LNG全容儲罐保冷系統及其性能探究

楊絲桑 相 華

1.石油化工管理干部學院,北京 100012;2.俄羅斯國立古勃金石油天然氣大學,俄羅斯 莫斯科 119991

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LNG全容儲罐保冷系統及其性能探究

楊絲桑1相 華2

1.石油化工管理干部學院,北京 100012;2.俄羅斯國立古勃金石油天然氣大學,俄羅斯 莫斯科 119991

為了探究LNG全容儲罐的絕熱性能和保冷系統,給出了LNG儲罐各部分主要的保冷材料及其性能特征,以及可供參考的保冷系統施工工序和安裝方法。分別從罐底、罐壁和罐頂分析漏熱量,提出了大型LNG全容儲罐漏熱量和靜態日蒸發率的計算方法。以國外某20×104m3LNG儲罐為例給出了漏熱量和日蒸發率的計算結果,得出其日蒸發率符合保冷設計要求。分析影響LNG儲罐蒸發率的主要因素,得出LNG儲罐存在一個“最優直徑”和“最優充滿率”,可通過增大保冷層厚度,選取導熱系數小的保冷材料,向LNG儲罐內充注氮氣等措施來降低儲罐的日蒸發率,為LNG儲罐的保冷系統設計提供依據。

LNG;大型全容儲罐;保冷材料;保冷安裝;漏熱量;日蒸發率;保冷設計

0 前言

LNG是天然氣的液態形式,它蘊藏著大量的低溫能量,常溫下LNG的體積約為標準狀況下氣態體積的1/625[1-4]。天然氣作為燃料燃燒時所排放的有害物質含量少,被稱為清潔能源[5-6],廣泛用于發電、城市民用燃氣及工業燃氣[7-8],優化了能源消費結構,改善大氣環境,有利于經濟與環境的協調發展。

LNG的儲存包括儲罐儲存和巖腔儲存兩種方式,其中儲罐儲存是主要的儲存方式。目前世界上LNG地面儲罐數量最多,在LNG儲存大型化和對儲存安全性要求越來越高的今天,大型全容儲罐得到廣泛的應用[9-12],中國LNG接收站均采用全容儲罐[13-15]。由于LNG需要在沸點或以下溫度長時間儲存,為了防止外界熱量漏入,引起LNG汽化,加劇能耗,同時減少LNG蒸發量,保證儲罐的安全,LNG儲罐必須具有完善的保冷系統和良好的保冷性能。

1 LNG儲罐的保冷系統

大型LNG全容儲罐保冷系統由罐底保冷層、罐壁保冷層和吊頂保冷層組成，見圖1。各部分保冷材料的選擇取決于儲液量、儲罐形式、蒸發率等因素。一般要求保冷材料具有良好的抗吸水吸濕性、抗水蒸氣滲透性、阻燃性,滿足導熱系數小、化學性能穩定、機械強度高等條件。保冷材料的施工過程具有結構設計復雜、交叉施工難度大、風險高、安裝標準高等特點,需要嚴格控制施工工序和安裝方法。

圖1 大型LNG全容儲罐整體結構

1.1 罐底保冷系統

罐底保冷系統由三部分組成:罐底中心區保冷、罐底環形邊緣區保冷和邊角區保冷。因罐底需承受儲存液體的壓力,除了考慮傳熱系數外,還需考慮材質的抗壓強度[16-18]。所以罐底保冷材料采用泡沫玻璃磚,位于內罐壁下方的保冷層采用高強度泡沫玻璃磚,還要設置高強度珍珠巖混凝土或混凝土環墻,其余部分采用普通強度泡沫玻璃磚。罐底保冷材料的主要性能見表1。

表1 罐底保冷材料主要性能

材料名稱密度/(kg·m-3)導熱系數平均值/(W(m·K)-1)抗壓強度平均值/MPaHLB800型泡沫玻璃磚1200.0430.8HLB1200型泡沫玻璃磚1400.0461.2HLB1600型泡沫玻璃磚1600.0480.55墊氈3.9--珍珠巖混凝土500～10320.1855玻璃纖維毯11～160.0382.1×10-4

罐底保冷層施工過程伴隨著內罐和土建施工,因此罐底保冷層的安裝采用分層交叉倒退施工法,即從罐底圈壁板預留門相對的方向開始鋪設，見圖2。泡沫玻璃磚的鋪設使用層縫交錯排列,錯縫間距最小為100 mm,兩塊磚之間為對接形式,塊間縫隙不能超過2 mm。為了使單塊泡沫玻璃磚的抗壓強度最優,減少工作中磚塊破碎的可能性,各泡沫玻璃層間設有瀝青墊氈層。每層材料的鋪設都應該保持平整,在任意2 m范圍內每一層的平整度都應在±3 mm范圍內。

圖2 罐底保冷材料的施工順序

1.2 罐壁保冷系統

儲罐側壁的保冷層即內罐壁與外罐壁之間的環形空間的保冷是由彈性氈和膨脹珍珠巖等組成，見表2。為了防止內外罐因為溫度變化產生收縮或膨脹,導致膨脹珍珠巖向下沉降使得上部保冷材料流失,會在整個內罐外壁上安裝一層彈性氈,補償罐體位移空隙。另外LNG儲罐發生泄漏時可能會影響外罐,通過熱角保護系統和在混凝土墻內表面安裝聚氨酯泡沫涂層保證儲罐氣密性。

在罐壁保冷層的施工過程中,彈性氈緊貼內罐壁并通過罐壁頂部連接件懸掛在內罐壁外側,通過設置在罐壁表面的保溫釘與罐壁固定。為了防止填充過程中及后來沉積作用下,珍珠巖對最外層彈性氈產生摩擦并使之失效,緊貼膨脹珍珠巖的彈性氈可采用鋁箔保護層或使用高強度玻璃纖維布保護。膨脹珍珠巖從現場膨脹設備出來后通過填充管和軟管進入環形空間,在重力的作用下落入填充區域并自然形成珍珠巖圓柱堆。當整個環形空間的填充達到一定厚度時,各個管口的填充均停止并開始對剛填充的膨脹珍珠巖進行振實工作,振實工作完成后再進行填充直到填充高度。

表2 罐壁保冷材料主要性能

材料名稱密度/(kg·m-3)導熱系數/(W·(m·K)-1)其他膨脹珍珠巖70～2500.028～0.038吸水率29%～30%彈性玻璃纖維氈160.04抗拉強度≥15kPa聚氨酯發泡料30～600.019～0.029吸水率在1.5%左右,抗拉強度不低于0.2MPa

1.3 罐頂保冷

內罐罐頂采用懸吊式巖棉保冷層,該保冷層將罐內空間與罐頂隔開,減少兩者間的對流,降低蒸發氣體交換量。一般選擇在鋁吊頂上鋪設玻璃纖維氈,由不銹鋼絲等與吊頂固定,最上層鋪設帶鋁箔的玻璃氈,接縫處應錯開玻璃纖維氈并用鋁箔粘結。

接管保冷采用套管結構,所用材料包括玻璃纖維氈、玻璃纖維布、聚氰尿酸酯泡沫、聚氨酯泡沫等,在冷管和套管之間可填充彈性玻璃纖維氈進行保冷，見圖3。

圖3 側壁和吊頂的保冷結構

2 大型LNG儲罐保冷性能計算

大型LNG全容儲罐主要組成部分包括預應力鋼筋混凝土外罐、熱角保護系統、內罐、內外罐之間的環形保冷系統和工藝儀表等附件。儲罐的主要漏熱形式有熱傳導、自然對流和熱輻射。根據儲罐整體結構,分別從罐底、罐壁和罐頂進行漏熱量計算[19-22]。

2.1 罐底漏熱量計算

罐底主要漏熱形式是周圍空氣的熱量透過罐底板、保冷材料和罐底其它各層以熱傳導的方式傳遞到罐內LNG,假定層與層之間接觸良好,沒有引入附加熱阻,且屬于一維穩態導熱,則罐底漏熱量的計算式為:

(1)

式中:T1為罐底外表面溫度,K;T2為罐內LNG溫度,K;A1為罐底面積,m2;Φ1為罐底的漏熱量,W;λi為罐底各層包括各保冷材料層的導熱系數,W/(m·K);δi為罐底各層包括各保冷層的厚度,共有n層,m。

2.2 罐壁漏熱量的計算

罐壁熱量傳遞的方式包括大空間的自然對流和熱傳導。罐壁周圍大氣的熱量通過罐壁和罐壁各保冷層傳遞至罐內LNG,假設層與層之間接觸良好,沒有引入附加熱阻,則罐底漏熱量的計算式為:

(2)

式中:L為外罐高度,m;T3為罐壁外表面溫度,K;h為罐外壁與周圍空氣對流換熱系數,W/(m2·K);λi 2為外罐壁混凝土和內外罐之間環形空間各保冷材料的導熱系數,W/(m·K);d1,di分別為外罐直徑和環形空間內各保冷層直徑,m;Φ2為罐壁漏熱量,W。

2.3 罐頂漏熱量計算

罐頂漏熱的主要形式有外罐拱頂向吊頂的熱輻射,然后周圍大氣的熱量以熱傳導的方式向拱頂內部傳遞,而后通過懸掛式吊頂的保冷層傳遞至儲罐內部,假設層與層之間接觸良好,沒有引入附加熱阻。

外罐拱頂與吊頂熱輻射的熱量計算式:

(3)

以熱傳導的方式傳遞至拱頂內的熱量計算式:

(4)

由吊頂傳遞至罐內的熱量計算式:

(5)

根據能量守恒原理,Φ1=Φ2=Φ3,聯立式(3)、(4)、(5),將已知參數代入可計算出罐頂漏熱量。

2.4 部分參數計算

2.4.1 外罐混凝土表面溫度

當有太陽輻射時,儲罐外表面溫度會升高,則根據熱平衡有:

Κ(T-Tt)=αε4Ι+h(Ta-Tt)

(6)

式中:Κ為儲罐的平均傳熱系數,W/(m2·K);Tt、T、Ta分別為外罐表面平均溫度、升高后的溫度、周圍空氣溫度,K;α為受太陽輻射的外罐面積所占的百分比;ε4為罐外表面輻射吸收系數;Ι為太陽的輻射強度,W/m2。將已知參數代入可計算出罐壁外表面溫度。

沒有太陽輻射時,罐頂和罐壁外表面的溫度可取周圍空氣的溫度。

2.4.2 儲罐外表面對流換熱系數h

按照均勻壁溫邊界條件的大空間自然對流計算h,則：

(7)

式中:λ是空氣導熱系數,W/(m·K);l是特征長度,m;Gr是空氣格拉曉夫數;Pr是空氣普朗特數。

2.5 儲罐日蒸發率的計算

通過對儲罐罐底、罐壁和罐頂漏熱量的計算,可知儲罐總的漏熱量為：

Φ=Φ1+Φ2+Φ3

(8)

考慮到太陽輻射的存在以及輻射時間的長短,可知儲罐實際漏熱量為：

Φ總實際=α1Φ總有輻射+(1-α1)Φ總無輻射

(9)

式中:Φ總實際為儲罐實際的總漏熱量,W;α1為儲罐每天太陽輻射時間百分比;Φ總有輻射、Φ總無輻射分別為有、無太陽輻射時的總漏熱量,W。

LNG儲罐的蒸發率是指LNG儲罐的靜態日蒸發率,即儲罐裝有LNG時,靜置達到熱平衡后24 h內自然蒸發損失的LNG液體質量和儲罐內LNG液體質量的百分比。儲罐蒸發率的計算公式為:

(10)

2.6 影響儲罐蒸發率的主要因素

根據上述蒸發率的計算公式可知,影響儲罐蒸發率的主要因素有傳熱面積、保冷材料的導熱系數、保冷層厚度、外罐表面吸收系數、環境溫度和介質溫度。保冷層兩側的溫差越小,保冷材料的導熱系數越小,保冷層的厚度越大,漏熱量越小,儲罐的蒸發率越小。除了上述影響因素外,LNG儲罐的直徑、初始充滿率以及含氮量也是主要影響因素。LNG儲罐存在一個“最優直徑”和“最優充滿率”,含氮量越高罐內LNG的蒸發率越低。所以在進行保冷設計時,需綜合考慮這些因素,可以通過增大保冷層的厚度,選取導熱系數小的保冷材料,向LNG儲罐內充注氮氣等來降低儲罐的蒸發率。

2.7 計算實例

以國外某接收站20×104m3LNG全容儲罐的保冷設計為例,計算儲罐的漏熱量和靜態日蒸發率。全容儲罐基礎參數及保冷材料參數見表3、4。

表3 LNG儲罐基礎參數

LNG儲罐基礎參數名稱數值外罐高度/m52.4內罐直徑/m84外罐內壁直徑/m86.4環境溫度/℃37罐底外表面溫度/℃10LNG溫度/℃-163LNG汽化潛熱/(kJ·kg-1)510外罐表面吸收系數0.6LNG密度/(kg·m-3)440儲罐的容積/m-3198340

表4 LNG儲罐保冷材料參數

保冷材料名稱厚度/m導熱系數/(W·(m·K)-1)罐底板/罐壁/罐頂混凝土1.8/0.75/1.53.2罐底泡沫玻璃磚0.450.043珍珠巖混凝土0.3530.095罐壁彈性玻璃纖維氈0.40.046罐壁膨脹珍珠巖0.650.04罐壁熱角保護泡沫玻璃磚0.150.095罐壁聚氨酯泡沫涂層0.050.0233吊頂玻璃纖維氈0.60.04

假設每天太陽輻射時間是12 h,儲罐漏熱量和靜態日蒸發率計算結果見表5。

表5 LNG儲罐漏熱量計算結果

名稱數值罐底總漏熱量/MJ6131罐壁漏熱量/MJ6302罐頂漏熱量/MJ2856總漏熱量/MJ15289日蒸發率/(%)0.04

3 結論

1)根據大型LNG全容儲罐保冷要求,給出了LNG儲罐各部分主要的保冷材料及其性能特征,以及可供參考的保冷系統施工工序和安裝方法,分析了設計和施工過程中所要注意的重要事項。

2)給出罐底、罐壁和罐頂漏熱量的計算方法,提出了大型LNG全容儲罐漏熱量和靜態日蒸發率的計算方法。對國外某LNG儲罐的日蒸發率進行核算,得出其日蒸發率符合保冷設計要求。分析影響LNG儲罐蒸發率的主要因素,得出LNG儲罐存在一個“最優直徑”和“最優充滿率”,可通過增大保冷層厚度,選取導熱系數小的保冷材料,向LNG儲罐內充注氮氣等措施來降低儲罐的日蒸發率。

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2016-03-24

楊絲桑(1989-)，女，山西霍州人，助理工程師，學士，主要從事LNG儲存運輸研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.014