一種零放散LNG罐箱的設計研究

張小雪， 唐曉偉， 汪 洋， 王海衛， 張 健

(1.華港集團(上海)石油天然氣有限公司，上海200120；2.江蘇鼎程新能源科技有限公司，江蘇南通226000)

1 概述

LNG罐箱作為LNG運輸和儲存的主要設備之一[1]，在LNG產業鏈中占據重要位置[2-3]。一般情況下，由于LNG的低溫特性和罐箱隔熱材料的局限性[4-6]，LNG罐箱在運輸和儲存過程中會因熱傳導、熱對流和熱輻射導致罐箱壓力上升[7-10]，當超過限值時，為保證運輸安全，多采用放散方式降低罐箱壓力，通過安全閥將BOG放散到大氣環境中。此種處理方式，一方面造成能源的浪費，另一方面也會增加氣體排放過程中的危險，同時造成環境污染。

為解決LNG罐箱的BOG放散問題，我們提出以大功率斯特林制冷機為冷源，對現有罐箱進行改造，研制出了一種零放散的LNG罐箱。本文分別對罐箱在有無制冷機情況下壓力隨時間的變化進行了計算，同時對零放散罐箱的經濟效益進行了分析。

2 零放散LNG罐箱的設計

2.1 罐箱和制冷機參數

零放散LNG罐箱主要包括罐箱和大功率斯特林制冷機，此設計選用的LNG罐箱和制冷機技術參數分別見表1、2。

表1 LNG罐箱技術參數

表2 制冷機技術參數

2.2 結構與原理

零放散LNG罐箱的結構見圖1，包括罐箱框架、LNG儲罐、制冷裝置、散熱系統。通過在LNG儲罐的頂端設置制冷裝置，制冷裝置的冷端位于儲罐內部，熱端位于儲罐外部，通過冷端的不斷制冷以維持儲罐低溫狀態，同時儲罐中產生的BOG遇制冷裝置冷端后降溫液化，依靠重力作用沿冷端下的鋁制散熱板回流，從而實現LNG的零放散。

圖1 零放散LNG罐箱的結構1.制冷裝置 2.散熱系統 3.鋁制散熱板 4.制冷裝置的熱端5.制冷裝置的冷端

3 零放散LNG罐箱的計算

3.1 不啟動制冷機時罐箱升壓計算

受外界環境影響，罐箱內逐漸產生BOG，導致罐箱壓力上升。計算罐箱的升壓過程，符合以下假設[11-12]：罐箱吸收的熱量全部來自環境熱傳遞，熱輻射忽略不計，傳熱熱流量計算中對流換熱熱阻忽略不計；環境溫度取江蘇南通四季平均溫度，具體見表3；罐箱兩側熱傳導符合多層平壁熱傳導規律，罐箱的圓筒段熱傳遞符合多層圓筒壁的穩定熱傳導規律；罐箱中的LNG與BOG溫度、壓力相等，均處于飽和相態。LNG取中石油江蘇如東LNG接收站的LNG組成，見表4。LNG溫度為-156 ℃。

表3 江蘇南通的四季平均溫度

表4 LNG組成

① 罐箱吸收熱量計算

如前所述，假設罐箱內容器與環境的熱傳遞符合多層平壁熱傳導和多層圓筒壁穩定熱傳導規律，則計算公式[13]分別為：

(1)

(2)

Φ=Φ1+Φ2

(3)

式中Φ1——環境通過罐箱兩個封頭向罐箱傳遞的熱流量，W

θn——環境溫度，℃

θ1——罐箱內LNG的溫度，℃

n——罐箱的材料層數

δi——第i層罐箱材料的厚度，m

λi——第i層罐箱材料的熱導率，W/(m·K)

A——罐箱兩個橢圓封頭的傳熱面積，m2

Φ2——環境通過罐箱圓筒段向罐箱傳遞的熱流量，W

L——罐箱圓筒段長度，m

di——第i層罐箱材料的圓筒段外直徑，m

di-1——第i-1層罐箱材料的圓筒段外直徑，m

Φ——環境向罐箱熱傳遞的熱流量，W

假設儲罐封頭為橢圓標準封頭，每個橢圓封頭表面積計算公式[4]為：

(4)

式中A1——罐箱每個橢圓封頭表面積，m2

df——罐箱橢圓封頭外直徑，m

假設每天日間和夜間的時間各12 h，則儲罐每天吸收的熱量計算結果見表5，儲罐全天吸收的熱量為17 745.88 kJ。

表5 儲罐每天吸收的熱量計算結果

② 罐箱儲罐升壓情況計算

假設罐箱的初始充裝率為0.9，利用PROⅡ軟件模擬計算得到罐箱內LNG的不同壓力所對應的溫度和焓值，計算得到單位壓力變化所對應的焓值變化及所需時間，同時繪制充裝率為0.9時罐箱的溫度-時間曲線和壓力-時間曲線，見圖2。

圖2 充裝率為0.9時罐箱的溫度-時間曲線和壓力-時間曲線

由圖2可以看出，隨著時間的推移，罐箱內溫度和壓力會逐漸上升，罐箱初始充裝率為0.9時，經過114 d罐箱內壓力會升高至罐箱的設計壓力0.79 MPa，如果壓力進一步增加，罐箱上的安全閥會自動開啟，釋放壓力，保證罐箱內壓力不高于設計壓力。

3.2 啟動制冷機時罐箱升壓計算

根據3.1節計算可知，罐箱儲罐平均吸收熱流量為205 W，為達到零放散的目的，每個罐箱選用2臺大功率斯特林制冷機，制冷量為400 W。

理想狀態下，假設制冷機冷損為零，即制冷機冷端產生的所有冷量均被飽和狀態下的LNG與BOG吸收，此時罐箱中的BOG既要吸收外界環境熱傳導的熱量，又要吸收制冷機的冷量。假設制冷機產生的冷量優先用于中和環境熱傳遞的熱量，剩余冷量全部被LNG與BOG吸收。利用PROⅡ軟件可以計算出不同壓力條件下儲罐中LNG與BOG的焓值變化，可進一步計算出開啟制冷機條件下罐箱儲罐的壓力-時間曲線，假定制冷機的啟動壓力為0.79 MPa，停機壓力為0.70 MPa，罐箱的初始充裝率為0.9，得到此時罐箱的壓力-時間曲線，見圖3。

圖3 啟動制冷機后罐箱的壓力-時間曲線

由圖3可以看出，未啟動制冷機情況下，隨著時間增加，罐箱儲罐的壓力呈近似指數增長的趨勢，制冷機啟動后，罐箱壓力呈規律波動，每一個壓力升降周期約為19 d，其中壓力從0.79 MPa下降至0.70 MPa所需時間為10 d，壓力從0.70 MPa上升至0.79 MPa所需時間為9 d，如此循環。

3.3 罐箱升壓的影響因素分析

① 制冷機停機壓力對罐箱升壓速度的影響

參照3.2節的假設及計算方法，分別計算罐箱初始充裝率為0.9，制冷機啟動壓力為0.79 MPa時，停機壓力分別為0.75、0.70、0.60、0.50、0.40 MPa時罐箱的升壓情況，繪制罐箱壓力-時間曲線，見圖4。由圖4可以看出，當啟動壓力相同，不同停機壓力下，罐箱壓力均會周期性變化，啟停壓差越小，罐箱壓力的變化周期越短。

圖4 制冷機相同啟動壓力、不同停機壓力時罐箱的壓力-時間曲線

進一步繪制不同停機壓力下(啟動壓力為0.79 MPa)，在一個壓力變化周期內，罐箱壓力的升壓時間、降壓時間、制冷機運轉時間占比的對比圖，見圖5。由圖5可以看出，不同停機壓力下，在一個壓力變化周期內，隨停機壓力的減小，升壓時間和降壓時間均增加，制冷機運轉時間占整個壓力變化周期的比例先減小后增大。在啟、停壓力為0.79、0.70 MPa時，一個壓力變化周期內，制冷機運轉時間占比最小，制冷機運轉更為節能。

圖5 制冷機不同停機壓力下，一個壓力變化周期內罐箱壓力的升、降壓時間和運轉時間占比

② 初始充裝率對罐箱升壓速度的影響

參照3.2節的假設及計算方法，計算制冷機啟、停壓力為0.79、0.70 MPa時，罐箱初始充裝率分別為0.6、0.7、0.8、0.9時罐箱的升壓情況，繪制罐箱壓力-時間曲線，見圖6。由圖6可以看出，初始充裝率越大，罐箱的升壓速度越慢，制冷機的啟停周期越長。

圖6 不同初始充裝率時罐箱的壓力-時間曲線

3.4 零放散LNG罐箱的經濟性分析

① 罐箱改造總費用

每個零放散LNG罐箱安裝斯特林制冷機2臺，每臺制冷機費用4×104元，每個罐箱改造費用1×104元，則每個罐箱的改造總費用為9×104元。

② BOG回收效益

理想狀態下，假設罐箱吸收的環境熱量均被飽和狀態下的LNG吸收，氣化為BOG。罐箱壓力達到設計壓力時即開啟安全閥放散，利用PROⅡ軟件，計算罐箱初始充裝率為0.9，壓力達到0.79 MPa時，罐箱中LNG的氣化潛熱為406.13 kJ/kg。根據前述計算可知，罐箱全天吸收熱量約為17 745.88 kJ，則平均每天罐箱放散的BOG質量為43.7 kg，即該罐箱平均每天回收的LNG質量為43.7 kg。取2018年江蘇如東LNG接收站的LNG平均零售價格為5.2 元/kg，則每天回收效益為227.24元/d。

③ 零放散罐箱運行費用

假設該罐箱的制冷機啟、停壓力為0.79、0.70 MPa，此時罐箱的一個壓力升降周期為19 d，其中降壓10 d，即制冷機運行10 d，則一個周期內制冷機平均每天的運行時間為0.53 d，取電費為0.7 元/(kW·h)，每臺制冷機功率為800 W，則2臺制冷機平均每天運行的電費為14.25 元/d。

④ 零放散罐箱改造的靜態投資回收期

靜態投資回收期是在不考慮資金時間價值的條件下，以項目的凈收益回收其全部投資所需要的時間。

零放散罐箱改造的總費用為9×104元，改造投產后每天的凈收益為每天的BOG回收效益扣除制冷機運行電費，即212.99元/d，則零放散罐箱改造項目的靜態投資回收期為423 d。后期運行每年的凈收益約為7.77×104元/a。

4 結論

① 應用制冷機的LNG罐箱能有效實現BOG液化回收，避免BOG放散。

② 當不啟動制冷機時，隨著時間的推移，罐箱內溫度和壓力逐漸上升。當啟動制冷機后，罐箱壓力呈先降后升的周期性波動。

③ 當啟動壓力相同時，不同停機壓力下，罐箱壓力均會周期性變化，啟停壓差越小，罐箱壓力的變化周期越短。在制冷機啟、停壓力為0.79、0.70 MPa時運行成本最低。初始充裝率越大，罐箱的升壓速度越慢，制冷機的啟停周期越長。

④ 該零放散罐箱改造項目的靜態投資回收期為423 d，后期運行每年的凈收益約為7.77×104元/a。