LNG储罐绝热系统设计及经济性分析

张蓬菲　王康　刘志乾　张洲

摘 要：为了探究LNG储罐的最佳经济效益，从罐底、罐壁和罐顶三个方面对储罐的保冷系统进行优化，分析每种保冷材料对储罐漏热量的影响。以国内某20万m3的LNG储罐为基础，计算不同保冷方案下节约的成本，为LNG储罐的保冷设计优化提供了依据。

关键词：保冷；LNG；漏热量；储罐

中图分类号：TE821  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2023）09-0066-03

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.019

0    引言

作为21世纪最清洁高效的能源，天然气被愈发广泛地应用在各个工业领域。天然气密度小、体积大，运输存储成本很高，所以国际间天然气的运输很多都是先将天然气液化，再采用液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）船运输的方式。运输到码头的液化天然气储存在LNG储罐中，然后往外输送，以满足生活和工业需求[1]。

LNG在储罐中的温度在-160 ℃左右，储运过程中，外界热量传入罐内，会引起LNG蒸发，造成一定的经济损失，如果漏热严重，还会带来安全隐患。可见，绝热保冷是LNG储罐的重要特性，而最大日蒸发率则是衡量其效果的重要指标。

1    储罐的保冷系统

储罐保冷分为罐底保冷、罐壁保冷以及罐顶保冷三部分，不同部分的保冷措施各不相同。影响储罐保冷性能的因素主要有保冷材料的导热率、保冷层厚度、环境温度等等[2]。下面针对不同的保冷部分分别进行分析。

1.1    罐底保冷

罐底保冷系统由罐底中心区域保冷、罐底环梁区域保冷和罐底边缘保冷三部分组成[3]。罐底保冷系统除了要起到保冷作用之外，还要对整个储罐起支撑作用，所以要求罐底保冷材料有一定的承压能力。泡沫玻璃砖是目前最常用的罐底保冷材料，根据铺设位置的不同，要选用不同抗压强度的玻璃砖，位于边缘区域的采用高强度玻璃砖，中心区域采用普通玻璃砖。

1.2    罐壁保冷

储罐罐壁的保冷材料通常为膨胀珍珠岩和弹性毡，由于内外罐受到温度变化会产生收缩或膨胀，填充的珍珠岩会发生沉降，弹性毡可以缓解膨胀珍珠岩的沉降，还可以缓冲珍珠岩对储罐的压力[4]。

1.3    罐顶保冷

罐顶保冷材料为玻璃棉，玻璃棉覆盖在内罐顶部，将内罐与罐顶的空间隔离开，能有效减少热对流，对储罐进行隔热[5]。

2    储罐漏热量计算

2.1    罐底漏热量计算

罐底的漏热速率计算公式如下[6]：

式中：Qbottom为罐底总漏热速率（W）；Qb-center为罐底中心区域的漏热速率（W）；Qb-edge为罐底边缘区域的漏熱速率（W）；Ab-center为罐底中心区域的换热面积（m2）；Ab-edge为罐底边缘区域的换热面积（m2）；Ta为罐底温度（℃），取极端最高气温；TLNG为LNG的温度（℃）；λ为保冷层保冷材料的导热系数[W/（m·k）]；δ为保冷层保冷材料的厚度（m）。

2.2    罐壁漏热量计算

罐壁上部的漏热速率计算公式如下：

式中：Qgb为罐壁上部的漏热速率（W）；AsA为罐壁上部的换热面积（m2）；Ts为罐壁上部的外表面温度（℃）；TLNG为LNG的温度（℃）；λ为保冷层保冷材料的导热系数[W/（m·k）]；δ为保冷层保冷材料的厚度（m）。

罐壁下部的漏热速率计算公式如下：

式中：QTCP为罐壁下部的漏热速率（W）；AsB为罐壁下部的换热面积（m2）；TTCP为罐壁下部的外表面温度（℃）；TLNG为LNG的温度（℃）；λ为保冷层保冷材料的导热系数[W/（m·k）]；δ为保冷层保冷材料的厚度（m）。

2.3    罐顶漏热量计算

罐顶的漏热速率计算公式如下：

式中：Qgd为罐顶总漏热速率（W）；Qa为穹顶漏热速率（W）；Qb为罐顶拉杆、人孔、吊顶泄放孔的漏热速率（W）；Ar为穹顶的换热面积（m2）；Ab为拉杆、人孔、吊顶泄放孔的传热面积（m2）；Ta为罐顶温度（℃）；TLNG为LNG的温度（℃）；λ为保冷层保冷材料的导热系数[W/（m·k）]；δ为保冷层保冷材料的厚度（m）。

3    计算结果

根据LNG储罐各部分漏热量计算方法，以国内某20万m3的储罐为例，代入当地环境参数、储存介质参数以及储罐结构参数，计算LNG储罐各部分漏热量的占比，探究对于LNG储罐来说哪一部分的漏热量占比最大。

图1所示为计算结果，可知整个储罐的漏热量集中在罐底和罐壁上，罐顶的漏热量相对较少。图2为20万m3储罐单位面积的漏热量占比，可分析得知，储罐整体上罐壁的漏热量之所以能占据40%，是因为罐壁的漏热面积较大，从单位面积漏热量来看，主要漏热还是发生在罐底部分。

4    经济性分析

同样以某项目20万m3的储罐为例，针对不同的保冷措施对储罐的保冷结构进行优化，降低天然气的蒸发率。

4.1    罐顶保冷优化

针对罐顶保冷方案进行优化，已知罐顶保冷主要依赖于玻璃棉对热量的隔绝，因此增加玻璃棉的厚度，分析不同厚度的玻璃棉对整个储罐保冷系统的影响。

对20万m3储罐罐顶玻璃棉分别加厚0.1 m、0.2 m，然后计算整个储罐的漏热量以及相关成本。

由图3中数据可知，玻璃棉增厚0.1 m后，单个储罐每天将减少漏热量199 MJ，换算成质量为每个储罐每天将节省0.389 t天然气，按天然气3 000元/t的价格换算，每个储罐每年将节省成本42.6万元，按照储罐的设计寿命50年计算，将节省2 130万元。此外，增厚0.1 m玻璃棉将增加成本8.28万元。玻璃棉增厚0.2 m后，单个储罐每天将减少漏热量368 MJ，换算成质量为每个储罐每天将节省0.722 t天然气，每个储罐每年将节省成本79万元，按50年计将节省3 950万元；另一方面，增厚0.2 m玻璃棉将增加成本16.56万元。

4.2    罐底保冷优化

针对罐底保冷方案进行优化，已知罐底保冷主要依赖于玻璃砖对热量的隔绝，因此增加玻璃砖的厚度，分析不同厚度的玻璃砖对整个储罐保冷系统的影响。

对20万m3储罐罐底玻璃砖分别加厚25、50、75、100 mm，然后计算整个储罐的漏热量以及相关成本。

由图4数据可知，玻璃砖增厚25 mm后，每个储罐每天将减少漏热量375.8 MJ，换算成质量为每个储罐每天将节省0.74 t天然气，每个储罐一年将节省成本81.18万元，50年将节省4 059万元，增厚25 mm后玻璃砖将增加成本30.9万元；玻璃砖增厚50 mm后，每个储罐每天将减少漏热量803.4 MJ，换算成质量为每个储罐每天将节省1.58 t天然气，每个储罐一年将节省成本173.5万元，50年将节省8 675万元，增厚50 mm玻璃棉将增加成本61.85万元；玻璃砖的厚度增75 mm，每个储罐每天将减少漏热量1 158.5 MJ，换算成质量为每个储罐每日将节省2.28 t天然气，一年每个储罐将节省成本250.2万元，50年将节省12 510万元，增厚75 mm玻璃棉将增加成本92.78万元；玻璃砖增厚100 mm后，每个储罐每天将减少漏热量1 489.6 MJ，换算成质量为每个储罐每天将节省2.94 t天然气，每个储罐一年将节省成本321.7万元，50年将节省16 085万元，增厚100 mm玻璃砖将增加成本123.7万元。

4.3    罐壁保冷优化

针对罐壁保冷方案进行优化，已知罐壁保冷主要依赖于弹性毡对热量的隔绝，因此增加弹性毡的厚度，分析不同厚度的弹性毡对整个储罐保冷系统的影响。

对20万m3的储罐罐底弹性毡分别增厚20 mm和50 mm，计算整个储罐的漏热量以及相关成本。

由图5数据可知，弹性毡增厚20 mm后，单个储罐一天将减少漏热量29.2 MJ，换算成质量为单个储罐每日将节省0.05 t天然气，一年四个储罐將节省成本5.46万元，50年将节省273万元，增厚20 mm弹性毡将增加成本102.2万元；弹性毡厚度增加50 mm，单个储罐一天将减少漏热量66.9 MJ，换算成质量为单个储罐每日将节省0.12 t天然气，一年每个储罐将节省成本13.58万元，50年将节省679万元，增厚50 mm弹性毡将增加成本255.5万元。

根据计算结果，分析投入成本回报率，分析结果如图6所示。

分析图6数据可知每多投入1元成本，不同保冷方案下的成本回报率。从数据可以看出，并不是保冷材料越厚，成本回报率越高。例如，在罐顶保冷中，玻璃棉增厚10 mm比增厚20 mm成本回报率更高；在罐底保冷中，玻璃砖增厚50 mm的方案效益最高；在罐壁保冷中，0.32 m弹性毡比0.35 m弹性毡的成本回报率更好。

5    结论

本文通过对LNG储罐漏热量的计算，得出储罐各部分漏热量的占比，并针对不同的保冷措施分别对储罐保冷进行优化，得到的一系列数据表明，并不是保冷材料用料越多储罐带来的经济效益越高，而是要结合投入成本综合对比，根据储罐实际设计方案进行计算，才能更好地提高储罐带来的经济效益。

[参考文献]

[1] 冯建周，王雅婷，王建鹏，等.浅谈全容式地上LNG储罐保冷结构及蒸发率影响因素[J].石化技术，2019，26（6）：41-42.

[2] 邢志祥，陈浩鹏，杨亚苹，等.大型LNG储罐罐壁漏热与保冷层的优化研究[J].消防科学与技术，2019，38（10）：1374-1377.

[3] 杨丝桑，相华.LNG全容储罐保冷系统及其性能探究[J].天然气与石油，2016，34（4）：65-69.

[4] 扬帆，张超，陈锐莹，等.LNG转运站储罐日蒸发率设计探究[J].天然气化工（C1化学与化工），2020，45（5）：103-105.

[5] 杜利顺，曹岩，许学斌，等.大型低温储罐漏热分析及计算方法[J].化工设计，2021，31（2）：6-9.

[6] 彭明，丁乙.全容式LNG储罐绝热性能及保冷系统研究[J].天然气工业，2012，32（3）：94-97.

收稿日期：2023-02-08

作者简介：张蓬菲（1993—），女，天津人，机械工程师，从事LNG接收站及储罐的低温设备相关领域工作。