大型LNG儲(chǔ)罐罐頂管嘴保冷設(shè)計(jì)

明紅芳（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028）

1 概述

隨著綠色低排放需求不斷上升，液化天然氣（LNG）已成為我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略中的重要支柱。在LNG接收站中，LNG以超低溫（-165℃）液態(tài)常壓的形式儲(chǔ)存于LNG 儲(chǔ)罐中。為減少LNG 氣化量，儲(chǔ)罐的保冷措施至關(guān)重要[1]。LNG 儲(chǔ)罐保冷主要包括吊頂保冷、罐壁保冷、罐底保冷、熱角保護(hù)保冷以及管嘴保冷。本文將對(duì)LNG儲(chǔ)罐罐頂管嘴保冷絕熱設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

2 管嘴結(jié)構(gòu)介紹

在LNG 儲(chǔ)罐中，罐頂管嘴是連接儲(chǔ)罐與外部工藝管道、儀表閥門(mén)等的重要途徑。由于LNG儲(chǔ)罐主要承受液體的靜壓力，儲(chǔ)罐罐壁受力由下往上逐漸減小。為避免發(fā)生儲(chǔ)罐泄漏等事故，所有管嘴都布置在儲(chǔ)罐罐頂。對(duì)于應(yīng)用于冷液體（LNG）或冷蒸發(fā)氣（BOG）的儲(chǔ)罐罐頂上的管嘴，為確保正常的工藝操作條件，避免對(duì)人員/管道的損傷，管嘴的保冷性能至關(guān)重要。以進(jìn)料管線為例，管嘴結(jié)構(gòu)如下圖所示，需要設(shè)置穹頂套筒保冷、吊頂套筒保冷以及管道保冷。

圖1 管嘴保冷結(jié)構(gòu)圖

3 套筒位置保冷計(jì)算

由于低溫LNG/BOG 在冷管內(nèi)流動(dòng)，溫度較低，為減少冷量損失，在管嘴穿過(guò)儲(chǔ)罐穹頂?shù)奈恢迷O(shè)置保冷套筒，內(nèi)部填充保冷材料。為防止保冷層及套筒表面出現(xiàn)冷凝，必須要保證在環(huán)境溫度下，保冷層與套筒表面的溫度高于空氣露點(diǎn)溫度。

3.1 保冷材料選取

LNG儲(chǔ)罐的保冷材料應(yīng)同時(shí)具備良好的抗吸水吸濕性、良好的抗水蒸氣滲透性、較小的低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)以及良好的阻燃性[2]。LNG 項(xiàng)目建設(shè)中，一般選取玻璃棉或者彈性氈作為穹頂隔熱套筒位置保冷材料。實(shí)際施工時(shí)，玻璃棉/彈性氈切割成適應(yīng)管嘴管道與套筒厚度的圓環(huán)形狀，將其壓縮厚度至原有厚度的50%進(jìn)行填充。

3.2 保冷厚度計(jì)算

在忽略管道金屬的熱阻的情況下，依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 8175-2008《設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則》進(jìn)行低溫管道的保冷計(jì)算。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中第6.1.2條中的要求，管嘴保冷表面須防止凝露，采用表面溫度法計(jì)算保冷層厚度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中第6.1.5 條中的要求，在同一管道或設(shè)備上采用一種保冷材料保冷時(shí)，按單層絕熱計(jì)算公式計(jì)算[3]。

對(duì)于圓筒面保冷層的冷量損失，按照標(biāo)準(zhǔn)中方程(28)計(jì)算，如下：

對(duì)于圓筒面保冷層外表面溫度，按照標(biāo)準(zhǔn)中方程(36)計(jì)算，如下：

以國(guó)內(nèi)南方某LNG 接收站項(xiàng)目設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為例，設(shè)計(jì)依據(jù)如下：

表1 保冷絕熱計(jì)算設(shè)計(jì)依據(jù)

備注：

1.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)6.6.2章節(jié)。

2.由于管道尺寸、保溫層材質(zhì)、平均溫度、使用時(shí)間、使用方法等諸多因素，管道保冷材料可能與其材料參數(shù)產(chǎn)生偏差。因此，實(shí)際運(yùn)行中保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，考慮設(shè)置多出10%的設(shè)計(jì)余量。

3.選取某廠家彈性氈在-165℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)。

根據(jù)保冷層表面溫度計(jì)算方法，利用不同的保冷層厚度S1，得出相應(yīng)的Δt，Δt＞1 則驗(yàn)證通過(guò)，由此來(lái)判斷保冷層厚度的設(shè)計(jì)取值。

3.3 保冷厚度計(jì)算校核

采用最大冷量損失法，校核保冷層表面溫度法計(jì)算結(jié)果是否滿(mǎn)足冷量損失基準(zhǔn)。

單位保冷層表面冷量損失：

Q=qL/(π·D1)

根據(jù)CINI絕熱設(shè)計(jì)手冊(cè)中保冷要求，絕熱系統(tǒng)外表面的冷量損失應(yīng)小于25 W/m2。同時(shí)參考GB 50264中5.4.2章節(jié)[4]：

當(dāng)Ta-Td≤4.5時(shí)，[ Q ]= ( Ta-Td)αs

當(dāng)Ta-Td>4.5時(shí)，[Q ]=4.5αs

該項(xiàng)目Ta-Td≤4.5，取[ Q ]= ( Ta-Td)αs，得28.49 W/m2。取25 W/m2與28.49 W/m2中較小值最為基準(zhǔn)，即25 W/m2，利用冷量損失進(jìn)行校核。

3.4 保冷厚度計(jì)算結(jié)果

保冷層表面溫度和冷量損失計(jì)算結(jié)果如下，假設(shè)取相同的保溫厚度，同時(shí)滿(mǎn)足兩種計(jì)算校核，則計(jì)算滿(mǎn)足要求。

表2 保冷厚度計(jì)算結(jié)果

上表中保冷厚度為常規(guī)應(yīng)用管嘴外徑允許的最小值，實(shí)際設(shè)計(jì)中可根據(jù)項(xiàng)目需要保留一定余量。根據(jù)保冷材料的厚度，選取保冷套筒的內(nèi)徑，從而確定保冷套筒的尺寸參數(shù)。

4 套筒以下位置絕熱計(jì)算

由于儲(chǔ)罐吊頂以上位置鋪設(shè)保溫玻璃棉，因此，穹頂以下吊頂以上空間溫度接近穹頂外部環(huán)境溫度。但考慮吊頂套筒開(kāi)孔的冷量，以及管道內(nèi)LNG介質(zhì)的超低溫，穹頂以下、吊頂以上管道也須進(jìn)行保冷。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在貼近吊頂套筒的位置設(shè)置保冷支撐環(huán)，其內(nèi)徑尺寸與穹頂套筒一致，高度為150，保證冷支撐環(huán)內(nèi)部至穹頂套筒之間保冷層厚度與第3章節(jié)計(jì)算結(jié)果相同。

圖2 保冷支撐環(huán)位置保冷詳圖

5 穹頂套筒以上位置絕熱計(jì)算

穹頂套筒以上位置的保冷，與穹頂套筒部分計(jì)算方法一致。不同的是管道保溫材料多為聚氨酯泡沫（PIR/PUR）、泡沫玻璃（FG）以及丁腈橡膠和二烯烴泡沫（LT+LTD）[5]等，外部敷設(shè)防潮層以及金屬保護(hù)層等。

6 結(jié)語(yǔ)

為保證LNG儲(chǔ)罐運(yùn)行期間的正常工藝操作條件，罐頂管嘴保冷設(shè)計(jì)是相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)冷管不同結(jié)構(gòu)位置，分別給出了穹頂套筒位置、套筒以下位置以及穹頂套筒以上位置的保冷計(jì)算方法，并對(duì)國(guó)內(nèi)某LNG項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐的管嘴設(shè)計(jì)參數(shù)選取進(jìn)行了分析。下一步設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮新型材料等影響因素，做到保冷設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工便利、成本降低。