大型LNG储罐底部泡沫玻璃绝热层保冷性能

罗义英 周湘江 梁玉华 赵 鹏 王铁钢

(1嘉兴学院建筑节能研究所 浙江嘉兴 314001)

(2张家港中集圣达因低温装备有限公司 江苏张家港 215632)

(3嘉兴市燃气有限公司 浙江嘉兴 314000)

大型LNG储罐底部泡沫玻璃绝热层保冷性能

罗义英1周湘江1梁玉华2赵 鹏3王铁钢3

(1嘉兴学院建筑节能研究所 浙江嘉兴 314001)

(2张家港中集圣达因低温装备有限公司 江苏张家港 215632)

(3嘉兴市燃气有限公司 浙江嘉兴 314000)

通过理论分析和工程实例对比计算，得出泡沫玻璃绝热保冷层厚度与储罐底部冷损失、蒸发量、蒸发率关系式和关系曲线，证明在绝热层一定厚度范围内，冷损失、蒸发量、蒸发率均随绝热层厚度呈双曲线关系，降低较快，此后保冷性能趋于稳定。计算表明实际工程中所采用的绝热层普遍偏厚，如实例中绝热层厚度减少53.3%，冷损失仅为最大冷损失的7.58%，仅比实际值增加3.82%;日蒸发率为0.04%，仅比实际值增大0.02%，表明实际工程中大型LNG储罐底部绝热层厚度优化大有空间。

大型LNG储罐 底部绝热保冷 泡沫玻璃 保冷性能

1 引言

天然气的液态储存需将天然气在常压下深冷至-162℃才能液化储存，属于常压深冷。液化后天然气(LNG)体积仅为气态时的1/625，对于储存和远距离运输十分有利。储罐是其中的关键设备，世界上广泛采用安装在地面的双层金属圆筒形储罐，简称“地面储罐”。对LNG地面储罐而言，由于-162℃的液化天然气与地面环境之间的温差高达140—200℃，冷(热)传递在所难免。所以LNG低温储罐底部绝热保冷性能对储罐非常重要，因为如底部保冷差，会造成罐内冷量损失，或外界热量传入罐内(即漏热)，罐内底部液态天然气吸热蒸发，增大内外罐壁温度应力［1］，还可能引发超压、爆炸等安全［2-5］方面隐患。

LNG地面储罐绝热保冷材料主要采用珠光砂、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、玻璃纤维或软木等［6-9］。近年来，由于泡沫玻璃的发展及其优良的性能［10］，作为大型LNG地面储罐底部保冷材料［11］被采用。实际工程普遍存在绝热材料的导热系数以常温值代替低温值，绝热层取值偏大，增加储罐建设成本。对此，讨论了泡沫玻璃导热系数对储罐保冷性能的影响，并以长江三角洲地区某10 000 m3地面圆筒罐为例，建立保冷层厚度与冷损失和LNG蒸发量的关系方程式、关系曲线，探讨大型LNG储罐底部泡沫玻璃保冷层降低厚度的可能性。

2 泡沫玻璃保冷特性

泡沫玻璃被誉为节能工程的黑珍珠，由石英砂矿粉或碎玻璃粉掺入适量发泡剂，通过高温隧道窑炉加热焙烧和退火冷却加工处理后制得，内部具有75%—85%的0.5—1.0 mm独立封闭气孔的发泡体。应用领域涉及化工、制冷业、地铁及恒温恒湿工程和一般工业与民用建筑保温隔热等。

材料的导热系数是反映保冷性能的重要指标，泡沫玻璃导热系数并非定值，受多种因素影响。

(1)材料厚度。理论实践均证明保冷性能随厚度增大而增强。

(2)材料密度。一般来说，材料的密度越大，其传热、传冷能力越强，保冷性越差。泡沫玻璃密度一般为130—200 kg/m3。文献［12］根据其密度将泡沫玻璃分为140号、160号、180号、200号4种型号。

(3)材料微孔结构。泡沫玻璃的微孔有闭孔和开孔两种结构形式。闭孔结构即孔与孔各自独立互不相连通，孔内气体流动很弱，冷(热)传递能力差，保冷绝热能力强;开孔结构是孔与孔相互连通，孔内气体可以流通，对流换热能力增加，使保冷隔热能力降低。所以作为保冷绝热材料使用的是闭孔泡沫玻璃。

(4)材料内部孔径大小。材料内部的孔隙结构孔径越小，空间小，孔内气体量也少，气体流动能力差，对流换热较少，只有分子导热起作用，所以，冷热量损失也少，保冷绝热性能越好。

(5)工作温度。图1所示为浙江某企业生产的Ⅱ类泡沫玻璃不同温度的导热系数值。使用温度对泡沫玻璃的导热系数影响较大，文献［12］借鉴美国标准ASTMC552-2003，推荐用式(1)表示:

λ =λ25+0.000 183(t-25)+3.26×10-7(t-25)2(1)

图1 泡沫玻璃导热系数与温度的关系曲线Fig.1 Relationship between foam glass thermalconductivity and temperature

文献［13］的附录A将Ⅰ类(密度为120 kg/m3±8 kg/m3)和Ⅱ类(密度为160 kg/m3±10 kg/m3)泡沫玻璃导热系数，在使用温度-196—+200℃时分别表示为式(2)和式(3):

Ⅰ类泡沫玻璃制品:

Ⅱ类泡沫玻璃制品:

可见，泡沫玻璃的导热系数与温度的关系较复杂，实际使用时最好实测其导热系数。

3 LNG储罐底部构造实例

LNG储罐多为低温金属罐，由内罐和外罐构成，中间填充隔热材料。低温LNG储罐依据建造和安装分为地上罐、地下罐。针对应用广泛的地上双层金属罐讨论，以建于长三角地区某10 000 m3LNG圆筒形LNG地上储罐为例，内罐为0Cr18Ni9不锈钢，外罐为Q345R低合金钢，底板采用弓形边缘板与中腹板。内外罐壁中间夹层采用珠光砂填充加干燥氮气绝热，罐体内罐底板与外罐底部之间铺设泡沫玻璃砖绝热保冷，并在内罐筒壁正下方环形带采用珠光砂混凝土承压圈梁分配罐体重量，具体构造如图2所示，各层材料、厚度、物性见表1。

图2 LNG储罐底部绝热保冷层结构简图Fig.2 Insulation layer structure diagram of LNG storage tank bottom

表1 LNG储罐底部绝热保冷层材料及物性表Table 1 Insulating material and physical properties of LNG storage tank bottom

4 LNG储罐底部冷传导分析

液化天然气注入储罐后，罐内液体温度低至-162℃，罐体外为当地环境温度，罐体内外温度差达140—200℃，罐内外的冷热传递在所难免，对罐体影响不能忽视。以图2所示建于长三角地区某10 000 m3圆筒罐为例分析计算罐体底部的冷传递过程及冷量损失、蒸发率关系，为大型LNG储罐底部绝热层设计提供理论基础。

4.1 LNG低温储罐底部冷传递分析

LNG低温储罐底部冷(热)过程如图3所示，包括罐内液体与内罐底板的对流冷交换，内罐底板及承压层的冷传导，泡沫玻璃绝热层的冷传导，基础平台的冷传导以及平台外表面与环境空气的冷对流、冷辐射。其过程属于复合平板材料冷量传递过程。

图3 LNG储罐底部冷(热)过程示意图Fig.3 Thermal process diagram of LNG storage tank bottom

4.1.1 边界条件及假设

(1)LNG低温储罐底部罐体内外温差达140—200℃，远大于室外环境温度波动，忽略室外空气温度波动影响，储罐底部的冷传递采用稳态计算法。

(2)环境气象参数按建设地选取。

(3)底部可看作多层平壁结构传冷过程。

(4)罐内储存介质为-162℃液化天然气，在正常情况下，罐内液态处于静止状态，所以内罐底部内壁与液化天然气的对流换热根据文献［2］和《传热学》等计算为:αi=103.2 W/(m2·K)。

(5)底部外表面对流传热系数按保冷层厚度计算取值，应为:

式中:vw为年平均风速，2.25 m/s。

4.1.2 底部绝热层冷量损失确定

(1)设计条件冷量损失

在上述条件下，LNG储罐底部单位面积冷损失可用下式计算:

(2)储罐底部最大允许冷损失

查资料，储罐建设地夏季最热月室外计算温度Tw=28.5℃，相对湿度φ=80%，则Td=24.7℃;环境温度按照《工业设备及管道绝热工程设计规范》［13］应取常年运行的室外平均温度Ta=16.2℃，那么Ta-Td=-8.5℃ ＜4.5，LNG储罐的单位面积最大允许冷损失量应用式(6)计算:

(3)设计条件底部冷损失占最大允许冷量损失比例为:

4.2 LNG储罐底部泡沫玻璃保冷隔热层优化设计

4.2.1 储罐底部绝热保冷层厚度优化设计

按照文献［13］LNG储罐底部泡沫玻璃保冷板最小厚度应用式(8)计算:

计算得δ=240 mm，其中泡沫玻璃的导热系数按图1取为λ=0.024 W/(m·K)。

根据最大允许冷损失计算出的底部保冷板最小厚度为250 mm，修正后为280 mm，即泡沫玻璃保冷板的最小设计厚度应为280 mm。

4.2.2 储罐底部绝热保冷层优化厚度下冷损失

在储罐底部绝热保冷层优化厚度条件下，底部冷损失根据式(5)计算应为:

占最大冷损失的比例为:

由此可见，绝热保冷层厚度由600 mm降至280 mm，冷量损失占最大允许冷量损失比例只增加了3.82%，说明实例中储罐底部绝热层过厚，有较大优化潜力。

4.3 底部保冷厚度与冷损失的关系

由于LNG储罐常年运行，根据当地气象条件，当地环境温度取为16.2℃，底部保冷层厚度与单位面积冷损失的关系为式(9)，10 000 m3圆筒罐底部计算冷损失量为:

式中:T0=-162℃，Ta=16.2℃，储罐外径为D0=27.0 m，储罐内径为D1=25.0 m，内罐底部面积为F=490.62 m2，底部最大允许冷损失为87 747 W。整理式(9)得底部绝热层厚度与冷损失的关系如式(10):

底部绝热层厚度与冷损失的关系曲线如图4，由图4可得出:

(1)LNG储罐冷损失与储罐底部绝热层厚度呈双曲线函数关系。当不设保冷层时，冷损失达到近60 000 W，占底部最大允许冷损失(冷损失率)68.4%，说明设置保冷层十分必要。

(2)当保冷层厚度 δ=100 mm时，冷损失为15 541 W，冷损失率降为17.7%;当保冷层δ=280 mm时，冷损失小于6 660 W，冷损失率降至7.58%，并渐趋稳定，也就是说在280 mm范围内增加保冷层厚度，对LNG储罐保冷效果贡献非常显著。

(3)当保冷层δ由280 mm增至600 mm时，总冷损失仅仅减少3 357 W，冷损失率降至3.76%，仅减少3.82%，可见单从保冷角度考虑，实例罐底部保冷层厚度设600 mm不太经济，减小厚度是可行的。

4.4 底部保冷层厚度对LNG蒸发量的影响

由文献［14］查得，在-160℃时，天然气的汽化潜热r=500 kJ/kg，LNG的蒸发量为:

其中G为LNG的蒸发量，kg/h。

图4 LNG储罐底部保冷板厚度与冷损失的关系Fig.4 Relationship between insulation thickness andcold loss of LNG storage tank bottom

LNG失去冷量即相当得到热量，整理式(11)得绝热层厚度对LNG蒸发量的影响关系为:

底部绝热层厚度与LNG蒸发量曲线见图5，由图5可知:

(1)LNG储罐蒸发量、蒸发率与储罐底部绝热层厚度呈非线性函数关系。当绝热层厚度δ＜100 mm时，蒸发率随绝热层厚度增加而减少，且减少较快;特别是不设保冷层时，蒸发量达390 kg/h，日蒸发率达到0.32%，说明底部必须设置绝热保冷层。

(2)当保冷层厚度δ＞100 mm时，日蒸发率小于0.10%;随绝热层厚度增加而减少，当绝热层δ=280 mm时，日蒸发率小于0.04%，并渐趋稳定，即在0—100 mm范围内增加保冷层厚度，对LNG储罐保冷防止液态天然气蒸发效果显著。

(3)当绝热保冷层δ由280 mm增至600 mm时，绝热层厚度增加近2倍，日蒸发率仅仅减少0.02%;相关标准规定LNG储罐日蒸发率不大于0.10%即可确保储罐安全。可见从防止LNG蒸发角度考虑，实例罐底部保冷层厚度设600 mm偏厚不太经济，优化降低厚度值得考虑。

图5 底部绝热层厚度与LNG蒸发量的关系Fig.5 Relationship between insulation thickness and evaporation amount of LNG storage tank bottom

5 结语

通过10 000 m3大型LNG储罐底部绝热保冷层冷传递和冷损失分析，得出泡沫玻璃绝热层厚度与LNG储罐冷损失、蒸发量、蒸发率的关系式和关系曲线，根据实例工程中所用底部绝热保冷层偏厚，提出底部绝热层厚度降低53.3%时，冷损失只占最大冷损失的7.58%，只比实际值增加3.82%;LNG日蒸发率为0.04%，仅比实际蒸发率大0.02%，能够满足工程需要。建议工程应用时应结合试验、数值模拟优化设计。

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12 中华人民共和国发展和改革委员会.泡沫玻璃绝热制品(JC/T647-2005)［S］.北京:中国建材工业出版社，2005.

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Cold performance of foam glass insulation in the large LNG tank bottom

Luo Yiying1Zhou Xiangjiang1Liang Yuhua2Zhao Peng3Wang Tiegang3

(1Institute of Building Energy Conservation，Jiaxing University，Jiaxing 314001，China)(2Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co.，Ltd.，Zhangjiagang 215632，Jiangsu Province，China)
(3Jiaxing City Gas Co.，Ltd.，Jiaxing 314000，China)

Relationship between the layer thickness of a foam glass cold insulation and cold loss，evaporation capacity，evaporation rate of the tank bottom were obtained by comparing the theoretical analysis and engineering examples calculation.The result shows that the cold insulation layer thickness exhibit hyperbolic function relationship with the cold loss，evaporation capacity and evaporation rate in a certain range.Cold performance of foam glass cold insulation decreases rapidly with the layer thickness at first but tends to be stable.Calculation result shows that the cold insulation thickness widely used in actual project is always too thicker.For an instance，if the cold insulation thickness is reduced by 53.3%，the cold loss reduces only 7.99%of the maximum design cold loss，which is only 3.82%larger than the actual value.Meanwhile，the daily evaporation rate is 0.05%，which is only 0.02%larger than the actual value.For the large LNG tank used in actual project，there is great space in optimizing the bottom insulation thickness.

large LNG storage;bottom cold insulation;foam glass;cold performance

罗义英，女，45岁，硕士、副教授。

TB661、TE821

A

1000-6516(2011)06-0032-05

2011-10-14;

2011-11-07

浙江省科技厅公益应用科研项目(2010C31084)、浙江省科技计划项目(2009C31042)资助。