大型LNG儲(chǔ)罐罐底承壓環(huán)梁區(qū)域保冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜永勝

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）主要成分為甲烷，是一種公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)清潔能源。全容式LNG鋼筋混凝土儲(chǔ)罐作為一種常規(guī)存儲(chǔ)LNG的專業(yè)設(shè)備，內(nèi)部溫度-165℃同外部環(huán)境溫度之間存在著巨大的溫度差，對(duì)罐體產(chǎn)生極大的溫度應(yīng)力[1]。合理設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的保冷系統(tǒng)，不僅能夠減少罐內(nèi)冷量流失，降低罐內(nèi)BOG生成量，避免出現(xiàn)翻滾等危險(xiǎn)工況，而且還能夠減小儲(chǔ)罐混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)溫差，降低結(jié)構(gòu)所承受的熱應(yīng)力，發(fā)揮一定的保護(hù)作用，避免對(duì)運(yùn)行效率和生產(chǎn)安全造成嚴(yán)重后果[2]。

1 LNG儲(chǔ)罐常規(guī)罐底承壓環(huán)梁區(qū)域保冷系統(tǒng)方案概述

在常規(guī)大型全容式LNG儲(chǔ)罐工程中，罐底承壓環(huán)梁區(qū)域通常選用多種材料組合方案。通常選用HLB2400型泡沫玻璃磚作為承重和保冷材料，布置在內(nèi)罐下方承壓環(huán)梁兩側(cè)區(qū)域一般3～5層，層間交錯(cuò)布置，避免存在貫穿縫隙，每層泡沫玻璃之間都要布置一層瀝青氈防潮層[3]。由于對(duì)產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、密度等重要性能參數(shù)有嚴(yán)格要求，當(dāng)前LNG儲(chǔ)罐工程項(xiàng)目使用的HLB2400型泡沫玻璃磚主要依靠進(jìn)口，國內(nèi)尚無同規(guī)格代替產(chǎn)品。某LNG工程的16萬方全容式LNG儲(chǔ)罐罐底部承壓環(huán)梁區(qū)域保冷系統(tǒng)示意圖如圖1-1所示[4]。

圖1-1 全容式LNG儲(chǔ)罐罐底部承壓環(huán)梁區(qū)域保冷系統(tǒng)示意圖

2 基于珍珠巖混凝土塊的罐底承壓環(huán)梁區(qū)域保冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

珍珠巖混凝土塊是以膨脹珍珠巖砂、膨脹珍珠巖碎石和水泥混合而成的材料，具有保溫隔熱效果好、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]。當(dāng)前，國產(chǎn)的珍珠巖混凝土塊已廣泛應(yīng)用于建筑工程行業(yè)。泡沫玻璃磚和珍珠巖混凝土塊主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比見表2-1所示[6]。

表2-1 泡沫玻璃磚和珍珠巖混凝土塊主要技術(shù)參數(shù)

以國內(nèi)某LNG工程項(xiàng)目16萬方儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，選用保冷和承壓性能優(yōu)良的珍珠巖混凝土塊，對(duì)承壓環(huán)梁區(qū)域的HLB2400保冷材料方案進(jìn)行替代設(shè)計(jì)，將環(huán)梁下方區(qū)域HLB2400泡沫玻璃磚替代為珍珠巖混凝土塊，共計(jì)一層，如示意圖下2-1所示：

圖2-1 基于珍珠巖混凝土塊的罐底承壓環(huán)梁區(qū)域保冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

3 珍珠巖混凝土塊承載能力驗(yàn)算

結(jié)合工程站場實(shí)際情況開展罐底珍珠巖混凝土塊進(jìn)行運(yùn)行工況、水壓工況和地震工況下的力學(xué)承載能力校核。在常規(guī)荷載工況下，來自上部內(nèi)罐壁板的壓力，沿著底部找平層、承壓環(huán)梁、玻璃磚等沿斜向下45°方向作用延伸[7]。珍珠巖混凝土塊承載能力驗(yàn)算主要考慮以下荷載：

表3-1 珍珠巖混凝土塊承載能力驗(yàn)算荷載工況表

根據(jù)上述荷載，珍珠巖混凝土塊承載能力驗(yàn)算結(jié)果如表3-2所示：

表3-2 珍珠巖混凝土塊承載能力驗(yàn)算結(jié)果表

上表格可見，對(duì)于珍珠巖混凝土塊產(chǎn)品的最低強(qiáng)度要求為1.923 MPa，若材料選用表1-1中廠家A珍珠巖混凝土塊，其產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度值為5.5MPa，遠(yuǎn)大于上表中最低強(qiáng)度要求的1.923 MPa，滿足承載能力要求。

4 儲(chǔ)罐BOG蒸發(fā)率驗(yàn)算

依據(jù)設(shè)計(jì)方案，采用表1-1中廠家A的珍珠巖混凝土材料參數(shù)，對(duì)儲(chǔ)罐的靜態(tài)BOG蒸發(fā)率進(jìn)行了計(jì)算。罐底每小時(shí)的漏熱量計(jì)算公式如下：

經(jīng)過計(jì)算罐頂、罐壁和罐底的漏熱量如下表所示：

表4-1 儲(chǔ)罐各位置漏熱量計(jì)算表

依照《液化天然氣接收站工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，日蒸發(fā)率定義為儲(chǔ)罐因漏熱產(chǎn)生的日蒸發(fā)量與儲(chǔ)罐總?cè)莘e的百分比，以純甲烷計(jì)。因此，靜態(tài)BOG日蒸發(fā)率=一天累計(jì)漏熱量/(介質(zhì)密度×儲(chǔ)罐總?cè)莘e×氣化潛熱)×100%。由此可得，儲(chǔ)罐靜態(tài)BOG日蒸發(fā)率為0.0499wt%/day，滿足小于0.05wt%/day的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

根據(jù)某LNG儲(chǔ)罐項(xiàng)目站場條件和需求，設(shè)計(jì)了基于珍珠巖混凝土塊的罐底承壓環(huán)梁區(qū)域保冷系統(tǒng)，并開展了珍珠巖混凝土塊承載能力驗(yàn)算和儲(chǔ)罐BOG蒸發(fā)率驗(yàn)算。

結(jié)果表明，若選用表1-1中廠家A生產(chǎn)的珍珠巖混凝土塊，抗壓強(qiáng)度5.5MPa，承載力滿足力學(xué)承壓計(jì)算結(jié)果要求；儲(chǔ)罐BOG日蒸發(fā)率計(jì)算結(jié)果為0.0499wt%/day，滿足小于0.05wt%/day的蒸發(fā)率設(shè)計(jì)要求,因此,基于珍珠巖混凝土塊的罐底承壓環(huán)梁區(qū)域保冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行。