在用LNG低溫真空絕熱容器漏熱量監測

李正清，何　丹，王田剛，蔡宇宏，劉筱文

（無錫泓瑞航天科技有限公司，江蘇 無錫　214000）

在用LNG低溫真空絕熱容器漏熱量監測

李正清，何丹，王田剛，蔡宇宏，劉筱文

（無錫泓瑞航天科技有限公司，江蘇 無錫214000）

LNG低溫真空絕熱容器在使用過程中因真空絕熱夾層內材料放氣、漏氣以及夾層材料的老化、松散等原因，可導致低溫容器真空絕熱性能下降，致使低溫容器內的低溫液體的蒸發量增加，造成液體的浪費，此時儲罐蒸發率可能超過要求，使得儲罐不能繼續使用。論文介紹了一種簡單的方法對低溫容器的漏熱量進行實時監測，若儲罐漏熱量超過限定值時報警提醒，確保低溫容器的使用安全、人員安全。

低溫；真空絕熱；漏熱

0　引言

隨著液化天然氣（LNG）行業的快速發展，使得與其配套的貯存和運輸設備也出現了前所未有的快速增長之勢。特別是近幾年來，隨著我國液化天然氣的推廣普及，存貯、運輸LNG的低溫設備形式已多樣化，需求量也迅速增加。近期的大氣污染和霧霾等惡劣氣候狀況影響，使得國家在清潔能源利用方面的支持力度加大，政策性扶持條件增多，諸多條件推動了我國以LNG為動力能源的輸運設備產業的迅猛發展，LNG低溫設備的需求量急劇增加。

LNG儲罐盛裝的低溫液化天然氣處于深低溫狀態，特點是液體溫度低、氣化潛熱小、氣液體積比大、蒸發后局部濃度大，由此決定了低溫容器必須具備良好的絕熱性、密閉性及安全可靠性。對低溫液體和低溫容器的使用、管理不慎有可能造成火災、爆炸、窒息等嚴重事故，給國家和人民財產造成損失。因此通過實時監測LNG低溫容器的漏熱量來監測低溫容器真空絕熱性能，確保低溫容器的使用安全是非常必要的。

1　物理模型

低溫真空絕熱容器中的LNG外部漏熱主要由內外容器殼體間支撐及管道的導熱、真空絕熱夾層內氣體對流換熱及內外壁間輻射換熱導致其內儲罐壓力、溫度的升高，通過實時監測內儲罐內LNG壓力、溫度變化情況，可進行低溫容器漏熱量的計算分析，確定低溫容器的漏熱量。

首先在LNG儲罐頂部和底部設置溫度壓力傳感器，測量儲罐內LNG的飽和蒸氣壓力和溫度，并通過飽和溫度和壓力的關系式確保測試值的準確性。LNG儲罐放置一段時間后，漏熱導致容器內飽和溫度和壓力升高，蒸氣密度增大，同時容器內LNG的溫度也升高。因此通過計算容器內飽和蒸氣壓及LNG內能的變化就能夠確定LNG儲罐的漏熱量。

2　方案設計

在用LNG低溫真空絕熱容器漏熱監測方案設計如圖1所示，低溫真空絕熱容器在靜置或運動過程中（運輸槽車），因漏熱和液體晃動作用等影響會使低溫容器內的壓力升高，因此在低溫真空絕熱容器的頂部和底部各設置一組溫度和壓力的傳感器，測量容器內溫度及壓力的變化。

圖1　低溫容器漏熱量監測示意圖

2.1確認測試數值有效

低溫真空絕熱容器內LNG液體飽和壓力與溫度的關系如式（1）[2]所示，將溫度壓力傳感器A測得的數值代入式（1），如滿足式（1），即兩邊計算值相等，且溫度傳感器A與B的差值在誤差允許范圍內，則認為測得的溫度壓力正確有效。

式中：p為傳感器A測試飽和蒸氣壓；T為飽和蒸氣壓對應的溫度。

2.2低溫介質質量計算

低溫容器中的介質包括低溫液體與氣體，初始時刻低溫介質總質量由式（2）[2]確定

其中氣體及液體的體積可由液位計通過計算得出，也可采用溫度壓力傳感器中A與B的壓差計算低溫容器內液體及氣體體積，LNG密度由式（3）[2]計算：

LNG飽和蒸氣的密度由式（4）[2]計算。

一段時間后因漏熱溫度及壓力均發生變化，但容器內總質量不變，此時容器內氣體及液體的體積可通過方程組（5）進行計算。

2.3低溫介質內能計算

低溫容器內介質的內能由液體及氣體內能組成，由式（6）計算：

其中液體或氣體的內能通過溫度及定壓比熱由式（7）[3]計算：

2.4低溫介質內能變化

一段時間內低溫介質內能的變化即為低溫容器的漏熱量，可以通過式（10）進行計算。

2.5低溫容器蒸發率計算

低溫容器真空絕熱性能的優劣由容器的靜態蒸發率確定，不同絕熱形式、容積的蒸發率指標可參照GB/T 18442的要求。其衡量標準為每天蒸發的液體占有效容積的比值（%/d），且標準中一般按照液氮的蒸發量來衡量，因此需要將漏熱量轉化為液氮的蒸發量，并獲得低溫容器的蒸發率α[8]。

3　計算及結果分析

某一儲存LNG低溫容器內膽容積為30 m3，有效容積為27.5 m3的真空粉末絕熱低溫容器。初始時刻溫度壓力傳感器A和B的值分別為PA1、TA1和PB1、TB1，此時液位高度對應的液體體積為20.0 m3，放置1.5 h后，因漏熱導致其溫度、壓力升高，此時溫度壓力傳感器A和B的值分別為PA2、TA2和PB2、TB2，相應的液位高度對應的液體體積為20.53 m3，具體如表1所列。

表1　1.5 h前后溫度壓力傳感器值

將表1中的參數代入式（1）～（9）計算得到各參數值如表2所列。

表2　低溫容器漏熱及蒸發量計算

由表2的計算可知，該低溫容器目前漏熱量換算液氮的靜態蒸發率為0.426%/d，按GB/T 18442的規定，該低溫容器的規定靜態蒸發率值為0.445%/d，滿足設計要求。按照目前在用低溫容器定檢靜態蒸發率指標為規定值2倍的要求，當傳感器測得低溫容器蒸發率超過規定值2倍時，進行報警，然后對低溫容器全面檢修，確保低溫容器的使用安全。

4　結論

目前國內低溫真空絕熱容器在使用過程中，尚未對其性能進行有效的全程監測，按照國家低溫容器使用規范要求，每隔3～5年需要進行定檢，定檢過程較為繁瑣、周期長，且不能對低溫容器的使用性能形成實時有效監管。在用LNG低溫真空絕熱容器漏熱量監測通過對低溫真空絕熱容器內溫度及壓力實時監測，建立反映低溫容器綜合性能的靜態蒸發率與溫度及壓力參數之間的關系，實現低溫真空絕熱容器性能的實時監測，并可將測量的結果通過無限網絡等實時傳輸到監控室，存在超標時及時報警并處理，確保低溫容器的使用安全及人員安全。

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USING LNG CRYOGENIC VACUUM HEAT REJECTED VOLUME LEAK ING HEAT DETECTED

LIZheng-qing，HE Dan，WANG Tian-gang，CAIYu-hong，LIU Xiao-wen
（WuxiHongruiaerospace Technology Co.，Ltd，W uxi Jiangsu214000，China）

Performance of LNG cryogenic vacuum heat rejected volume decreased，because of gas releasing or leaking of the volume wallmaterial，or old and loose interlayermaterial.And cryogenic volume evaporation w ill increase，which result in volume setatdangerous state.Therefore it is necessary to detect cryogenic volume performance via simple method，in order to ensure safety of person and reduce thewasteof LNG liquid.Detected equipmentw illalarm if the cryogenic volumeevaporation exceeds the limit.

cryogenic；vacuum heat rejected；heat leaking

TB61

A

1006-7086（2016）01-0053-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.01.012

2015-10-14

李正清（1984-），男，工程師，碩士研究生，主要從事真空低溫技術及檢測。E-mail：ahanda-nwpu@163.com。