LNG儲罐低溫絕熱性能的研究

吳福龍，李蘇澄

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

隨著社會的發展，天然氣的應用也越來越廣泛。常壓下，LNG的體積約為標準工況下氣態體積的1/625，溫度在-162℃左右，通常被儲存在LNG低溫儲罐中。LNG儲罐一般為微正壓低溫狀態，外部有絕熱保溫材料覆蓋，所以，在設計時要考慮絕熱保冷性能。LNG低溫儲罐的絕熱保冷性能直接影響能耗量。對于低溫儲罐，熱量會通過傳導、對流和輻射等方式傳入儲罐中，從而導致部分LNG氣化成為BOG氣體?；诖耍疚膶NG絕熱性能進行了研究。

1 低溫儲罐絕熱設計

本文以地下儲罐為例，研究的LNG儲罐體積為30000m3，儲罐的設計參數如表1所示。LNG儲罐絕熱保冷材料的基礎數據如表2所示。儲罐的運行溫度和運行壓力參考相關文獻而確定。

表1 LNG儲罐基礎數據

表2 LNG儲罐絕熱材料基礎數據

1.1 確定最大的BOG蒸發率

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

圖1 不同容量的LNG儲罐甲烷含量與BOG日蒸發率的關系

圖2 縱坐標截取值的線性擬合

根據圖2，可以計算出30000m3儲罐的縱坐標截取值，從而得到日允許最大的BOG蒸發率，如式（1）所示：

式中，y為BOG日蒸發率；x為重甲烷的百分比?？梢杂嬎愠霎敿淄闈舛葹?0.1%時，BOG日最大蒸發率定義為0.0667%。計算出來的BOG蒸發率應該與文獻中提出的0.05%進行比較，也與低的0.039%進行比較，以分析在儲罐絕緣方面的投資差異。

1.2 進入LNG儲罐的熱量

為了確定總熱量輸入，并確定滿足日BOG蒸發率小于或等于所獲得的結果所需的絕緣材料，有必要評估進入艙內的總熱量，從而通過迭代方法計算出實際的BOG蒸發率，直到將絕緣材料設計成定義的最大BOG蒸發率且不受全年氣候條件影響。

在此基礎上，通過對儲罐底部、艙壁和頂部三個不同部位的分析?？偀崃枯斎肴缡剑?）：

為了考慮這一年的氣候差異，分別對冬季無風及夏季強風條件進行研究。

（1）底部漏熱量計算。根據傅里葉熱傳導定律。已知儲罐罐體運行溫度為-164℃，土壤溫度幾乎是恒定的，設置為16℃，因此，可以確定壁面溫度。罐體底部這部分熱量的計算考慮為一個多層壁結構進行分析。每層的絕熱層熱阻計算如式（3）：

將式（4）～（6）為計算各層絕熱材料層的熱量：

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

計算出總熱量，然后就可以計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）側壁漏熱量計算。LNG儲罐側壁的熱量計算是對壁面的幾層絕熱材料應用基于熱傳導原理的傅里葉定律。在考慮儲罐高度、半徑和各層絕熱材料的導熱系數后，根據式（9）單獨考慮導熱，計算各層的熱阻：

側壁總熱量之和也參考罐體底部的熱量計算方法如式（8）：

只要計算出總熱量輸入，就可以用式（9）計算出每一層側壁的表面溫度：

（3）頂部漏熱量計算。為了計算這個復雜界面的熱量輸入，分別分析了熱輸入源、入射輻射、環境溫度和相關對流作用。通過等效傳熱圖方式的熱量輸入計算如圖3。為最高表面溫度，

圖3 等效傳熱示意圖

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

由上兩圖可以推導出如下公式：

由上兩式可推導出式：

確定在無風條件下（風速約為1.34m/s）風的影響系數為10W/m2·k，在強風條件下（50m/s）影響系數為90W/m2·k。

1.3 通過管路及泵送系統的熱量

為了計算通過管路和泵進入LNG系統的熱量，需要確定管道的長度、直徑、管道保溫厚度和導熱系數以及LNG/BOG的流速。

下式分別計算LNG在管道中的流速、普朗特數Pr、雷諾數Re、努賽爾數Nu和傳熱系數h0。

最后，通過管道傳輸的熱量為：

由管道受熱而影響BOG產生速率的關系如下式所示：

對于計算通過裝卸泵進入的熱量，傳熱過程的計算如式（23）所示：為安全系數；

通過泵進入的熱量影響BOG產生速率的關系表達式如式（24）所示：

2 計算結果討論

2.1 儲罐漏熱量計算

根據所確定的BOG日蒸發率（0.067%、0.050%和0.039%）三種工況，計算了各自工況下進入LNG儲罐的熱量以及BOG和LNG的體積，BOG的質量。在計算結果中考慮了在夏季（強風條件）和冬季（無風條件下）的情況。計算結果見表3。

表3 不同工況下儲罐底部、頂部和側壁的參數計算結果

從結果看出，BOG的蒸發率和溫度的改變不會影響從罐底和罐側壁進入的熱量，當BOG蒸發率增大時，從罐頂傳導的熱量在增加，BOG量也會增加，此外，在強風條件下的夏季且BOG日蒸發率為0.067%的最差工況下，其BOG量比最佳工況下增加了40.1%。

BOG蒸發率為0.039%時，在冬天每天產生4957.90kg氣體，夏天產生5092.18kg，在0.067%時冬天產生7940.13kg，夏天產生8328.27kg。在夏天產生的BOG平均要比冬季多出3%～5%，且蒸發率0.067%要平均比0.039%下BOG的產量高出36%左右。

2.2 通過管路和泵的熱量

在前文對通過管路和泵的熱量計算分析時，計算中使用的管線長為220m，流量為1000m3/h，管徑為0.41m，絕緣層厚度為0.23m，熱導率為0.04W/m·K。在計算通過泵進入的熱量時考慮了2臺LNG泵，泵的揚程為41m，泵的效率為0.8。在計算中所考慮夏天和冬天的溫度為當季平均溫度，分別為8℃和25℃，LNG的溫度為-161℃。在BOG計算中考慮了5%的設計裕度。表4給出了經過管線和泵的熱量結果。

表4 LNG系統通過管線和泵進入的熱量計算結果

對經過管線和泵的BOG體積、LNG體積和BOG質量進行了計算。如表5所示。通過計算總熱量，如表6所示。

表5 經過管線的BOG計算結果

表6 儲罐不同運行模式下熱量產生的計算結果

3 結語

本文通過研究地下儲罐不同位置的熱量傳導以及計算出儲罐不同運行狀態下的熱量結果，得出了以下結論：

地下儲罐的一大優點就是熱量主要是通過罐頂進入的，而罐其他部位的熱量進入量都是非常穩定的，能夠簡化儲罐絕緣層的設計；由于地下儲罐結構特性前期建造成本較高，但其能有效控制熱量的傳導，能夠最大化地減小對流和輻射等方面的影響，對后期BOG處理方案的成本控制也十分有利；通過分別對這三種工況下進行分析，給后續儲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。