LNG接收站儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)及其參數(shù)優(yōu)化研究

佟姝茜

摘要：在目前能源綜合利用發(fā)展的背景下，LNG接收站的應(yīng)用覆蓋面積逐漸擴(kuò)大。文章通過對(duì)LNG接收站進(jìn)行分析，研究了LNG儲(chǔ)罐散熱情況，并對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為相關(guān)行業(yè)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：液化天然氣儲(chǔ)罐;保冷層厚度;參數(shù)優(yōu)化

1LNG接收站

LNG接收站是清潔能源的提供者，但同時(shí)也要消耗部分能源，主要是電能和少量的燃料。LNG接收站在設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工和操作等方面都應(yīng)充分體現(xiàn)節(jié)能理念，采用節(jié)能技術(shù)和節(jié)能設(shè)備。針對(duì)目前LNG接收站的設(shè)備、工藝、管理進(jìn)行更深一步的分析，提高設(shè)備的效率，降低單位外輸量的耗電量，使運(yùn)行成本控制達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。

2LNG儲(chǔ)罐散熱分析

2.1LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)與相關(guān)參數(shù)

本文研究對(duì)象是罐容積約為8×104m3的LNG全容式雙壁金屬罐，儲(chǔ)罐內(nèi)直徑約為58m、外直徑約為60.0m、外罐高約36.5m、內(nèi)罐高約34.3m。內(nèi)壁與外壁之間采用堆積絕熱的方式，外界環(huán)境溫度為296K，LNG的密度為436.3kg/m3，LNG的汽化潛熱為510kJ/kg，8×104m3LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，儲(chǔ)罐絕熱材料參數(shù)見表1。

2.2漏熱理論分析

2.2.1罐頂漏熱量計(jì)算

罐頂?shù)穆嶂饕怯?部分組成，穹頂外壁向內(nèi)壁的熱傳導(dǎo)Q11，由內(nèi)罐穹頂向吊頂上表面的熱輻射Q12，吊頂上表面向內(nèi)罐頂?shù)臒醾鲗?dǎo)Q13;為穹頂下表面的發(fā)射率，為吊頂上表面的發(fā)射率;A1為穹頂下表面的面積，A2為吊頂上表面的面積;X1，2為吊頂上表面對(duì)穹頂下表面的角系數(shù);Tw為外界環(huán)境溫度，T1為穹頂下表面溫度，T2為吊頂上表面溫度，Tn為儲(chǔ)罐內(nèi)部LNG液體溫度;為黑體輻射常數(shù)，=5.67×10-8W/（m2·K4）;為穹頂?shù)吞间摰膶?dǎo)熱系數(shù)，為玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)，為鋁箔的導(dǎo)熱系數(shù);為穹頂?shù)暮穸龋瑸榈蹴敳ＡЮw維層的厚度，為鋁箔的厚度。

穹頂熱阻R1，1和外界環(huán)境向穹頂?shù)臒醾鲗?dǎo)Q11分別為：

穹頂向吊頂上表面進(jìn)行熱輻射的熱阻R1，2和穹頂向吊頂上表面的熱輻射Q12分別為：

吊頂熱阻R1，3和通過吊頂?shù)臒醾鲗?dǎo)Q13為：

根據(jù)傳熱學(xué)原理，Q11=Q12=Q13：

2.2.2罐壁漏熱量計(jì)算

外界熱量透過儲(chǔ)罐罐壁傳入罐內(nèi)的傳熱過程可以看作多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。儲(chǔ)罐內(nèi)罐的半徑為r1，到9%Ni鋼板的半徑為r2，到彈性氈的半徑為r3，到珍珠巖的半徑為r4，到外罐壁鋼板的半徑為r5;為9%Ni鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)，為彈性氈的導(dǎo)熱系數(shù)，為珍珠巖的導(dǎo)熱系數(shù)，為16MnDR鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)。

罐壁材料的導(dǎo)熱熱阻R2為：

外界環(huán)境通過儲(chǔ)罐罐壁向內(nèi)罐傳遞的熱量Q2為：

3參數(shù)優(yōu)化

3.1設(shè)計(jì)參數(shù)下漏熱量

根據(jù)理論計(jì)算和數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，儲(chǔ)罐罐底的漏熱量約占儲(chǔ)罐總體漏熱量的40.7%，而儲(chǔ)罐罐底的漏熱量與罐底的保冷層的厚度具有顯著的關(guān)系。為減少儲(chǔ)罐整體的漏熱量，研究罐底的保冷層參數(shù)具有顯著的意義。

罐內(nèi)儲(chǔ)存的介質(zhì)為111K的液化天然氣，在正常情況下，罐內(nèi)的液體處于靜止?fàn)顟B(tài)，根據(jù)傳熱學(xué)的公式可知，內(nèi)罐底部與天然氣的對(duì)流換熱系數(shù)hn=103.25W/（m2·K），外罐底與外界空氣的對(duì)流換熱系數(shù)hd=22.10W/（m2·K）。

根據(jù)設(shè)計(jì)條件，LNG儲(chǔ)罐底部單位面積的漏熱量Q：

得出Q=16.98W，與數(shù)值模擬的結(jié)果相近。

3.2儲(chǔ)罐罐底最大允許漏熱量

由本地氣象局提供的信息可知，某地LNG接收站的夏季溫度最高為308K，相對(duì)濕度η=80%，則露點(diǎn)溫度Td=304K，外界環(huán)境溫度Tw=296K，那么Tw-Td=-8.0K<-4.5K，LNG儲(chǔ)罐的單位面積最大允許漏熱量Qmax：

得出Qmax=176.8W。當(dāng)儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)條件下，即罐底的保冷層的厚度為520mm時(shí)，罐底單位面積的漏熱量為16.98W，計(jì)算可得，罐底單位面積的漏熱占單位面積最大允許漏熱量的9.6%。

3.3LNG儲(chǔ)罐底部參數(shù)優(yōu)化

使用有限元方法進(jìn)行傳熱分析，由傳熱學(xué)公式可知，由于罐底漏熱量與泡沫玻璃磚的厚度呈連續(xù)函數(shù)關(guān)系，假設(shè)泡沫玻璃磚的厚度為θ，分析θ=0、100、200、300、400、500（單位mm），這幾種工況下罐底的熱流密度，進(jìn)而求出相對(duì)應(yīng)罐底的漏熱量。泡沫玻璃磚厚度與熱流密度和漏熱量的關(guān)系見表2。

根據(jù)表2做出罐底漏熱量與泡沫玻璃磚厚度的關(guān)系曲線如圖2所示，可得出以下結(jié)論。

1）當(dāng)罐底不加保冷層時(shí)，即θ=0，罐底的漏熱量占最大允許漏熱量的367.8%;當(dāng)θ=100mm，罐底的漏熱量占最大允許漏熱量的45%，說明加入保冷層能有效地阻止儲(chǔ)罐的漏熱。

2）當(dāng)罐底保冷層厚度為設(shè)計(jì)值θ=520mm時(shí)，罐底的漏熱量占最大允許漏熱量的9.6%，罐底的漏熱量占儲(chǔ)罐整體漏熱量的41%，說明此厚度下罐底的保冷效果已經(jīng)非常顯著。

3）當(dāng)繼續(xù)增大保冷層厚度，θ=1200mm時(shí)，罐底的漏熱量占最大允許漏熱量的4.2%，罐底的漏熱量占儲(chǔ)罐整體漏熱量的23%，保冷層增加700mm，漏熱量比例減少5.8%，說明在此區(qū)間范圍內(nèi)增加保冷層厚度具有一定的效果。

4）繼續(xù)增加保冷層厚度，當(dāng)θ=1600mm時(shí)，罐底的漏熱量占最大允許漏熱量的3.18%，保冷層增加400mm，漏熱量?jī)H減少1%，說明繼續(xù)增加保冷層厚度對(duì)儲(chǔ)罐保冷性的優(yōu)化意義不大。

結(jié)語(yǔ)：總之，在分析LNG儲(chǔ)罐罐體溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，保溫層之間的溫度相差較大，由此可見，通過保冷層能夠?qū)?chǔ)罐的漏熱進(jìn)行有效的阻止，對(duì)保溫的性能進(jìn)行提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]李紅霞，姜春霞.LNG接收站建造過程中的造價(jià)管理[J].化工管理，2021（28）：9-10.DOI：10.19900/j.cnki.ISSN1008-4800.2021.28.005.

[2]莊天天.基于三維模型的LNG接收站完整性管理平臺(tái)分析[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2021，29（24）：81-82.

[3]吳家健.CFD分析在LNG接收站儀表控制設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國(guó)高新科技，2021（16）：94-95.DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2021.16.39.

[4]姜良，張文國(guó)，李志權(quán)，邵晨，范吉全.整體齒輪式壓縮機(jī)在LNG接收站中的適用性分析[J].天然氣與石油，2021，39（01）：42-48.

[5]付海泉，仇山珊.LNG接收站BOG處理工藝綜合對(duì)比分析[J].油氣田地面工程，2021，40（02）：32-37.