大型LNG储罐罐顶冷接管结露影响因素分析

李晓琳,吴 皓

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

大型LNG 储罐是LNG接收站最重要的储存设备。在一般情况下，由于储罐内部与外部环境存在巨大温差，需要在内外罐的环隙、储罐吊顶上以及罐顶冷接管设置保冷，以确保LNG罐内介质的低温储存条件。LNG储罐的保冷设计是保障其正常操作的关键技术之一，对此，国内外学者和设计人员从不同方面进行了研究。

李海润等【1】和李兆慈等【2】利用ANSYS软件对全容式LNG储罐的罐体进行了整体温度场计算，重点关注罐体结构优化和罐内介质参数变化引起的温度场变化；王明伍等【3】则针对不同工况下LNG储罐热角保护的温度场分布做了计算和分析。国外学者如Pellegrini、Laura A.等【4】建立了新的状态方程修正模型，在外界输入热确定的情况下，可以更准确地计算罐内介质成分、温度和压力随时间的变化；Chen Q S和Prasad V【5】对LNG 加气站中LNG 低温储罐建立了热力学和传热模型，用来探究内罐向外界漏冷的不同机理；Boukeffa D等【6】对一个低温液氮容器的传热和冷泄漏进行了实验研究和模拟分析。这些研究者大多数对储罐的整体温度场分布进行了分析研究，对储罐局部易漏冷部件尤其是罐顶冷接管的针对性研究并不多。

由于结构原因，罐顶冷接管存在局部漏冷问题，为了减轻漏冷处结露，有必要对影响漏冷处结露的因素和条件进行分析研究。笔者在之前的研究【7】中，以预应力混凝土全容式LNG 储罐的顶部进料管为例，提出了一种基于罐顶冷接管局部温度场分析模型和储罐建设地气象条件的冷接管局部结露概率及程度的判断方法，并采用该分析模型对影响冷接管结露的一些参数进行了系列化的规律性研究。本文在上述研究的基础上，对影响罐顶冷接管局部漏冷问题的5个主要因素开展了进一步的定量分析，根据正交分析法设置各影响因素并对计算结果进行分析，找出了5个因素对接管局部漏冷的作用大小及规律，同时还研究了相同环境条件和保冷结构的不同直径冷接管的结露概率变化规律，为罐顶冷接管的结构优化设计提供依据。

1 顶部进料管温度场分析模型

LNG 储罐罐顶的冷接管内部流通的介质温度为-163 ℃，为了避免冷接管内介质温度直接作用在罐顶，需要在冷接管和罐顶之间采用保冷套管进行过渡，冷接管与保冷套管之间的间隙填充保冷材料。在保冷套管的顶部，通过盖板、筋板及环板连接冷接管和保冷套管，并在冷接管及保冷套管上部外表面设置保冷。冷接管和保冷套管之间存在冷桥漏冷现象。本文以顶部进料管N1为例进行后续分析。N1各部分结构、尺寸和材料见图1，各部件材料及性能参数见表1。分析模型的单元类型选择、边界条件设置及网格划分和网格无关性验证等细节详见笔者已发表论文【7】，此处不再赘述。

2 结露影响因素及参数设置

在一定大气环境条件下，顶部进料管的局部结露开始于接管组件暴露在环境中的温度最低点，本文称为关注点，即混凝土套管上表面与保冷套管连接处。关注点处的温度接近或低于露点，结露便可能发生，且该处温度低于露点温度的差值越大，越容易结露。那么关注点处的温度与哪些因素有关系呢？顶部进料管内部输送介质为-163 ℃的LNG，此处为整个组件的“冷源”，大气环境温度则为整个组件的“热源”。通过关注点处切一个横截面，观察可知，一部分冷量从接管内部通过接管壁、套管内保温层、套管壁后到达关注点处；切一个纵截面观察可知，另一部分冷量通过接管壁以及盖板、环板和筋板组成的“冷桥”快速传向保冷套管，由保冷套管向下传导到关注点处，在关注点处与大气环境进行对流传热。因此，大气环境温度、对流传热系数、外露于大气环境的保冷套管长度(后续简称套管露出长度)、套管内保温层的厚度、保冷套管的长度等都会影响关注点处的温度值。

图1 顶部进料管N1结构、尺寸和材料示意

表1 顶部进料管各部件材料及性能参数

为了探究这5个因素对于顶部进料管局部结露的影响作用，同时确定防止顶部进料管局部结露的最优化参数设置，本文根据正交表L16(45)设计了五因素四水平的正交分析表(见表2)。其中，大气环境温度4个参数水平的确定基于我国各地夏季平均气温的变化范围；对流传热系数4个参数水平根据空气从自然对流到少量强制对流选择取值范围10～28 W/(m2·℃)，这是工程设计应用较多的参数范围。需要指出的是，对于特定建造地点，夏季平均大气环境温度和大气对流传热系数不会因人为意志变化，此处选择的参数范围仅为计算提供便利，并不对应实际工程设计取值。套管露出长度、套管长度和内保温厚度参数水平的确定基于工程经验，但参数水平范围为大于等于一般工程设计取值，旨在寻求较优的保冷效果，降低结露概率。

3 结果分析

按照正交分析表分别建立顶部进料管温度场分析模型，计算得到16组条件下关注点处的温度值。因大气环境温度并非定值，无法以16组条件下的计算值大小直接对比影响因素和各参数水平的作用；另外因大气环境温度与大气对流传热系数并不直接对应实际建造地点，也无法直接判断冷接管结露概率。为此，统计了国内包括北京、大庆、湛江、上海、独山子等跨越南北东西的17个城市夏季室外气象条件，发现这些城市夏季大气环境与露点之间的差值变化范围为2.9～14.7 ℃。根据基于气象条件的局部结露判断方法(详见文献【7】)，关注点处温度高于露点温度1℃以上，可判断为不结露，且该处温度高于露点温度越多，越不容易结露。因此，本文将关注点处温度值与大气环境温度的差值作为衡量值，考虑国内城市中较为苛刻的夏季气象条件，认为当计算差值在不大于1.9 ℃的范围内时，所计算冷接管不发生结露现象，且计算差值越小，结露概率越低。将上述计算结果进行整理，如表3所示。进一步算出各因素同一参数水平计算结果的和以及平均数，然后计算各因素水平的结果平均数的极差，结果如表4所示。

根据表3结果可知，关注点处与大气环境温度差值变化范围为0.578～8.411 ℃，在国内较为苛刻的夏季气象条件下，本文选择的参数组近一半不发生结露现象，分析显示，套管露出长度较小或对流传热系数较小的条件易发生结露。对比各因素水平结果的极差值大小，可以确定本文选择的参数取值范围内，各因素对于计算结果影响作用的排序从大到小依次为套管露出长度、对流传热系数、套管内保温层的厚度、大气环境温度和保冷套管的长度。在考虑冷接管结露问题时，套管露出长度是个较为重要的设计参数，应根据计算谨慎选择；另外工程建造所在地的大气对流情况的影响作用不可忽视，冷接管保冷设计计算时须选择适宜的对流传热系数。

表3 顶部进料管局部结露影响因素的正交分析法计算结果

表3中关注点处与大气环境温度差值最小(即结露概率最小)的一组为序号4。此组条件中，保冷套管的露出长度、 保冷套管的长度、 套管内保温层的厚度、 对流传热系数均为参数水平取值范围的最大值。对比表4中各参数不同水平的平均数可知： 套管露出长度、 内保温厚度和对流传热系数这3个因素， 随着参数水平取值的增大， 关注点处与大气环境温度的差值减小较快， 结露概率明显降低； 而当参数取值超过一定值后，这种变化效果降低， 对结露的影响逐渐减小 ，这一规律也与之前的研究相一致。需要指出的是， 保冷套管的长度与套管露出长度的取值共同决定关注点处与“冷桥” 的距离， 故相关计算结果受两者共同作用的影响， 无法将保冷套管长度作为独立因素来分析其参数变化对计算结果的影响规律。

表4 针对各影响因素和参数水平作用的结果分析

另外，随着大气温度从低到高变化，关注点处与大气环境温度差值的变化则并无一定规律，该结果与实际情况相符合。实际工程项目中，因LNG储罐建造地往往为既定条件，因此，工程设计中无法对大气环境温度这一因素做出优化。

4 不同直径的冷接管局部结露情况

上述分析均基于公称直径为DN1000的顶部进料管。此外， 本文还研究了公称直径分别为DN800和DN1200的顶部进料管的局部结露情况。在其他影响因素相同的条件下[即大气环境温度27 ℃、 保冷套管的长度2 900 mm、 外露于大气环境的保冷套管长度150 mm、 套管内保温层的厚度320 mm、 对流传热系数10 W/(m2·℃)]， 公称直径为DN800、 DN1000和DN1200的顶部进料管温度场分析模型中， 关注点处温度值见图2。这一结果意味着在大气环境条件和保冷结构相同的前提下， 冷接管的公称直径越大， 越容易发生局部结露现象， 这也与工程保冷经验相一致。因此， 上述基于公称直径DN1000的顶部进料管的分析结论推广应用于公称直径更小的冷接管的保冷设计是偏于保守和安全的。

图2 不同公称直径的冷接管计算结果变化曲线

5 结论

针对大型LNG 储罐罐顶冷接管的冷泄漏问题，在前期研究基础上，继续以预应力混凝土全容式LNG 储罐的公称直径DN1000的顶部进料管为例，对罐顶冷接管局部漏冷问题的5个主要影响因素开展了进一步定量分析。为了研究5个因素对罐顶冷接管局部漏冷问题的影响作用大小及变化规律，设计了五因素四水平的正交分析表，参数范围参照前期研究结果和实际工程经验，并据此建立了16组顶部进料管温度场分析模型进行计算。通过对16组计算结果的对比分析，可以得到以下结论：

1) 考虑国内城市中较为苛刻的夏季气象条件，认为当计算关注点处温度值与大气环境温度的差值在不大于1.9 ℃的范围内时，所计算的DN1000规格冷接管不发生结露现象。

2) 本文选择的参数取值范围内，对于冷接管局部漏冷问题影响作用的排序从大到小依次为套管露出长度、对流传热系数、套管内保温层的厚度、大气环境温度和保冷套管的长度；在考虑冷接管结露问题时，套管露出长度是个较为重要的设计参数，另外工程建造所在地的大气对流传热系数的影响作用不可忽视。

3) 套管露出长度、套管内保温厚度和对流传热系数这3个因素，随着参数水平取值增大，关注点处与大气环境温度差值减小较快，结露概率明显降低，而当参数取值超过一定值后，这种变化效果降低，对结露的影响逐渐减小。

本文还对比研究了公称直径为DN800、DN1000和DN1200的顶部进料管的局部结露情况，发现在其他条件相同的前提下，冷接管的公称直径越大，越容易发生局部结露现象。因此，上述基于公称直径DN1000的顶部进料管的分析结论推广应用于公称直径更小的冷接管的保冷设计是偏于保守和安全的。