LNG全容储罐保冷系统及其性能探究

杨丝桑 相 华

1.石油化工管理干部学院,北京 100012;2.俄罗斯国立古勃金石油天然气大学,俄罗斯 莫斯科 119991



LNG全容储罐保冷系统及其性能探究

杨丝桑1相 华2

1.石油化工管理干部学院,北京 100012;2.俄罗斯国立古勃金石油天然气大学,俄罗斯 莫斯科 119991

为了探究LNG全容储罐的绝热性能和保冷系统,给出了LNG储罐各部分主要的保冷材料及其性能特征,以及可供参考的保冷系统施工工序和安装方法。分别从罐底、罐壁和罐顶分析漏热量,提出了大型LNG全容储罐漏热量和静态日蒸发率的计算方法。以国外某20×104m3LNG储罐为例给出了漏热量和日蒸发率的计算结果,得出其日蒸发率符合保冷设计要求。分析影响LNG储罐蒸发率的主要因素,得出LNG储罐存在一个“最优直径”和“最优充满率”,可通过增大保冷层厚度,选取导热系数小的保冷材料,向LNG储罐内充注氮气等措施来降低储罐的日蒸发率,为LNG储罐的保冷系统设计提供依据。

LNG;大型全容储罐;保冷材料;保冷安装;漏热量;日蒸发率;保冷设计

0 前言

LNG是天然气的液态形式,它蕴藏着大量的低温能量,常温下LNG的体积约为标准状况下气态体积的1/625[1-4]。天然气作为燃料燃烧时所排放的有害物质含量少,被称为清洁能源[5-6],广泛用于发电、城市民用燃气及工业燃气[7-8],优化了能源消费结构,改善大气环境,有利于经济与环境的协调发展。

LNG的储存包括储罐储存和岩腔储存两种方式,其中储罐储存是主要的储存方式。目前世界上LNG地面储罐数量最多,在LNG储存大型化和对储存安全性要求越来越高的今天,大型全容储罐得到广泛的应用[9-12],中国LNG接收站均采用全容储罐[13-15]。由于LNG需要在沸点或以下温度长时间储存,为了防止外界热量漏入,引起LNG汽化,加剧能耗,同时减少LNG蒸发量,保证储罐的安全,LNG储罐必须具有完善的保冷系统和良好的保冷性能。

1 LNG储罐的保冷系统

大型LNG全容储罐保冷系统由罐底保冷层、罐壁保冷层和吊顶保冷层组成，见图1。各部分保冷材料的选择取决于储液量、储罐形式、蒸发率等因素。一般要求保冷材料具有良好的抗吸水吸湿性、抗水蒸气渗透性、阻燃性,满足导热系数小、化学性能稳定、机械强度高等条件。保冷材料的施工过程具有结构设计复杂、交叉施工难度大、风险高、安装标准高等特点,需要严格控制施工工序和安装方法。

图1 大型LNG全容储罐整体结构

1.1 罐底保冷系统

罐底保冷系统由三部分组成:罐底中心区保冷、罐底环形边缘区保冷和边角区保冷。因罐底需承受储存液体的压力,除了考虑传热系数外,还需考虑材质的抗压强度[16-18]。所以罐底保冷材料采用泡沫玻璃砖,位于内罐壁下方的保冷层采用高强度泡沫玻璃砖,还要设置高强度珍珠岩混凝土或混凝土环墙,其余部分采用普通强度泡沫玻璃砖。罐底保冷材料的主要性能见表1。

表1 罐底保冷材料主要性能

材料名称密度/(kg·m-3)导热系数平均值/(W(m·K)-1)抗压强度平均值/MPaHLB800型泡沫玻璃砖1200.0430.8HLB1200型泡沫玻璃砖1400.0461.2HLB1600型泡沫玻璃砖1600.0480.55垫毡3.9--珍珠岩混凝土500～10320.1855玻璃纤维毯11～160.0382.1×10-4

罐底保冷层施工过程伴随着内罐和土建施工,因此罐底保冷层的安装采用分层交叉倒退施工法,即从罐底圈壁板预留门相对的方向开始铺设，见图2。泡沫玻璃砖的铺设使用层缝交错排列,错缝间距最小为100 mm,两块砖之间为对接形式,块间缝隙不能超过2 mm。为了使单块泡沫玻璃砖的抗压强度最优,减少工作中砖块破碎的可能性,各泡沫玻璃层间设有沥青垫毡层。每层材料的铺设都应该保持平整,在任意2 m范围内每一层的平整度都应在±3 mm范围内。

图2 罐底保冷材料的施工顺序

1.2 罐壁保冷系统

储罐侧壁的保冷层即内罐壁与外罐壁之间的环形空间的保冷是由弹性毡和膨胀珍珠岩等组成，见表2。为了防止内外罐因为温度变化产生收缩或膨胀,导致膨胀珍珠岩向下沉降使得上部保冷材料流失,会在整个内罐外壁上安装一层弹性毡,补偿罐体位移空隙。另外LNG储罐发生泄漏时可能会影响外罐,通过热角保护系统和在混凝土墙内表面安装聚氨酯泡沫涂层保证储罐气密性。

在罐壁保冷层的施工过程中,弹性毡紧贴内罐壁并通过罐壁顶部连接件悬挂在内罐壁外侧,通过设置在罐壁表面的保温钉与罐壁固定。为了防止填充过程中及后来沉积作用下,珍珠岩对最外层弹性毡产生摩擦并使之失效,紧贴膨胀珍珠岩的弹性毡可采用铝箔保护层或使用高强度玻璃纤维布保护。膨胀珍珠岩从现场膨胀设备出来后通过填充管和软管进入环形空间,在重力的作用下落入填充区域并自然形成珍珠岩圆柱堆。当整个环形空间的填充达到一定厚度时,各个管口的填充均停止并开始对刚填充的膨胀珍珠岩进行振实工作,振实工作完成后再进行填充直到填充高度。

表2 罐壁保冷材料主要性能

材料名称密度/(kg·m-3)导热系数/(W·(m·K)-1)其他膨胀珍珠岩70～2500.028～0.038吸水率29%～30%弹性玻璃纤维毡160.04抗拉强度≥15kPa聚氨酯发泡料30～600.019～0.029吸水率在1.5%左右,抗拉强度不低于0.2MPa

1.3 罐顶保冷

内罐罐顶采用悬吊式岩棉保冷层,该保冷层将罐内空间与罐顶隔开,减少两者间的对流,降低蒸发气体交换量。一般选择在铝吊顶上铺设玻璃纤维毡,由不锈钢丝等与吊顶固定,最上层铺设带铝箔的玻璃毡,接缝处应错开玻璃纤维毡并用铝箔粘结。

接管保冷采用套管结构,所用材料包括玻璃纤维毡、玻璃纤维布、聚氰尿酸酯泡沫、聚氨酯泡沫等,在冷管和套管之间可填充弹性玻璃纤维毡进行保冷，见图3。

图3 侧壁和吊顶的保冷结构

2 大型LNG储罐保冷性能计算

大型LNG全容储罐主要组成部分包括预应力钢筋混凝土外罐、热角保护系统、内罐、内外罐之间的环形保冷系统和工艺仪表等附件。储罐的主要漏热形式有热传导、自然对流和热辐射。根据储罐整体结构,分别从罐底、罐壁和罐顶进行漏热量计算[19-22]。

2.1 罐底漏热量计算

罐底主要漏热形式是周围空气的热量透过罐底板、保冷材料和罐底其它各层以热传导的方式传递到罐内LNG,假定层与层之间接触良好,没有引入附加热阻,且属于一维稳态导热,则罐底漏热量的计算式为:

(1)

式中:T1为罐底外表面温度,K;T2为罐内LNG温度,K;A1为罐底面积,m2;Φ1为罐底的漏热量,W;λi为罐底各层包括各保冷材料层的导热系数,W/(m·K);δi为罐底各层包括各保冷层的厚度,共有n层,m。

2.2 罐壁漏热量的计算

罐壁热量传递的方式包括大空间的自然对流和热传导。罐壁周围大气的热量通过罐壁和罐壁各保冷层传递至罐内LNG,假设层与层之间接触良好,没有引入附加热阻,则罐底漏热量的计算式为:

(2)

式中:L为外罐高度,m;T3为罐壁外表面温度,K;h为罐外壁与周围空气对流换热系数,W/(m2·K);λi 2为外罐壁混凝土和内外罐之间环形空间各保冷材料的导热系数,W/(m·K);d1,di分别为外罐直径和环形空间内各保冷层直径,m;Φ2为罐壁漏热量,W。

2.3 罐顶漏热量计算

罐顶漏热的主要形式有外罐拱顶向吊顶的热辐射,然后周围大气的热量以热传导的方式向拱顶内部传递,而后通过悬挂式吊顶的保冷层传递至储罐内部,假设层与层之间接触良好,没有引入附加热阻。

外罐拱顶与吊顶热辐射的热量计算式:

(3)

以热传导的方式传递至拱顶内的热量计算式:

(4)

由吊顶传递至罐内的热量计算式:

(5)

根据能量守恒原理,Φ1=Φ2=Φ3,联立式(3)、(4)、(5),将已知参数代入可计算出罐顶漏热量。

2.4 部分参数计算

2.4.1 外罐混凝土表面温度

当有太阳辐射时,储罐外表面温度会升高,则根据热平衡有:

Κ(T-Tt)=αε4Ι+h(Ta-Tt)

(6)

式中:Κ为储罐的平均传热系数,W/(m2·K);Tt、T、Ta分别为外罐表面平均温度、升高后的温度、周围空气温度,K;α为受太阳辐射的外罐面积所占的百分比;ε4为罐外表面辐射吸收系数;Ι为太阳的辐射强度,W/m2。将已知参数代入可计算出罐壁外表面温度。

没有太阳辐射时,罐顶和罐壁外表面的温度可取周围空气的温度。

2.4.2 储罐外表面对流换热系数h

按照均匀壁温边界条件的大空间自然对流计算h,则：

(7)

式中:λ是空气导热系数,W/(m·K);l是特征长度,m;Gr是空气格拉晓夫数;Pr是空气普朗特数。

2.5 储罐日蒸发率的计算

通过对储罐罐底、罐壁和罐顶漏热量的计算,可知储罐总的漏热量为：

Φ=Φ1+Φ2+Φ3

(8)

考虑到太阳辐射的存在以及辐射时间的长短,可知储罐实际漏热量为：

Φ总实际=α1Φ总有辐射+(1-α1)Φ总无辐射

(9)

式中:Φ总实际为储罐实际的总漏热量,W;α1为储罐每天太阳辐射时间百分比;Φ总有辐射、Φ总无辐射分别为有、无太阳辐射时的总漏热量,W。

LNG储罐的蒸发率是指LNG储罐的静态日蒸发率,即储罐装有LNG时,静置达到热平衡后24 h内自然蒸发损失的LNG液体质量和储罐内LNG液体质量的百分比。储罐蒸发率的计算公式为:

(10)

2.6 影响储罐蒸发率的主要因素

根据上述蒸发率的计算公式可知,影响储罐蒸发率的主要因素有传热面积、保冷材料的导热系数、保冷层厚度、外罐表面吸收系数、环境温度和介质温度。保冷层两侧的温差越小,保冷材料的导热系数越小,保冷层的厚度越大,漏热量越小,储罐的蒸发率越小。除了上述影响因素外,LNG储罐的直径、初始充满率以及含氮量也是主要影响因素。LNG储罐存在一个“最优直径”和“最优充满率”,含氮量越高罐内LNG的蒸发率越低。所以在进行保冷设计时,需综合考虑这些因素,可以通过增大保冷层的厚度,选取导热系数小的保冷材料,向LNG储罐内充注氮气等来降低储罐的蒸发率。

2.7 计算实例

以国外某接收站20×104m3LNG全容储罐的保冷设计为例,计算储罐的漏热量和静态日蒸发率。全容储罐基础参数及保冷材料参数见表3、4。

表3 LNG储罐基础参数

LNG储罐基础参数名称数值外罐高度/m52.4内罐直径/m84外罐内壁直径/m86.4环境温度/℃37罐底外表面温度/℃10LNG温度/℃-163LNG汽化潜热/(kJ·kg-1)510外罐表面吸收系数0.6LNG密度/(kg·m-3)440储罐的容积/m-3198340

表4 LNG储罐保冷材料参数

保冷材料名称厚度/m导热系数/(W·(m·K)-1)罐底板/罐壁/罐顶混凝土1.8/0.75/1.53.2罐底泡沫玻璃砖0.450.043珍珠岩混凝土0.3530.095罐壁弹性玻璃纤维毡0.40.046罐壁膨胀珍珠岩0.650.04罐壁热角保护泡沫玻璃砖0.150.095罐壁聚氨酯泡沫涂层0.050.0233吊顶玻璃纤维毡0.60.04

假设每天太阳辐射时间是12 h,储罐漏热量和静态日蒸发率计算结果见表5。

表5 LNG储罐漏热量计算结果

名称数值罐底总漏热量/MJ6131罐壁漏热量/MJ6302罐顶漏热量/MJ2856总漏热量/MJ15289日蒸发率/(%)0.04

3 结论

1)根据大型LNG全容储罐保冷要求,给出了LNG储罐各部分主要的保冷材料及其性能特征,以及可供参考的保冷系统施工工序和安装方法,分析了设计和施工过程中所要注意的重要事项。

2)给出罐底、罐壁和罐顶漏热量的计算方法,提出了大型LNG全容储罐漏热量和静态日蒸发率的计算方法。对国外某LNG储罐的日蒸发率进行核算,得出其日蒸发率符合保冷设计要求。分析影响LNG储罐蒸发率的主要因素,得出LNG储罐存在一个“最优直径”和“最优充满率”,可通过增大保冷层厚度,选取导热系数小的保冷材料,向LNG储罐内充注氮气等措施来降低储罐的日蒸发率。

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2016-03-24

杨丝桑(1989-)，女，山西霍州人，助理工程师，学士，主要从事LNG储存运输研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.014