全容式LNG儲罐絕熱性能及保冷系統研究

彭明 丁乙

1.中國石化青島液化天然氣有限責任公司 2.中國石化天然氣分公司

全容式LNG儲罐絕熱性能及保冷系統研究

彭明1丁乙2

1.中國石化青島液化天然氣有限責任公司 2.中國石化天然氣分公司

我國大型LNG接收站中的儲罐均為全容式LNG儲罐，其通常處于低溫微正壓狀態，外界熱量的漏入會引起LNG的蒸發，增加能耗，也可能會使儲罐產生分層及翻滾現象，對其安全造成較大威脅，因此，需要對它的絕熱性能及保冷系統進行研究。為此，根據全容式LNG儲罐的結構特點，分別對罐頂、罐壁和罐底進行了漏熱量計算，結合實例進行了LNG儲罐總漏熱量及日蒸發率的計算分析，探討了LNG儲罐的絕熱性能，找到了影響儲罐漏熱量的主要因素：保冷材料的導熱系數、保冷層的厚度、儲罐表面的吸收率、環境溫度等，為LNG儲罐保冷系統的設計提供了相關依據；并根據LNG儲罐保冷系統的需要，歸納總結了保冷材料的選擇原則、施工方法及其注意事項。

LNG 全容式儲罐 漏熱 日蒸發率 絕熱性能 保冷系統 保冷材料 保冷施工

近幾年，中國液化天然氣（LNG）進口量大大增加，并已成為天然氣進口的重要途徑［1－2］。LNG儲罐是LNG接收站的核心設備，也是LNG的主要儲存設備［3－4］。LNG儲罐有多種類型，但現在人們更傾向于采用安全可靠性更好的全容式儲罐，中國大型LNG接收站中的LNG儲罐均為全容式儲罐。全容式LNG儲罐通常處于低溫微正壓狀態，外界熱量的漏入會引起LNG的蒸發，增加能耗；同時蒸發氣會引起LNG儲罐壓力的增加，也可能會產生分層及翻滾現象［5］，對LNG儲罐的安全造成較大威脅。因此，LNG儲罐保冷系統的保冷性能將直接影響到能耗和LNG儲罐的安全運行。

1 全容式LNG儲罐的絕熱計算方法

全容式LNG儲罐主要由內罐、預應力鋼筋混凝土外罐、外罐內側底部熱角保護系統、內外罐之間的保冷系統以及工藝儀表等附件構成（圖1）。內罐頂為鋁合金吊頂，通過吊桿連接到外罐穹頂，鋁合金吊頂與內罐壁頂部設有柔性密封系統［6－7］。全容式LNG儲罐結構復雜，罐體傳熱方式包括導熱、對流和輻射等多種傳熱方式。根據全容式LNG儲罐的結構特點，分別從儲罐的罐頂、罐壁和罐底進行漏熱分析［8］。

圖1 全容式LNG儲罐的結構示意圖

1.1 罐頂漏熱量的計算

罐頂漏熱的主要形式是罐頂向吊頂的熱輻射及對流換熱，然后通過吊頂保冷層向內罐導熱。

外罐頂通過熱傳導傳入的熱流量（Φ1）為：

罐頂內表面與吊頂保冷材料上表面的熱傳導主要有輻射與對流換熱，熱流量（Φ2）為：

吊頂通過熱傳導傳入罐內的熱流量（Φ3）為：

式中λ1、λ2分別為罐頂混凝土的導熱系數和吊頂上各層保冷材料的導熱系數，W／（m·K）；δ1、δ2i分別為外罐頂厚度和吊頂上各層保冷材料的厚度，m；T1、T2、T3、T4、Tf分別為罐頂外表面的溫度、罐頂內表面的溫度、吊頂保冷層表面的溫度、內罐中LNG的溫度、罐頂與吊頂氣相空間的氣體平均溫度，K；A1、A2、A3分別為外罐頂外表面、外罐頂內表面和吊頂的面積，m2；h1為罐頂內表面的平均表面傳熱系數，W／（m2·K）；σ為波爾茲曼常數；ε1、ε2分別為罐頂內表面與保冷層上表面的發射率；X1，2為角系數。

根據能量守恒原理，Φ1＝Φ2＝Φ3，聯立式（1）、（2）、（3），代入已知參數即可求解罐頂的漏熱量。

1.2 罐壁漏熱量的計算

罐壁漏熱的主要形式是罐壁外表面熱量通過罐壁、保冷材料向內罐導熱。假設保冷材料層之間接觸良好，不考慮接觸熱阻。外罐壁導入罐內的熱流量（Φ4）為：

式中h為罐外表面的平均表面傳熱系數，W／（m2· K）；λ3i為外罐壁混凝土和內外罐壁環形空間各保冷層的導熱系數，W／（m·K）；d1、di分別為外罐直徑和各層的內徑，m；T5為外罐壁外表面的溫度，K；L為外罐壁的高度，m。

1.3 罐底漏熱量的計算

罐底漏熱的主要形式是罐底大氣熱量通過罐底板、保冷材料向內罐導熱。假設罐底與保冷材料接觸良好，不考慮接觸熱阻。外罐底導入罐內的熱流量（Φ5）為：

式中λ4i為罐底混凝土和各保冷材料層的導熱系數，W／（m·K）；δ4i為罐底混凝土和各保冷層的厚度，m；T6為罐底外表面的溫度，K；A4為罐底保冷材料的面積，m2。

1.4 主要參數的計算

1.4.1 外罐外表面各部分溫度（T1、T5、T6）

沒有太陽輻射時，罐頂、罐壁及罐底外表面的溫度與周圍空氣溫度相近，計算時可取空氣溫度值；有太陽輻射時，罐頂壁外表面的溫度比沒有輻射時高一些，此時儲罐漏熱量相應增加，罐外表面與空氣的對流換熱量也相應增加，根據熱量平衡方程有：

式中η為受太陽輻射的罐外表面積所占百分比；ε3為罐外表面熱輻射吸收系數；I為太陽的輻射強度，W／m2；K為儲罐的平均傳熱系數，W／（m2·K）；Tw、Te分別為有輻射的外罐外表面各部分平均溫度和環境空氣的溫度，K。將已知參數代入式（6）可求出罐外表面的溫度。

1.4.2 儲罐外表面平均表面傳熱系數（h）

儲罐外表面平均表面傳熱系數（h）按空氣橫掠過圓管的強制對流換熱公式計算：

式中λ為空氣導熱系數，W／（m·K）；l為特征長度，m；Re為空氣雷諾數；Pr為空氣的普朗特數；c、n為常數。

1.5 儲罐總漏熱量及日蒸發率的計算

儲罐的總漏熱量（Φ）為罐頂、罐壁和罐底的漏熱量之和：

考慮到太陽輻射作用及輻射時間的長短，儲罐的實際總漏熱量（Φ實）為：

式中η1為每天太陽輻射時間百分比；Φ有輻射、Φ無輻射分別為有無太陽輻射時的總漏熱量，W。

儲罐日蒸發率（BOR）是指在1天內蒸發的LNG占儲罐LNG總質量的百分比，其計算公式為：

式中γ為LNG的蒸發潛熱，J／kg；V為儲罐容積，m3；ρ為LNG密度，kg／m3。

1.6 影響漏熱量的主要因素

從漏熱量的計算公式可以看出影響儲罐漏熱量的主要參數有保冷材料的導熱系數、保冷層的厚度、儲罐表面的吸收率、環境溫度等。保冷材料的導熱系數越大，保冷層的厚度越小，環境溫度越高，漏熱量越大，因此，可選取導熱系數小的保冷材料并增大保冷層厚度來減小LNG的蒸發率。儲罐表面的吸收率越大，漏熱量越大，因此，可以在儲罐外表面涂白色涂料或在太陽輻射強烈時對罐壁進行噴淋降溫以減小漏熱量。

1.7 實例

以某LNG接收站16×104m3全容式儲罐為例計算儲罐漏熱量及日蒸發率。

儲罐基礎參數及保冷材料參數見表1、2。

表1 LNG儲罐基礎參數表

表2 LNG儲罐主要保冷材料參數取值表

假設每天太陽輻射時間為12 h，漏熱量及日蒸發率計算結果如表3所示。

表3 LNG儲罐漏熱量及日蒸發率計算結果表

16×104m3LNG儲罐日蒸發率控制要求為不大于0.050%，計算結果為0.047%，因此，本儲罐保冷設計符合要求。

2 保冷材料的選擇與安裝

全容式LNG儲罐的保冷系統主要由罐底保冷、罐壁保冷、吊頂保冷和接管保冷等系統構成。通過對漏熱量主要影響因素的分析可知，保冷材料的選取和安裝對儲罐的保冷效果有重要的影響。

2.1 保冷材料的選擇

用于全容式LNG儲罐的保冷材料除具有較小的導熱系數外，還應滿足密度小、吸水率小、阻燃性強、抗凍性強、價格低廉、安裝方便的要求，并在極低的溫度下滿足機械強度高、耐腐蝕、對人體無害、經久耐用等要求［9］。全容式LNG儲罐的主要保冷材料如表4所示。

表4 全容式LNG儲罐的主要保冷材料統計表

在保冷系統的設計及保冷材料的選擇上，除了要考慮保冷材料的絕熱性能外，還應結合儲罐的結構特點、材料的經濟性及安裝方便性等因素綜合考慮。罐底保冷材料需要承受罐體及罐內LNG的負荷，因此，宜選擇抗壓強度較高的泡沫玻璃。吊桿通過焊接及螺栓連接的方式把吊頂懸掛在罐頂鋼梁上，吊頂上保冷材料要選擇密度較小的玻璃纖維氈或膨脹珍珠巖?？紤]到保冷材料的經濟性，內外罐壁間環形空間選擇堆積絕熱方式，保冷材料選用膨脹珍珠巖；儲罐會因溫度變化產生收縮，因此，在內罐壁外安裝彈性玻璃纖維氈為珍珠巖提供彈性，可以防止或減小珍珠巖的沉降。

除了表4中的主要材料外，保冷系統還包括鋁箔、玻璃纖維布、瀝青氈、馬蹄脂、粘結劑、密封膠、保溫釘等輔助材料。高強度玻璃纖維布及鋁箔保護層安裝在彈性玻璃纖維氈表面，用于防止其因自重撕裂。水蒸氣對保冷材料的危害最大，需要對儲罐進行防潮隔氣保護，馬蹄脂和粘結劑都具有良好的防潮、隔氣性能。

2.2 保冷材料的安裝

大型全容式LNG儲罐保冷系統的施工工程量大，施工工序多，施工質量直接影響到儲罐的保冷效果，因此，合理的施工工序及施工方法是保冷材料安裝的關鍵。以某16×104m3全容式LNG儲罐為例介紹保冷系統的施工方法及注意事項。

2.2.1 罐底保冷

罐底保冷設計復雜，保冷層數較多，從混凝土底板到內罐底板的保冷層依次為：外罐底襯板、素混凝土或干砂找平層、中間墊氈層、多層泡沫玻璃磚（罐內外圈為強度較高的泡沫玻璃磚、混凝土環梁）、中間墊氈層、素混凝土或干砂找平層、第二層罐底板、素混凝土找平層、內罐底板，混凝土底板到內罐底板的總厚度為700 mm。安裝保冷材料采用從下到上、由內而外的施工工序，控制基礎底板及各絕熱層的平整度及縫隙，防止底板扭曲并保證保冷結構的連續性，以免出現“熱短路”。

2.2.2 罐壁保冷及熱角保護

罐壁間環形空間保冷層由內而外依次為彈性玻璃纖維氈、高強度玻璃纖維布和膨脹珍珠巖，由內而外進行安裝。彈性氈外表面覆蓋玻璃纖維布，通過鉤板懸掛在內罐壁外側，并通過設置在罐壁表面的保溫釘與罐壁固定。彈性氈懸掛好后使底部貼緊罐壁，修剪超長的部分。為滿足系統的設計要求，珍珠巖保冷材料在保存、運輸及充裝時都應保持干燥。珍珠巖礦通過加熱爐在現場膨脹，從頂部往下分層裝填、分層夯實，直至填充到頂部。為防止破壞儲罐的附件，在垂直管道及附件與其他部件距離不足1 m時不進行夯實。填充膨脹珍珠巖前，應安裝吊頂密封及珍珠巖隔板，防止填充時珍珠巖進入內罐。

熱角保護系統由第二層底板、高5 m的局部壁板和泡沫玻璃磚保冷層等構成。在外罐壁內側先敷設泡沫玻璃磚，然后安裝局部壁板，局部壁板上部通過環形板與預埋件焊接連接。

2.2.3 罐頂及接管保冷

吊頂上敷設10層厚度為100 mm的玻璃纖維氈，由不銹鋼絲等與吊頂固定。敷設時修剪玻璃纖維氈，使開口適合吊頂吊桿和其他支撐物。

接管保冷采用套管結構，在冷管和套管之間充填彈性玻璃纖維氈進行保冷。接管保冷材料的安裝應先于珍珠巖填充與吊頂保冷材料的敷設。

3 結論

1）根據全容式LNG儲罐的結構特點，分別計算了罐頂、罐壁和罐底處的漏熱量，給出了全容式LNG儲罐總漏熱量及日蒸發率的計算方法。對某LNG儲罐保冷設計的日蒸發率進行了核算，結果表明其符合控制要求。對保冷材料的導熱系數、保冷層厚度、儲罐表面及保冷材料吸收率等影響漏熱量的主要因素進行了分析，保冷材料的導熱系數、吸收率越小，保冷層厚度越大，儲罐的保冷效果越好。

2）根據保冷材料選擇的原則，給出了全容式LNG儲罐各保冷系統適用的主要保冷材料。針對保冷系統施工工程量大、交叉作業多等特點，以某16×104m3全容式LNG儲罐為例給出了儲罐各部分保冷系統的施工工序及施工方法，總結了保冷材料安裝時所需注意的事項。

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Thermal insulation performance and cold insulation system of full containment LNG storage tanks

Peng Ming1，Ding Yi2
（1.Sinopec Qingdao Liquefied Natural Gas Co.，Ltd，Qingdao，Shandong 266400，China；2.Sinopec Natural Gas Branch Company，Beijing 100120，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 3，pp.94－97，3／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

The storage tanks at China＇s large LNG receiving terminals are all full containment LNG tanks.Generally，these tanks are in the state of low temperature and micro－positive pressure.When external heat is absorbed，LNG will evaporate and energy consumption will be increased.In addition，it might result in stratification and rollover of the tanks，causing potential safety hazards.Therefore，it is necessary to perform researches into the thermal and cold insulation performance of LNG storage tanks.Based on the structural characteristics of full containment LNG tanks，calculations are conducted of the heat leakage of tank roof，wall and bottom.This paper further takes examples to calculate and analyze the total heat leakage and daily evaporation rate of the tanks，and discusses the coal insulation performances of LNG storage tanks and the main influencing factors of the heat transfer.The paper provides reference to the design of the cold insulation system of LNG storage tanks.In addition，it also performs a study on the selection principles of insulation materials，construction methods and points for attention of the cold insulation system of LNG storage tanks.

LNG，full containment tank，heat leakage，daily evaporation rate，thermal insulation system，cold insulation system，cold insulation materials，cold insulation construction

彭明，1985年生，碩士；主要從事液化天然氣儲運研究工作。地址：（266400）山東省青島市膠南珠海東路387號海西大酒店2111。電話：18653285751。E－mail：sdpengming＠163.com

彭明等.全容式LNG儲罐絕熱性能及保冷系統研究.天然氣工業，2012，32（3）：94－97.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.03.021

（修改回稿日期 2012－01－12 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.03.021

Peng Ming，born in 1985，holds an M.Sc.degree and is mainly engaged in research of LNG storage and transportation technology.

Add：Room 2111，West Coast Hotel，No.387，East Zhuhai Rd.，Jiaonan District，Qingdao，Shandong 266400，P.R.China

Mobile：＋86－18653285751 E－mail：sdpengming＠163.com