LNG儲(chǔ)罐低溫絕熱性能的研究

吳福龍，李蘇澄

（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

隨著社會(huì)的發(fā)展，天然氣的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。常壓下，LNG的體積約為標(biāo)準(zhǔn)工況下氣態(tài)體積的1/625，溫度在-162℃左右，通常被儲(chǔ)存在LNG低溫儲(chǔ)罐中。LNG儲(chǔ)罐一般為微正壓低溫狀態(tài)，外部有絕熱保溫材料覆蓋，所以，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮絕熱保冷性能。LNG低溫儲(chǔ)罐的絕熱保冷性能直接影響能耗量。對(duì)于低溫儲(chǔ)罐，熱量會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等方式傳入儲(chǔ)罐中，從而導(dǎo)致部分LNG氣化成為BOG氣體?；诖?，本文對(duì)LNG絕熱性能進(jìn)行了研究。

1 低溫儲(chǔ)罐絕熱設(shè)計(jì)

本文以地下儲(chǔ)罐為例，研究的LNG儲(chǔ)罐體積為30000m3，儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。LNG儲(chǔ)罐絕熱保冷材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示。儲(chǔ)罐的運(yùn)行溫度和運(yùn)行壓力參考相關(guān)文獻(xiàn)而確定。

表1 LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 LNG儲(chǔ)罐絕熱材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 確定最大的BOG蒸發(fā)率

不同容量的LNG儲(chǔ)罐甲烷含量與BOG日蒸發(fā)率的關(guān)系曲線如圖1所示，本文儲(chǔ)罐是30000m3，甲烷的含量為90.1%。利用線性擬合的方法，相關(guān)系數(shù)R2=0.9642，如圖2所示。

圖1 不同容量的LNG儲(chǔ)罐甲烷含量與BOG日蒸發(fā)率的關(guān)系

圖2 縱坐標(biāo)截取值的線性擬合

根據(jù)圖2，可以計(jì)算出30000m3儲(chǔ)罐的縱坐標(biāo)截取值，從而得到日允許最大的BOG蒸發(fā)率，如式（1）所示：

式中，y為BOG日蒸發(fā)率；x為重甲烷的百分比?？梢杂?jì)算出當(dāng)甲烷濃度為90.1%時(shí)，BOG日最大蒸發(fā)率定義為0.0667%。計(jì)算出來(lái)的BOG蒸發(fā)率應(yīng)該與文獻(xiàn)中提出的0.05%進(jìn)行比較，也與低的0.039%進(jìn)行比較，以分析在儲(chǔ)罐絕緣方面的投資差異。

1.2 進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐的熱量

為了確定總熱量輸入，并確定滿足日BOG蒸發(fā)率小于或等于所獲得的結(jié)果所需的絕緣材料，有必要評(píng)估進(jìn)入艙內(nèi)的總熱量，從而通過(guò)迭代方法計(jì)算出實(shí)際的BOG蒸發(fā)率，直到將絕緣材料設(shè)計(jì)成定義的最大BOG蒸發(fā)率且不受全年氣候條件影響。

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)儲(chǔ)罐底部、艙壁和頂部三個(gè)不同部位的分析。總熱量輸入如式（2）：

為了考慮這一年的氣候差異，分別對(duì)冬季無(wú)風(fēng)及夏季強(qiáng)風(fēng)條件進(jìn)行研究。

（1）底部漏熱量計(jì)算。根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律。已知儲(chǔ)罐罐體運(yùn)行溫度為-164℃，土壤溫度幾乎是恒定的，設(shè)置為16℃，因此，可以確定壁面溫度。罐體底部這部分熱量的計(jì)算考慮為一個(gè)多層壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。每層的絕熱層熱阻計(jì)算如式（3）：

將式（4）～（6）為計(jì)算各層絕熱材料層的熱量：

將式（4）～（6）進(jìn)行相加可以引出式（7），可以計(jì)算出通過(guò)罐體底部的漏熱量：為最低介質(zhì)（LNG）的溫度，

計(jì)算出總熱量，然后就可以計(jì)算出每層絕緣材料的表面溫度，其中是每種材料最高溫度表面的溫度，是最低溫度表面的溫度：

（2）側(cè)壁漏熱量計(jì)算。LNG儲(chǔ)罐側(cè)壁的熱量計(jì)算是對(duì)壁面的幾層絕熱材料應(yīng)用基于熱傳導(dǎo)原理的傅里葉定律。在考慮儲(chǔ)罐高度、半徑和各層絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)后，根據(jù)式（9）單獨(dú)考慮導(dǎo)熱，計(jì)算各層的熱阻：

側(cè)壁總熱量之和也參考罐體底部的熱量計(jì)算方法如式（8）：

只要計(jì)算出總熱量輸入，就可以用式（9）計(jì)算出每一層側(cè)壁的表面溫度：

（3）頂部漏熱量計(jì)算。為了計(jì)算這個(gè)復(fù)雜界面的熱量輸入，分別分析了熱輸入源、入射輻射、環(huán)境溫度和相關(guān)對(duì)流作用。通過(guò)等效傳熱圖方式的熱量輸入計(jì)算如圖3。為最高表面溫度，

圖3 等效傳熱示意圖

為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)混凝土層和絕緣層（罐頂）之間的對(duì)流阻力相等，那么，彼此之間不存在自然對(duì)流作用，則認(rèn)為兩者之間的氣體溫度是均勻的，并且也沒(méi)有考慮頂部輻射。

由上兩圖可以推導(dǎo)出如下公式：

由上兩式可推導(dǎo)出式：

確定在無(wú)風(fēng)條件下（風(fēng)速約為1.34m/s）風(fēng)的影響系數(shù)為10W/m2·k，在強(qiáng)風(fēng)條件下（50m/s）影響系數(shù)為90W/m2·k。

1.3 通過(guò)管路及泵送系統(tǒng)的熱量

為了計(jì)算通過(guò)管路和泵進(jìn)入LNG系統(tǒng)的熱量，需要確定管道的長(zhǎng)度、直徑、管道保溫厚度和導(dǎo)熱系數(shù)以及LNG/BOG的流速。

下式分別計(jì)算LNG在管道中的流速、普朗特?cái)?shù)Pr、雷諾數(shù)Re、努賽爾數(shù)Nu和傳熱系數(shù)h0。

最后，通過(guò)管道傳輸?shù)臒崃繛椋?/p>

由管道受熱而影響B(tài)OG產(chǎn)生速率的關(guān)系如下式所示：

對(duì)于計(jì)算通過(guò)裝卸泵進(jìn)入的熱量，傳熱過(guò)程的計(jì)算如式（23）所示：為安全系數(shù)；

通過(guò)泵進(jìn)入的熱量影響B(tài)OG產(chǎn)生速率的關(guān)系表達(dá)式如式（24）所示：

2 計(jì)算結(jié)果討論

2.1 儲(chǔ)罐漏熱量計(jì)算

根據(jù)所確定的BOG日蒸發(fā)率（0.067%、0.050%和0.039%）三種工況，計(jì)算了各自工況下進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐的熱量以及BOG和LNG的體積，BOG的質(zhì)量。在計(jì)算結(jié)果中考慮了在夏季（強(qiáng)風(fēng)條件）和冬季（無(wú)風(fēng)條件下）的情況。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同工況下儲(chǔ)罐底部、頂部和側(cè)壁的參數(shù)計(jì)算結(jié)果

從結(jié)果看出，BOG的蒸發(fā)率和溫度的改變不會(huì)影響從罐底和罐側(cè)壁進(jìn)入的熱量，當(dāng)BOG蒸發(fā)率增大時(shí)，從罐頂傳導(dǎo)的熱量在增加，BOG量也會(huì)增加，此外，在強(qiáng)風(fēng)條件下的夏季且BOG日蒸發(fā)率為0.067%的最差工況下，其BOG量比最佳工況下增加了40.1%。

BOG蒸發(fā)率為0.039%時(shí)，在冬天每天產(chǎn)生4957.90kg氣體，夏天產(chǎn)生5092.18kg，在0.067%時(shí)冬天產(chǎn)生7940.13kg，夏天產(chǎn)生8328.27kg。在夏天產(chǎn)生的BOG平均要比冬季多出3%～5%，且蒸發(fā)率0.067%要平均比0.039%下BOG的產(chǎn)量高出36%左右。

2.2 通過(guò)管路和泵的熱量

在前文對(duì)通過(guò)管路和泵的熱量計(jì)算分析時(shí)，計(jì)算中使用的管線長(zhǎng)為220m，流量為1000m3/h，管徑為0.41m，絕緣層厚度為0.23m，熱導(dǎo)率為0.04W/m·K。在計(jì)算通過(guò)泵進(jìn)入的熱量時(shí)考慮了2臺(tái)LNG泵，泵的揚(yáng)程為41m，泵的效率為0.8。在計(jì)算中所考慮夏天和冬天的溫度為當(dāng)季平均溫度，分別為8℃和25℃，LNG的溫度為-161℃。在BOG計(jì)算中考慮了5%的設(shè)計(jì)裕度。表4給出了經(jīng)過(guò)管線和泵的熱量結(jié)果。

表4 LNG系統(tǒng)通過(guò)管線和泵進(jìn)入的熱量計(jì)算結(jié)果

對(duì)經(jīng)過(guò)管線和泵的BOG體積、LNG體積和BOG質(zhì)量進(jìn)行了計(jì)算。如表5所示。通過(guò)計(jì)算總熱量，如表6所示。

表5 經(jīng)過(guò)管線的BOG計(jì)算結(jié)果

表6 儲(chǔ)罐不同運(yùn)行模式下熱量產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究地下儲(chǔ)罐不同位置的熱量傳導(dǎo)以及計(jì)算出儲(chǔ)罐不同運(yùn)行狀態(tài)下的熱量結(jié)果，得出了以下結(jié)論：

地下儲(chǔ)罐的一大優(yōu)點(diǎn)就是熱量主要是通過(guò)罐頂進(jìn)入的，而罐其他部位的熱量進(jìn)入量都是非常穩(wěn)定的，能夠簡(jiǎn)化儲(chǔ)罐絕緣層的設(shè)計(jì)；由于地下儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)特性前期建造成本較高，但其能有效控制熱量的傳導(dǎo)，能夠最大化地減小對(duì)流和輻射等方面的影響，對(duì)后期BOG處理方案的成本控制也十分有利；通過(guò)分別對(duì)這三種工況下進(jìn)行分析，給后續(xù)儲(chǔ)罐絕熱保冷材料的成本與BOG處理方案的成本的比較提供了基礎(chǔ)。