LNG储罐蒸发规律在储罐设计中的应用

摘 要：LNG储罐是用于运输和储存液化天然气的必不可少的存储容器。LNG必须在低温条件下存储。在储存期间，不能将罐完全绝缘，并且外界热量会转移到罐的内部，部分LNG会蒸发成气体。随着外部热量继续泄漏到储罐中，储罐中气化气体空间的压力将继续升高。根据以前的研究结果，本文进一步讨论了LNG储罐的蒸发规律，并确定了储罐设计中的蒸发考虑因素与LNG储罐的直径，初始填充率，环境温度和绝缘材料的性能有关。其中，应着重考虑前两个因素。以30000m3LNG储罐为例，根据确定的主要蒸发速率影响因素，计算储罐工艺设计的基本尺寸参数，其最佳直径在40-50m之间。接下来，作者就LNG储罐蒸发规律在储罐设计中的应用进行分析，以供参考。

关键词：LNG储罐;蒸发速率储罐设计;理论基础流程设计

0 引言

自1960年代以来，对LNG储罐低温储藏特性的研究一直没有中断。其中，LNG蒸发规律的研究一直是储罐研究的基本内容。LNG储罐用作低温储罐，应保证其隔热性能和设备主体的安全性。对于工艺设计，主要研究是液化天然气储罐的隔热性能，即蒸发规律。本文将从理论研究入手，结合实际设计，探讨蒸发规律在液化天然气储罐设计过程中的应用。

1 蒸发规律

1.1 氮含量的影响

LNG是一种以甲烷为主要成分的烃类混合物，还含有少量的乙烷，丙烷和氮。在自然蒸发条件下，由于氮气的沸点温度（-196℃）低于甲烷的沸点温度（-160℃），因此，氮气比甲烷首先蒸发。根据欧洲标准（EN1160-96）和经验，液化天然气产品中的氮含量（摩尔分数）应小于5%，并且只要将液化天然气中的氮含量控制在1%以下并监测发气体，降低LNG的储存和运输过程中产生影响。在实际工程中，大型储罐与外界相互连接。如果氮含量增加，氮的蒸发量越大，则气液界面处液相密度变化的可能性和范围就越大，而在界面处液相变化的程度越大，则层与层之间的密度差越大。液相越低，分层越严重，这对罐的安全存储有害。

1.2 风速的影响

风速对储罐蒸发率的影响主要通过影响储罐表面传热。低温储罐的表面与空气之间的热交换是强制对流热交换。风速的大小可以直接影响储罐表面的传热能力，即风速对储罐总传热系数K的影响。

在工程项目中，LNG自蒸发气量（BOG）通常是根据大气压变化率来计算的。计算结果的这一部分通常对罐体的设计没有重大影响，但对LNG接收站中其他设备和设施的选择，配置和布局影响更大。这主要是因为在研究储罐的蒸发率时，通常以密闭储罐为研究对象。在实际工程中，储罐和其他部件是一个有机的整体，相互连接并相互作用。因此，在设计罐体时应考虑大气压变化率的影响。

2 LNG低温储罐的构件特点

2.1 内罐壁

内罐壁是低温储罐的主要构件，由耐低温、具有较好机械性能的钢板焊接而成，一般选用A5372级、A516 Gr.60、Gr18Ni9、ASME的304等特种钢材。

如某罐内罐底板和环板选用厚16mm、材质为A537 CL2

的钢板，其余板则可选用厚6.35mm、材质为A537 CL1的钢板。

2.2 保冷层

2.2.1 罐壁保冷

外罐衬板内侧喷涂聚氨酯泡沫，一般要求聚氨酯泡沫导热系数≤0.03W/（m·K），密度40～60kg/m3，厚度150mm左右。

2.2.2 罐顶保冷

内罐顶采用悬吊式岩棉保冷层，如某罐罐顶设置了4层玻璃纤维保冷层，每层厚100mm，玻璃纤维棉的密度为16kg/m3、导热系数为0.04W/（m·K）。

2.2.3 罐底保冷

罐底保冷比较复杂，除了钢板下喷涂聚氨酯泡沫外，还要设计防水结构。某罐罐底的保冷结构，包括65mm厚的垫层，60mm厚的密实混凝土，2mm厚的防水油毡，2层各100mm厚的发泡玻璃，最后用70mm厚混凝土覆盖，以保护外罐混凝土不受过低温度的影响。

2.3 混凝土外罐

混凝土外罐壁、外罐顶由预应力钢筋混凝土及耐低温钢衬板构成。混凝土强度应≥25MPa。外罐顶和罐壁要能承受气体意外泄漏产生的内压力，因此，钢筋混凝土要具备足够的抗拉强度。

3 液化天然气的优势和应用

气体液化后体积大大减小，运输方便，经济可靠。使用特殊的液化气罐车和船进行长途运输。与地下管道运输相比，天然气排泄损失少，投资少，风险小，适应性强，方便可靠。液化气的储藏效率较高，占地少，但储量少。液化天然气气化过程中的冷能可以循环利用，用于冷冻，冷藏，热电发电，低温破碎等。工艺水平可以回收消耗的能源的50%以上;低温气化可以分离C2～C6碳氢化合物与H2，H2S等燃料和化工原料，也可以与He萃取联产液化气，可用于车辆的汽油，天然气具有燃烧完全，抗爆性好，废气污染少，运输成本低以及发动机寿命长的优点。液化气的着火点和爆炸点高于汽油，密度也高于汽油。一旦泄漏迅速散开，不会发生自然爆炸。

根据相关数据分析，我国的城市污染主要来自燃煤和汽车尾气。因此改变燃烧构成，将大大减少CO，SO2，NOx等的排放。

作为清洁能源，液化气可用于燃烧发电。与其他化石燃料相比，液化气燃烧发电后不产生灰渣，也不会对环境造成灰渣污染，可以保护环境。随着发电技术的日益成熟，与蒸汽轮机发电相比，联合循环发电将热利用效率提高了近50%，极大地节省了燃料资源。

4 LNG储罐的外罐设计

4.1 外箱基础

LNG储罐下部的土壤温度低，土壤冻结，土壤中结冰（主要用于钻探土壤）以及冰层增厚都会引起巨大的膨胀力。这些膨胀力产生的提升力会损坏储罐及其部件，例如储罐，泵的吸入口位于储罐底部。为了防止这种危险的发生，储罐的地基通常采用带有加热系统或高架混凝土盖的地基。由于20000m3低溫储罐的总重量相对较小，因此储气罐基础采用了顶置的混凝土盖，便于生产，操作和维护，并节省了建设投资。

4.2 外罐设计

外罐的设计应考虑到所有方面，包括构造，测试，更换预冷，正常运行和检修。主要的外部负载为：

①因运行引起的内部压力和真空分压;②从空罐到充满较高气压的罐的罐体和指定介质的重量;③部分和完整的支持系统，必须估算基本条件的影响;④由于平台和梯子的支撑以及气候条件的变化（例如大雪）而引起的额外载荷;⑤风荷载或规定的地震荷载;⑥管道连接引起的载荷;⑦所有防寒材料的重量。

5 结论

本文在建立的蒸发率模型的基础上，深入探讨了液化天然气储罐蒸发率的影响因素，并以项目经验作为参考来解释各种影响因素在储罐设计中的作用。

总结如下：

①在一定容积的前提下，LNG储罐的直径是影响传热面积和蒸发率的重要因素;②初始填充率不同，同一储罐中LNG的蒸发率也不同;③环境温度和绝缘材料的物理参数被用作项目中大型LNG储罐的设计输入;④储罐设计中可以忽略氮含量，风速和大气压变化率。

参考文献：

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[2]相华，杨丝桑.大型LNG全容储罐保冷系统及其性能的探究[C]//第一届旅俄中国学生学者俄罗斯研究学术研讨会.

[3]陈嘉耀.16×104m3全容式LNG储罐金属内罐设计及分析研究[D].西安：西安石油大学，2014.

作者简介：

刘洋（1986- ），男，汉族，吉林省松原市人，本科毕业，管理学硕士学位，中级工程师，研究方向：LNG冷量利用。