與吊頂固定,最上層鋪設(shè)帶鋁箔的玻璃氈,接縫處應(yīng)錯(cuò)開(kāi)玻璃纖維氈并用鋁箔粘結(jié)。

接管保冷采用套管結(jié)構(gòu),所用材料包括玻璃纖維氈、玻璃纖維布、聚氰尿酸酯泡沫、聚氨酯泡沫等,在冷管和套管之間可填充彈性玻璃纖維氈進(jìn)行保冷，見(jiàn)圖3。

圖3 側(cè)壁和吊頂?shù)谋＠浣Y(jié)構(gòu)

2 大型LNG儲(chǔ)罐保冷性能計(jì)算

大型LNG全容儲(chǔ)罐主要組成部分包括預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土外罐、熱角保護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)罐、內(nèi)外罐之間的環(huán)形保冷系統(tǒng)和工藝儀表等附件。儲(chǔ)罐的主要漏熱形式有熱傳導(dǎo)、自然對(duì)流和熱輻射。根據(jù)儲(chǔ)罐整體結(jié)構(gòu),分別從罐底、罐壁和罐頂進(jìn)行漏熱量計(jì)算[19-22]。

2.1 罐底漏熱量計(jì)算

罐底主要漏熱形式是周?chē)諝獾臒崃客高^(guò)罐底板、保冷材料和罐底其它各層以熱傳導(dǎo)的方式傳遞到罐內(nèi)LNG,假定層與層之間接觸良好,沒(méi)有引入附加熱阻,且屬于一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,則罐底漏熱量的計(jì)算式為:

(1)

式中:T1為罐底外表面溫度,K;T2為罐內(nèi)LNG溫度,K;A1為罐底面積,m2;Φ1為罐底的漏熱量,W;λi為罐底各層包括各保冷材料層的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);δi為罐底各層包括各保冷層的厚度,共有n層,m。

2.2 罐壁漏熱量的計(jì)算

罐壁熱量傳遞的方式包括大空間的自然對(duì)流和熱傳導(dǎo)。罐壁周?chē)髿獾臒崃客ㄟ^(guò)罐壁和罐壁各保冷層傳遞至罐內(nèi)LNG,假設(shè)層與層之間接觸良好,沒(méi)有引入附加熱阻,則罐底漏熱量的計(jì)算式為:

(2)

式中:L為外罐高度,m;T3為罐壁外表面溫度,K;h為罐外壁與周?chē)諝鈱?duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K);λi 2為外罐壁混凝土和內(nèi)外罐之間環(huán)形空間各保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);d1,di分別為外罐直徑和環(huán)形空間內(nèi)各保冷層直徑,m;Φ2為罐壁漏熱量,W。

2.3 罐頂漏熱量計(jì)算

罐頂漏熱的主要形式有外罐拱頂向吊頂?shù)臒彷椛?然后周?chē)髿獾臒崃恳詿醾鲗?dǎo)的方式向拱頂內(nèi)部傳遞,而后通過(guò)懸掛式吊頂?shù)谋＠鋵觽鬟f至儲(chǔ)罐內(nèi)部,假設(shè)層與層之間接觸良好,沒(méi)有引入附加熱阻。

外罐拱頂與吊頂熱輻射的熱量計(jì)算式:

(3)

以熱傳導(dǎo)的方式傳遞至拱頂內(nèi)的熱量計(jì)算式:

(4)

由吊頂傳遞至罐內(nèi)的熱量計(jì)算式:

(5)

根據(jù)能量守恒原理,Φ1=Φ2=Φ3,聯(lián)立式(3)、(4)、(5),將已知參數(shù)代入可計(jì)算出罐頂漏熱量。

2.4 部分參數(shù)計(jì)算

2.4.1 外罐混凝土表面溫度

當(dāng)有太陽(yáng)輻射時(shí),儲(chǔ)罐外表面溫度會(huì)升高,則根據(jù)熱平衡有:

Κ(T-Tt)=αε4Ι+h(Ta-Tt)

(6)

式中:Κ為儲(chǔ)罐的平均傳熱系數(shù),W/(m2·K);Tt、T、Ta分別為外罐表面平均溫度、升高后的溫度、周?chē)諝鉁囟?K;α為受太陽(yáng)輻射的外罐面積所占的百分比;ε4為罐外表面輻射吸收系數(shù);Ι為太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度,W/m2。將已知參數(shù)代入可計(jì)算出罐壁外表面溫度。

沒(méi)有太陽(yáng)輻射時(shí),罐頂和罐壁外表面的溫度可取周?chē)諝獾臏囟取?/p>

2.4.2 儲(chǔ)罐外表面對(duì)流換熱系數(shù)h

按照均勻壁溫邊界條件的大空間自然對(duì)流計(jì)算h,則：

(7)

式中:λ是空氣導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);l是特征長(zhǎng)度,m;Gr是空氣格拉曉夫數(shù);Pr是空氣普朗特?cái)?shù)。

2.5 儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率的計(jì)算

通過(guò)對(duì)儲(chǔ)罐罐底、罐壁和罐頂漏熱量的計(jì)算,可知儲(chǔ)罐總的漏熱量為：

Φ=Φ1+Φ2+Φ3

(8)

考慮到太陽(yáng)輻射的存在以及輻射時(shí)間的長(zhǎng)短,可知儲(chǔ)罐實(shí)際漏熱量為：

Φ總實(shí)際=α1Φ總有輻射+(1-α1)Φ總無(wú)輻射

(9)

式中:Φ總實(shí)際為儲(chǔ)罐實(shí)際的總漏熱量,W;α1為儲(chǔ)罐每天太陽(yáng)輻射時(shí)間百分比;Φ總有輻射、Φ總無(wú)輻射分別為有、無(wú)太陽(yáng)輻射時(shí)的總漏熱量,W。

LNG儲(chǔ)罐的蒸發(fā)率是指LNG儲(chǔ)罐的靜態(tài)日蒸發(fā)率,即儲(chǔ)罐裝有LNG時(shí),靜置達(dá)到熱平衡后24 h內(nèi)自然蒸發(fā)損失的LNG液體質(zhì)量和儲(chǔ)罐內(nèi)LNG液體質(zhì)量的百分比。儲(chǔ)罐蒸發(fā)率的計(jì)算公式為:

(10)

2.6 影響儲(chǔ)罐蒸發(fā)率的主要因素

根據(jù)上述蒸發(fā)率的計(jì)算公式可知,影響儲(chǔ)罐蒸發(fā)率的主要因素有傳熱面積、保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)、保冷層厚度、外罐表面吸收系數(shù)、環(huán)境溫度和介質(zhì)溫度。保冷層兩側(cè)的溫差越小,保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小,保冷層的厚度越大,漏熱量越小,儲(chǔ)罐的蒸發(fā)率越小。除了上述影響因素外,LNG儲(chǔ)罐的直徑、初始充滿(mǎn)率以及含氮量也是主要影響因素。LNG儲(chǔ)罐存在一個(gè)“最優(yōu)直徑”和“最優(yōu)充滿(mǎn)率”,含氮量越高罐內(nèi)LNG的蒸發(fā)率越低。所以在進(jìn)行保冷設(shè)計(jì)時(shí),需綜合考慮這些因素,可以通過(guò)增大保冷層的厚度,選取導(dǎo)熱系數(shù)小的保冷材料,向LNG儲(chǔ)罐內(nèi)充注氮?dú)獾葋?lái)降低儲(chǔ)罐的蒸發(fā)率。

2.7 計(jì)算實(shí)例

以國(guó)外某接收站20×104m3LNG全容儲(chǔ)罐的保冷設(shè)計(jì)為例,計(jì)算儲(chǔ)罐的漏熱量和靜態(tài)日蒸發(fā)率。全容儲(chǔ)罐基礎(chǔ)參數(shù)及保冷材料參數(shù)見(jiàn)表3、4。

表3 LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)參數(shù)

LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)參數(shù)名稱(chēng)數(shù)值外罐高度/m52.4內(nèi)罐直徑/m84外罐內(nèi)壁直徑/m86.4環(huán)境溫度/℃37罐底外表面溫度/℃10LNG溫度/℃-163LNG汽化潛熱/(kJ·kg-1)510外罐表面吸收系數(shù)0.6LNG密度/(kg·m-3)440儲(chǔ)罐的容積/m-3198340

表4 LNG儲(chǔ)罐保冷材料參數(shù)

保冷材料名稱(chēng)厚度/m導(dǎo)熱系數(shù)/(W·(m·K)-1)罐底板/罐壁/罐頂混凝土1.8/0.75/1.53.2罐底泡沫玻璃磚0.450.043珍珠巖混凝土0.3530.095罐壁彈性玻璃纖維氈0.40.046罐壁膨脹珍珠巖0.650.04罐壁熱角保護(hù)泡沫玻璃磚0.150.095罐壁聚氨酯泡沫涂層0.050.0233吊頂玻璃纖維氈0.60.04

假設(shè)每天太陽(yáng)輻射時(shí)間是12 h,儲(chǔ)罐漏熱量和靜態(tài)日蒸發(fā)率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 LNG儲(chǔ)罐漏熱量計(jì)算結(jié)果

名稱(chēng)數(shù)值罐底總漏熱量/MJ6131罐壁漏熱量/MJ6302罐頂漏熱量/MJ2856總漏熱量/MJ15289日蒸發(fā)率/(%)0.04

3 結(jié)論

1)根據(jù)大型LNG全容儲(chǔ)罐保冷要求,給出了LNG儲(chǔ)罐各部分主要的保冷材料及其性能特征,以及可供參考的保冷系統(tǒng)施工工序和安裝方法,分析了設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中所要注意的重要事項(xiàng)。

2)給出罐底、罐壁和罐頂漏熱量的計(jì)算方法,提出了大型LNG全容儲(chǔ)罐漏熱量和靜態(tài)日蒸發(fā)率的計(jì)算方法。對(duì)國(guó)外某LNG儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)率進(jìn)行核算,得出其日蒸發(fā)率符合保冷設(shè)計(jì)要求。分析影響LNG儲(chǔ)罐蒸發(fā)率的主要因素,得出LNG儲(chǔ)罐存在一個(gè)“最優(yōu)直徑”和“最優(yōu)充滿(mǎn)率”,可通過(guò)增大保冷層厚度,選取導(dǎo)熱系數(shù)小的保冷材料,向LNG儲(chǔ)罐內(nèi)充注氮?dú)獾却胧﹣?lái)降低儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)率。

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2016-03-24

楊絲桑(1989-)，女，山西霍州人，助理工程師，學(xué)士，主要從事LNG儲(chǔ)存運(yùn)輸研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.014