大型LNG低温储罐保冷标准与性能计算

吴文海，岳鹏，马文庆

1.西安石油大学机械工程学院(陕西西安710065)

2.陕西延长石油化建股份有限公司(陕西西安712100)

3.西安石油大学材料科学与工程学院(陕西西安710065)

大型LNG低温储罐保冷标准与性能计算

吴文海1，2，岳鹏1，马文庆3

1.西安石油大学机械工程学院(陕西西安710065)

2.陕西延长石油化建股份有限公司(陕西西安712100)

3.西安石油大学材料科学与工程学院(陕西西安710065)

利用ANSYS软件对LNG低温储罐的罐底、罐壁及罐顶进行温度场的模拟，并将模拟结果和标准值进行对比验证。对罐底、罐壁及罐顶绝热部分进行数值模拟计算，最终得到保冷设计在保冷性能方面可以满足工程需要。

漏热量;低温储罐;热传导

1 大型LNG低温储罐保冷标准

全容式LNG低温储罐的储存介质需要-165℃来存储，储罐的保冷性能是LNG低温储罐的一项重要指标［1］。12万m3全容式LNG低温储罐为低温微正压状态，为了确保储罐中的冷量，金属内罐与混凝土外罐之间有保冷材料填充，主要分为顶部、罐壁、底部3大部分，保冷材料将减少罐内的LNG与外界环境之间的热量传递，避免造成LNG的气化和翻滚［2］。

全容式LNG低温储罐的低温特性要求储罐必须具有完善的保冷绝热性能，以防止外界热量的漏入［3］。针对大型的LNG低温储罐，热量交换的方式有:传导、对流、辐射等。热量的交换会导致低温储罐中部分液化天然气发生气化，产生蒸发气体(Boiloff Gas，简称BOG)。在国际上通用的标准BS EN-14620-2-2006《设计和现场建造立式、圆筒形、平底、钢制、操作温度介于0℃～-165℃的冷却液化气储罐第二部分:金属构件》是将满罐作为基准，根据储罐的容量来规定气化率，液化天然气(LNG)气化率见表1。

2 LNG低温储罐保冷设计

全容式LNG低温储罐主要由金属内罐、内外罐之间的保冷、以及预应力钢筋混凝土外罐材料以及其他工艺仪表及管线组成［4］。保冷材料的填充根据区域分布分为3部分，罐顶、罐壁、罐底。

表1 LNG低温储罐气化率控制要求

2.1 金属内罐顶部漏热量计算

储罐顶部的结构:内罐的顶部为铝合金吊顶，通过吊杆连接到外罐拱顶，吊顶上方敷设有保冷材料，在铝合金吊顶和内罐壁顶部设有柔性密封装置，顶部的常规绝热设计是在铝吊顶的上方，铺设玻璃纤维毡。

在储罐顶部自然漏热量的计算过程中，涉及公式为:

式中:q顶是LNG低温储罐顶部单位面积上传热量，W/m2;λ是顶部保冷材料玻璃纤维毡导热系数，W/(m·℃);d是顶部保冷材料玻璃纤维毡厚度，m;t2是LNG低温储罐吊顶上方气体温度，℃;t1是LNG低温储罐吊顶下方蒸发气体温度，℃。

顶部漏热量Q顶:

式中:Q顶是顶部总漏热量，单位为W;A顶是LNG低温储罐顶部保冷层面积，单位为m2。根据实测数据，LNG低温储罐吊顶下方的蒸发气温度一般在-100℃左右。

2.2 金属内罐底部漏热量计算

金属内罐底部主要以热传导进行传热。使用泡沫玻璃砖作为绝热材料，该材料的耐压强度足够承受液体与内罐的总重量。在泡沫玻璃砖的之间要铺设油毡，最上层和最下层泡沫玻璃砖要铺设一层干沙找平层，在内罐壁下方需铺设一层珍珠岩混凝土支承圈，用以支撑整个内罐壁的重量。

计算罐底漏热的过程中，罐底边缘区域(底圈罐壁下方)的保冷层和中心部位的保冷层存在差异。在漏热量的计算过程中，需要将罐底的漏热分为中心部分和支承圈部分，并分别计算。

2.2.1 罐底中心部分

罐底部中心部分传热系数:

式中:a中心为罐底部中心部分传热系数，W/(m2·k);d1-5为各保冷层厚度，m;λ1-5为各保冷层导热系数，W/(m·k)。

单位面积的传热量:

式中:t1为LNG储罐液体温度，℃;t2为LNG储罐混凝土基础维持温度，℃(一般情况下，t1取-165℃，取t2为20℃);q中心为单位面积传热量，W/m2。

罐底中心漏热量:

式中:Q中心为底部中心总漏热量，W;A中心为罐底中心面积，m2。

2.2.2 罐底支承圈部分

罐底部支承圈部分传热系数:

式中:a支撑圈为罐底部支承圈部分传热系数，W/ (m2·k);d1-5为各保冷层的厚度，m;λ1-5为各保冷层导热系数，W/(m·k)。

单位面积的传热量:

式中:t1为LNG储罐液体温度，℃;t2为LNG储罐混凝土基础维持温度，℃，(一般情况下，t1为-165℃，t2为20℃);q支承圈为单位面积传热量，W/m2。

罐底支承圈漏热量:

式中:Q支承圈为底部支承圈总漏热量，W;A支承圈为罐底支承圈面积，m2。

罐底的总漏热量是罐底中心和罐底支承圈2部分漏热量之和。

2.3 金属内罐罐壁漏热量计算

目前绝大部分大中型LNG低温储罐内外罐之间以珍珠岩作为填充物。为了减弱因温度变化而使内罐承受的外压，在内罐罐壁外侧覆盖一层具有较好回弹性能的弹性毡(玻璃纤维棉)，利用弹性毡来缓解珍珠岩对内罐施加的外压力。

在计算罐壁漏热量的过程中，涉及了2种保冷材料;

侧面总传热系数:

式中:a侧为储罐侧面的总传热系数，W/(m2·k); λ1为弹性毡的导热系数，W/(m·k);d1为弹性毡的厚度，m;λ2为膨胀珍珠岩的导热系数，W/(m·k);d2为膨胀珍珠岩的厚度，m。

2.4 LNG低温储罐的总漏热量和日蒸发量

通过对LNG低温储罐3个不同部位漏热量的计算，最终能够获得储罐总的自然漏热量:

式中:Q总为日漏热量，kJ/d。

LNG低温储罐日蒸发率:

式中:α为储罐日蒸发率，%;G为储罐内LNG总容量，kg;m为LNG日蒸发量，kg/d;Lb为LNG的气化潜热，kJ/kg;Ve为储罐的有效容积，m3;ρ为LNG的密度，kg/m3。

3 LNG低温储罐绝热部分数值模拟

引入ANSYS对温度场的模拟可得到LNG储罐一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数［5］，如热量的获取或损失、热梯度等，利用ANSYS对LNG储罐的罐底、罐壁及罐顶进行温度场的模拟，并将模拟结果和标准值进行对比验证。

3.1 罐壁绝热部分

采用PLANE182单元建立罐壁绝热部分的局部模型，该模型真实的建立了罐壁、弹性毛毡、膨胀珍珠岩、混凝土罐壁，并将各种材料的传热系数、厚度等因素考虑在内，使模拟结果更加接近实际情况。

图1 罐壁温度分布云图

由图1可见，LNG内罐罐壁与混凝土罐壁温差182℃，内罐罐壁温度为-165℃(111.6K)，混凝土内罐罐壁温度为21℃(293.87K)，温度梯度主要在保冷层发生，说明弹性毡与膨胀珍珠岩组成的保冷层很好的阻止了外界热量流入罐内。

通过一系列的数值计算可得:罐壁热流密度为7.126W·m2。经过换算可得:LNG储罐罐壁漏热量为47 627W。

3.2 罐底绝热部分

罐底绝热部分的模拟，根据罐底结构及敷设保冷材料的不同分为两部分:中心部分和边缘支撑圈部分。边缘支撑圈部分需要在满足保冷性的前提下，有足够的强度支撑罐壁所带来的压力。

通过模拟计算，混凝土外罐罐底温度为20℃(297.8K)，内罐罐底温度为-165℃(111.6K)，LNG混凝土外罐罐底与内罐罐底温差达186℃，温度梯度主要在保冷层，这说明外界热量很难从罐底流入罐内，保冷层很好的阻止了热传导现象的进行。

通过数值计算得出，边缘带混凝土支撑圈部分热流密度为8.53W·m2，罐中心部分热流密度为7.621W·m2，罐底边缘漏热量要大于罐底中心。将两部分的漏热量进行加和可得:LNG低温储罐罐底总漏热量为26 244W。

3.3 罐顶绝热部分

LNG低温储罐在罐顶采取的保冷措施主要是在金属内罐的吊顶上敷设一定厚度的玻璃纤维毡。

通过模拟计算，LNG低温储罐罐顶温度梯度分布方向基本与罐顶垂直。混凝土外罐顶温度下降幅度较小，吊顶与拱顶之间的气相空间为主要降温区域。

通过数值计算得，罐顶热流密度范围为0.22～2.2W·m2。若将罐顶分为中心区和边缘区两部分，分别取平均值进行换算，可得LNG低温储罐罐顶热量为17 691W。

通过对LNG低温储罐3个不同部位漏热量的计算，最终能够获得储罐总的自然漏热量:

LNG储罐的日蒸发率:

参考表1中的标准值:α=0.027 1%＜0.05%

4 结论

1)利用有限元模拟方法对全容式LNG低温储罐进行了温度场方面的计算，将数值模拟结果与标准要求进行对比。该12万m3的LNG储罐达到了标准规定值。

2)通过数值模拟，全容式LNG低温储罐通过在罐壁铺设弹性毛毡、膨胀珍珠岩;罐底绝热材料使用泡沫玻璃砖，在泡沫玻璃砖之间铺设油毡，在内罐壁下是一层珍珠岩混凝土的支承圈;金属内罐的吊顶上敷设一定厚度的玻璃纤维毡;这些保冷设计在保冷性能方面可以满足工程需要。

3)但是在实际中，由于膨胀珍珠岩的沉积，罐底绝热材料泡沫玻璃砖的压缩，玻璃纤维毡保温性能的劣化，整个储罐的保冷性能会下降。

根据计算，整个储罐的保冷性能和标准值相比还是有富余的。

［1］GB/T 26978-2011现场组装立式圆筒平底钢质液化天然气储罐的设计与建造［S］.

［2］黄莉.大型LNG储罐气相空间模拟研究［D］.成都:西南石油大学，2005.

［3］周永春，刘浩.LNG低温储罐绝热性能的探究［J］.化工设计，2010，20(2):17-19.

［4］李海润，徐嘉爽，李兆慈.全容式LNG储罐罐体温度场计算及分析［J］.油气储运，2012，30(4):15-19.

［5］孙恒，余庭，马文华，等.LNG大型储罐角保冷块处温度场的有限元分析［J］.低温技术，2011，38(4):15-17.

The temperature fields of the bottom，the wall and the roof of the LNG cryogenic storage tank are simulated using ANSYS software，and the simulation results are compared with the standard values.The results show that the insulation performance of the bottom，the wall and the roof of the tank can meet the engineering requirements.

heat loss;cryogenic storage tank;heat conduction

萍

2015-06-29

吴文海(1970-)，男，高级工程师，现主要从事管理和设备技术工作。