LNG儲罐絕熱系統設計及經濟性分析

張蓬菲　王康　劉志乾　張洲

摘 要：為了探究LNG儲罐的最佳經濟效益，從罐底、罐壁和罐頂三個方面對儲罐的保冷系統進行優化，分析每種保冷材料對儲罐漏熱量的影響。以國內某20萬m3的LNG儲罐為基礎，計算不同保冷方案下節約的成本，為LNG儲罐的保冷設計優化提供了依據。

關鍵詞：保冷；LNG；漏熱量；儲罐

中圖分類號：TE821? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）09-0066-03

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.019

0? ? 引言

作為21世紀最清潔高效的能源，天然氣被愈發廣泛地應用在各個工業領域。天然氣密度小、體積大，運輸存儲成本很高，所以國際間天然氣的運輸很多都是先將天然氣液化，再采用液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）船運輸的方式。運輸到碼頭的液化天然氣儲存在LNG儲罐中，然后往外輸送，以滿足生活和工業需求[1]。

LNG在儲罐中的溫度在-160 ℃左右，儲運過程中，外界熱量傳入罐內，會引起LNG蒸發，造成一定的經濟損失，如果漏熱嚴重，還會帶來安全隱患。可見，絕熱保冷是LNG儲罐的重要特性，而最大日蒸發率則是衡量其效果的重要指標。

1? ? 儲罐的保冷系統

儲罐保冷分為罐底保冷、罐壁保冷以及罐頂保冷三部分，不同部分的保冷措施各不相同。影響儲罐保冷性能的因素主要有保冷材料的導熱率、保冷層厚度、環境溫度等等[2]。下面針對不同的保冷部分分別進行分析。

1.1? ? 罐底保冷

罐底保冷系統由罐底中心區域保冷、罐底環梁區域保冷和罐底邊緣保冷三部分組成[3]。罐底保冷系統除了要起到保冷作用之外，還要對整個儲罐起支撐作用，所以要求罐底保冷材料有一定的承壓能力。泡沫玻璃磚是目前最常用的罐底保冷材料，根據鋪設位置的不同，要選用不同抗壓強度的玻璃磚，位于邊緣區域的采用高強度玻璃磚，中心區域采用普通玻璃磚。

1.2? ? 罐壁保冷

儲罐罐壁的保冷材料通常為膨脹珍珠巖和彈性氈，由于內外罐受到溫度變化會產生收縮或膨脹，填充的珍珠巖會發生沉降，彈性氈可以緩解膨脹珍珠巖的沉降，還可以緩沖珍珠巖對儲罐的壓力[4]。

1.3? ? 罐頂保冷

罐頂保冷材料為玻璃棉，玻璃棉覆蓋在內罐頂部，將內罐與罐頂的空間隔離開，能有效減少熱對流，對儲罐進行隔熱[5]。

2? ? 儲罐漏熱量計算

2.1? ? 罐底漏熱量計算

罐底的漏熱速率計算公式如下[6]：

式中：Qbottom為罐底總漏熱速率（W）；Qb-center為罐底中心區域的漏熱速率（W）；Qb-edge為罐底邊緣區域的漏熱速率（W）；Ab-center為罐底中心區域的換熱面積（m2）；Ab-edge為罐底邊緣區域的換熱面積（m2）；Ta為罐底溫度（℃），取極端最高氣溫；TLNG為LNG的溫度（℃）；λ為保冷層保冷材料的導熱系數[W/（m·k）]；δ為保冷層保冷材料的厚度（m）。

2.2? ? 罐壁漏熱量計算

罐壁上部的漏熱速率計算公式如下：

式中：Qgb為罐壁上部的漏熱速率（W）；AsA為罐壁上部的換熱面積（m2）；Ts為罐壁上部的外表面溫度（℃）；TLNG為LNG的溫度（℃）；λ為保冷層保冷材料的導熱系數[W/（m·k）]；δ為保冷層保冷材料的厚度（m）。

罐壁下部的漏熱速率計算公式如下：

式中：QTCP為罐壁下部的漏熱速率（W）；AsB為罐壁下部的換熱面積（m2）；TTCP為罐壁下部的外表面溫度（℃）；TLNG為LNG的溫度（℃）；λ為保冷層保冷材料的導熱系數[W/（m·k）]；δ為保冷層保冷材料的厚度（m）。

2.3? ? 罐頂漏熱量計算

罐頂的漏熱速率計算公式如下：

式中：Qgd為罐頂總漏熱速率（W）；Qa為穹頂漏熱速率（W）；Qb為罐頂拉桿、人孔、吊頂泄放孔的漏熱速率（W）；Ar為穹頂的換熱面積（m2）；Ab為拉桿、人孔、吊頂泄放孔的傳熱面積（m2）；Ta為罐頂溫度（℃）；TLNG為LNG的溫度（℃）；λ為保冷層保冷材料的導熱系數[W/（m·k）]；δ為保冷層保冷材料的厚度（m）。

3? ? 計算結果

根據LNG儲罐各部分漏熱量計算方法，以國內某20萬m3的儲罐為例，代入當地環境參數、儲存介質參數以及儲罐結構參數，計算LNG儲罐各部分漏熱量的占比，探究對于LNG儲罐來說哪一部分的漏熱量占比最大。

圖1所示為計算結果，可知整個儲罐的漏熱量集中在罐底和罐壁上，罐頂的漏熱量相對較少。圖2為20萬m3儲罐單位面積的漏熱量占比，可分析得知，儲罐整體上罐壁的漏熱量之所以能占據40%，是因為罐壁的漏熱面積較大，從單位面積漏熱量來看，主要漏熱還是發生在罐底部分。

4? ? 經濟性分析

同樣以某項目20萬m3的儲罐為例，針對不同的保冷措施對儲罐的保冷結構進行優化，降低天然氣的蒸發率。

4.1? ? 罐頂保冷優化

針對罐頂保冷方案進行優化，已知罐頂保冷主要依賴于玻璃棉對熱量的隔絕，因此增加玻璃棉的厚度，分析不同厚度的玻璃棉對整個儲罐保冷系統的影響。

對20萬m3儲罐罐頂玻璃棉分別加厚0.1 m、0.2 m，然后計算整個儲罐的漏熱量以及相關成本。

由圖3中數據可知，玻璃棉增厚0.1 m后，單個儲罐每天將減少漏熱量199 MJ，換算成質量為每個儲罐每天將節省0.389 t天然氣，按天然氣3 000元/t的價格換算，每個儲罐每年將節省成本42.6萬元，按照儲罐的設計壽命50年計算，將節省2 130萬元。此外，增厚0.1 m玻璃棉將增加成本8.28萬元。玻璃棉增厚0.2 m后，單個儲罐每天將減少漏熱量368 MJ，換算成質量為每個儲罐每天將節省0.722 t天然氣，每個儲罐每年將節省成本79萬元，按50年計將節省3 950萬元；另一方面，增厚0.2 m玻璃棉將增加成本16.56萬元。

4.2? ? 罐底保冷優化

針對罐底保冷方案進行優化，已知罐底保冷主要依賴于玻璃磚對熱量的隔絕，因此增加玻璃磚的厚度，分析不同厚度的玻璃磚對整個儲罐保冷系統的影響。

對20萬m3儲罐罐底玻璃磚分別加厚25、50、75、100 mm，然后計算整個儲罐的漏熱量以及相關成本。

由圖4數據可知，玻璃磚增厚25 mm后，每個儲罐每天將減少漏熱量375.8 MJ，換算成質量為每個儲罐每天將節省0.74 t天然氣，每個儲罐一年將節省成本81.18萬元，50年將節省4 059萬元，增厚25 mm后玻璃磚將增加成本30.9萬元；玻璃磚增厚50 mm后，每個儲罐每天將減少漏熱量803.4 MJ，換算成質量為每個儲罐每天將節省1.58 t天然氣，每個儲罐一年將節省成本173.5萬元，50年將節省8 675萬元，增厚50 mm玻璃棉將增加成本61.85萬元；玻璃磚的厚度增75 mm，每個儲罐每天將減少漏熱量1 158.5 MJ，換算成質量為每個儲罐每日將節省2.28 t天然氣，一年每個儲罐將節省成本250.2萬元，50年將節省12 510萬元，增厚75 mm玻璃棉將增加成本92.78萬元；玻璃磚增厚100 mm后，每個儲罐每天將減少漏熱量1 489.6 MJ，換算成質量為每個儲罐每天將節省2.94 t天然氣，每個儲罐一年將節省成本321.7萬元，50年將節省16 085萬元，增厚100 mm玻璃磚將增加成本123.7萬元。

4.3? ? 罐壁保冷優化

針對罐壁保冷方案進行優化，已知罐壁保冷主要依賴于彈性氈對熱量的隔絕，因此增加彈性氈的厚度，分析不同厚度的彈性氈對整個儲罐保冷系統的影響。

對20萬m3的儲罐罐底彈性氈分別增厚20 mm和50 mm，計算整個儲罐的漏熱量以及相關成本。

由圖5數據可知，彈性氈增厚20 mm后，單個儲罐一天將減少漏熱量29.2 MJ，換算成質量為單個儲罐每日將節省0.05 t天然氣，一年四個儲罐將節省成本5.46萬元，50年將節省273萬元，增厚20 mm彈性氈將增加成本102.2萬元；彈性氈厚度增加50 mm，單個儲罐一天將減少漏熱量66.9 MJ，換算成質量為單個儲罐每日將節省0.12 t天然氣，一年每個儲罐將節省成本13.58萬元，50年將節省679萬元，增厚50 mm彈性氈將增加成本255.5萬元。

根據計算結果，分析投入成本回報率，分析結果如圖6所示。

分析圖6數據可知每多投入1元成本，不同保冷方案下的成本回報率。從數據可以看出，并不是保冷材料越厚，成本回報率越高。例如，在罐頂保冷中，玻璃棉增厚10 mm比增厚20 mm成本回報率更高；在罐底保冷中，玻璃磚增厚50 mm的方案效益最高；在罐壁保冷中，0.32 m彈性氈比0.35 m彈性氈的成本回報率更好。

5? ? 結論

本文通過對LNG儲罐漏熱量的計算，得出儲罐各部分漏熱量的占比，并針對不同的保冷措施分別對儲罐保冷進行優化，得到的一系列數據表明，并不是保冷材料用料越多儲罐帶來的經濟效益越高，而是要結合投入成本綜合對比，根據儲罐實際設計方案進行計算，才能更好地提高儲罐帶來的經濟效益。

[參考文獻]

[1] 馮建周，王雅婷，王建鵬，等.淺談全容式地上LNG儲罐保冷結構及蒸發率影響因素[J].石化技術，2019，26（6）：41-42.

[2] 邢志祥，陳浩鵬，楊亞蘋，等.大型LNG儲罐罐壁漏熱與保冷層的優化研究[J].消防科學與技術，2019，38（10）：1374-1377.

[3] 楊絲桑，相華.LNG全容儲罐保冷系統及其性能探究[J].天然氣與石油，2016，34（4）：65-69.

[4] 揚帆，張超，陳銳瑩，等.LNG轉運站儲罐日蒸發率設計探究[J].天然氣化工（C1化學與化工），2020，45（5）：103-105.

[5] 杜利順，曹巖，許學斌，等.大型低溫儲罐漏熱分析及計算方法[J].化工設計，2021，31（2）：6-9.

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

收稿日期：2023-02-08

作者簡介：張蓬菲（1993—），女，天津人，機械工程師，從事LNG接收站及儲罐的低溫設備相關領域工作。