大型LNG儲罐底部泡沫玻璃絕熱層保冷性能

羅義英 周湘江 梁玉華 趙 鵬 王鐵鋼

(1嘉興學(xué)院建筑節(jié)能研究所 浙江嘉興 314001)

(2張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司 江蘇張家港 215632)

(3嘉興市燃?xì)庥邢薰?浙江嘉興 314000)

大型LNG儲罐底部泡沫玻璃絕熱層保冷性能

羅義英1周湘江1梁玉華2趙 鵬3王鐵鋼3

(1嘉興學(xué)院建筑節(jié)能研究所 浙江嘉興 314001)

(2張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司 江蘇張家港 215632)

(3嘉興市燃?xì)庥邢薰?浙江嘉興 314000)

通過理論分析和工程實(shí)例對比計(jì)算，得出泡沫玻璃絕熱保冷層厚度與儲罐底部冷損失、蒸發(fā)量、蒸發(fā)率關(guān)系式和關(guān)系曲線，證明在絕熱層一定厚度范圍內(nèi)，冷損失、蒸發(fā)量、蒸發(fā)率均隨絕熱層厚度呈雙曲線關(guān)系，降低較快，此后保冷性能趨于穩(wěn)定。計(jì)算表明實(shí)際工程中所采用的絕熱層普遍偏厚，如實(shí)例中絕熱層厚度減少53.3%，冷損失僅為最大冷損失的7.58%，僅比實(shí)際值增加3.82%;日蒸發(fā)率為0.04%，僅比實(shí)際值增大0.02%，表明實(shí)際工程中大型LNG儲罐底部絕熱層厚度優(yōu)化大有空間。

大型LNG儲罐 底部絕熱保冷 泡沫玻璃 保冷性能

1 引言

天然氣的液態(tài)儲存需將天然氣在常壓下深冷至-162℃才能液化儲存，屬于常壓深冷。液化后天然氣(LNG)體積僅為氣態(tài)時的1/625，對于儲存和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸十分有利。儲罐是其中的關(guān)鍵設(shè)備，世界上廣泛采用安裝在地面的雙層金屬圓筒形儲罐，簡稱“地面儲罐”。對LNG地面儲罐而言，由于-162℃的液化天然氣與地面環(huán)境之間的溫差高達(dá)140—200℃，冷(熱)傳遞在所難免。所以LNG低溫儲罐底部絕熱保冷性能對儲罐非常重要，因?yàn)槿绲撞勘＠洳睿瑫斐晒迌?nèi)冷量損失，或外界熱量傳入罐內(nèi)(即漏熱)，罐內(nèi)底部液態(tài)天然氣吸熱蒸發(fā)，增大內(nèi)外罐壁溫度應(yīng)力［1］，還可能引發(fā)超壓、爆炸等安全［2-5］方面隱患。

LNG地面儲罐絕熱保冷材料主要采用珠光砂、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、玻璃纖維或軟木等［6-9］。近年來，由于泡沫玻璃的發(fā)展及其優(yōu)良的性能［10］，作為大型LNG地面儲罐底部保冷材料［11］被采用。實(shí)際工程普遍存在絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)以常溫值代替低溫值，絕熱層取值偏大，增加儲罐建設(shè)成本。對此，討論了泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)對儲罐保冷性能的影響，并以長江三角洲地區(qū)某10 000 m3地面圓筒罐為例，建立保冷層厚度與冷損失和LNG蒸發(fā)量的關(guān)系方程式、關(guān)系曲線，探討大型LNG儲罐底部泡沫玻璃保冷層降低厚度的可能性。

2 泡沫玻璃保冷特性

泡沫玻璃被譽(yù)為節(jié)能工程的黑珍珠，由石英砂礦粉或碎玻璃粉摻入適量發(fā)泡劑，通過高溫隧道窯爐加熱焙燒和退火冷卻加工處理后制得，內(nèi)部具有75%—85%的0.5—1.0 mm獨(dú)立封閉氣孔的發(fā)泡體。應(yīng)用領(lǐng)域涉及化工、制冷業(yè)、地鐵及恒溫恒濕工程和一般工業(yè)與民用建筑保溫隔熱等。

材料的導(dǎo)熱系數(shù)是反映保冷性能的重要指標(biāo)，泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)并非定值，受多種因素影響。

(1)材料厚度。理論實(shí)踐均證明保冷性能隨厚度增大而增強(qiáng)。

(2)材料密度。一般來說，材料的密度越大，其傳熱、傳冷能力越強(qiáng)，保冷性越差。泡沫玻璃密度一般為130—200 kg/m3。文獻(xiàn)［12］根據(jù)其密度將泡沫玻璃分為140號、160號、180號、200號4種型號。

(3)材料微孔結(jié)構(gòu)。泡沫玻璃的微孔有閉孔和開孔兩種結(jié)構(gòu)形式。閉孔結(jié)構(gòu)即孔與孔各自獨(dú)立互不相連通，孔內(nèi)氣體流動很弱，冷(熱)傳遞能力差，保冷絕熱能力強(qiáng);開孔結(jié)構(gòu)是孔與孔相互連通，孔內(nèi)氣體可以流通，對流換熱能力增加，使保冷隔熱能力降低。所以作為保冷絕熱材料使用的是閉孔泡沫玻璃。

(4)材料內(nèi)部孔徑大小。材料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)孔徑越小，空間小，孔內(nèi)氣體量也少，氣體流動能力差，對流換熱較少，只有分子導(dǎo)熱起作用，所以，冷熱量損失也少，保冷絕熱性能越好。

(5)工作溫度。圖1所示為浙江某企業(yè)生產(chǎn)的Ⅱ類泡沫玻璃不同溫度的導(dǎo)熱系數(shù)值。使用溫度對泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)影響較大，文獻(xiàn)［12］借鑒美國標(biāo)準(zhǔn)ASTMC552-2003，推薦用式(1)表示:

λ =λ25+0.000 183(t-25)+3.26×10-7(t-25)2(1)

圖1 泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between foam glass thermalconductivity and temperature

文獻(xiàn)［13］的附錄A將Ⅰ類(密度為120 kg/m3±8 kg/m3)和Ⅱ類(密度為160 kg/m3±10 kg/m3)泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)，在使用溫度-196—+200℃時分別表示為式(2)和式(3):

Ⅰ類泡沫玻璃制品:

Ⅱ類泡沫玻璃制品:

可見，泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系較復(fù)雜，實(shí)際使用時最好實(shí)測其導(dǎo)熱系數(shù)。

3 LNG儲罐底部構(gòu)造實(shí)例

LNG儲罐多為低溫金屬罐，由內(nèi)罐和外罐構(gòu)成，中間填充隔熱材料。低溫LNG儲罐依據(jù)建造和安裝分為地上罐、地下罐。針對應(yīng)用廣泛的地上雙層金屬罐討論，以建于長三角地區(qū)某10 000 m3LNG圓筒形LNG地上儲罐為例，內(nèi)罐為0Cr18Ni9不銹鋼，外罐為Q345R低合金鋼，底板采用弓形邊緣板與中腹板。內(nèi)外罐壁中間夾層采用珠光砂填充加干燥氮?dú)饨^熱，罐體內(nèi)罐底板與外罐底部之間鋪設(shè)泡沫玻璃磚絕熱保冷，并在內(nèi)罐筒壁正下方環(huán)形帶采用珠光砂混凝土承壓圈梁分配罐體重量，具體構(gòu)造如圖2所示，各層材料、厚度、物性見表1。

圖2 LNG儲罐底部絕熱保冷層結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Insulation layer structure diagram of LNG storage tank bottom

表1 LNG儲罐底部絕熱保冷層材料及物性表Table 1 Insulating material and physical properties of LNG storage tank bottom

4 LNG儲罐底部冷傳導(dǎo)分析

液化天然氣注入儲罐后，罐內(nèi)液體溫度低至-162℃，罐體外為當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度，罐體內(nèi)外溫度差達(dá)140—200℃，罐內(nèi)外的冷熱傳遞在所難免，對罐體影響不能忽視。以圖2所示建于長三角地區(qū)某10 000 m3圓筒罐為例分析計(jì)算罐體底部的冷傳遞過程及冷量損失、蒸發(fā)率關(guān)系，為大型LNG儲罐底部絕熱層設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

4.1 LNG低溫儲罐底部冷傳遞分析

LNG低溫儲罐底部冷(熱)過程如圖3所示，包括罐內(nèi)液體與內(nèi)罐底板的對流冷交換，內(nèi)罐底板及承壓層的冷傳導(dǎo)，泡沫玻璃絕熱層的冷傳導(dǎo)，基礎(chǔ)平臺的冷傳導(dǎo)以及平臺外表面與環(huán)境空氣的冷對流、冷輻射。其過程屬于復(fù)合平板材料冷量傳遞過程。

圖3 LNG儲罐底部冷(熱)過程示意圖Fig.3 Thermal process diagram of LNG storage tank bottom

4.1.1 邊界條件及假設(shè)

(1)LNG低溫儲罐底部罐體內(nèi)外溫差達(dá)140—200℃，遠(yuǎn)大于室外環(huán)境溫度波動，忽略室外空氣溫度波動影響，儲罐底部的冷傳遞采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算法。

(2)環(huán)境氣象參數(shù)按建設(shè)地選取。

(3)底部可看作多層平壁結(jié)構(gòu)傳冷過程。

(4)罐內(nèi)儲存介質(zhì)為-162℃液化天然氣，在正常情況下，罐內(nèi)液態(tài)處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以內(nèi)罐底部內(nèi)壁與液化天然氣的對流換熱根據(jù)文獻(xiàn)［2］和《傳熱學(xué)》等計(jì)算為:αi=103.2 W/(m2·K)。

(5)底部外表面對流傳熱系數(shù)按保冷層厚度計(jì)算取值，應(yīng)為:

式中:vw為年平均風(fēng)速，2.25 m/s。

4.1.2 底部絕熱層冷量損失確定

(1)設(shè)計(jì)條件冷量損失

在上述條件下，LNG儲罐底部單位面積冷損失可用下式計(jì)算:

(2)儲罐底部最大允許冷損失

查資料，儲罐建設(shè)地夏季最熱月室外計(jì)算溫度Tw=28.5℃，相對濕度φ=80%，則Td=24.7℃;環(huán)境溫度按照《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［13］應(yīng)取常年運(yùn)行的室外平均溫度Ta=16.2℃，那么Ta-Td=-8.5℃ ＜4.5，LNG儲罐的單位面積最大允許冷損失量應(yīng)用式(6)計(jì)算:

(3)設(shè)計(jì)條件底部冷損失占最大允許冷量損失比例為:

4.2 LNG儲罐底部泡沫玻璃保冷隔熱層優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.2.1 儲罐底部絕熱保冷層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)

按照文獻(xiàn)［13］LNG儲罐底部泡沫玻璃保冷板最小厚度應(yīng)用式(8)計(jì)算:

計(jì)算得δ=240 mm，其中泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)按圖1取為λ=0.024 W/(m·K)。

根據(jù)最大允許冷損失計(jì)算出的底部保冷板最小厚度為250 mm，修正后為280 mm，即泡沫玻璃保冷板的最小設(shè)計(jì)厚度應(yīng)為280 mm。

4.2.2 儲罐底部絕熱保冷層優(yōu)化厚度下冷損失

在儲罐底部絕熱保冷層優(yōu)化厚度條件下，底部冷損失根據(jù)式(5)計(jì)算應(yīng)為:

占最大冷損失的比例為:

由此可見，絕熱保冷層厚度由600 mm降至280 mm，冷量損失占最大允許冷量損失比例只增加了3.82%，說明實(shí)例中儲罐底部絕熱層過厚，有較大優(yōu)化潛力。

4.3 底部保冷厚度與冷損失的關(guān)系

由于LNG儲罐常年運(yùn)行，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度取為16.2℃，底部保冷層厚度與單位面積冷損失的關(guān)系為式(9)，10 000 m3圓筒罐底部計(jì)算冷損失量為:

式中:T0=-162℃，Ta=16.2℃，儲罐外徑為D0=27.0 m，儲罐內(nèi)徑為D1=25.0 m，內(nèi)罐底部面積為F=490.62 m2，底部最大允許冷損失為87 747 W。整理式(9)得底部絕熱層厚度與冷損失的關(guān)系如式(10):

底部絕熱層厚度與冷損失的關(guān)系曲線如圖4，由圖4可得出:

(1)LNG儲罐冷損失與儲罐底部絕熱層厚度呈雙曲線函數(shù)關(guān)系。當(dāng)不設(shè)保冷層時，冷損失達(dá)到近60 000 W，占底部最大允許冷損失(冷損失率)68.4%，說明設(shè)置保冷層十分必要。

(2)當(dāng)保冷層厚度 δ=100 mm時，冷損失為15 541 W，冷損失率降為17.7%;當(dāng)保冷層δ=280 mm時，冷損失小于6 660 W，冷損失率降至7.58%，并漸趨穩(wěn)定，也就是說在280 mm范圍內(nèi)增加保冷層厚度，對LNG儲罐保冷效果貢獻(xiàn)非常顯著。

(3)當(dāng)保冷層δ由280 mm增至600 mm時，總冷損失僅僅減少3 357 W，冷損失率降至3.76%，僅減少3.82%，可見單從保冷角度考慮，實(shí)例罐底部保冷層厚度設(shè)600 mm不太經(jīng)濟(jì)，減小厚度是可行的。

4.4 底部保冷層厚度對LNG蒸發(fā)量的影響

由文獻(xiàn)［14］查得，在-160℃時，天然氣的汽化潛熱r=500 kJ/kg，LNG的蒸發(fā)量為:

其中G為LNG的蒸發(fā)量，kg/h。

圖4 LNG儲罐底部保冷板厚度與冷損失的關(guān)系Fig.4 Relationship between insulation thickness andcold loss of LNG storage tank bottom

LNG失去冷量即相當(dāng)?shù)玫綗崃?，整理?11)得絕熱層厚度對LNG蒸發(fā)量的影響關(guān)系為:

底部絕熱層厚度與LNG蒸發(fā)量曲線見圖5，由圖5可知:

(1)LNG儲罐蒸發(fā)量、蒸發(fā)率與儲罐底部絕熱層厚度呈非線性函數(shù)關(guān)系。當(dāng)絕熱層厚度δ＜100 mm時，蒸發(fā)率隨絕熱層厚度增加而減少，且減少較快;特別是不設(shè)保冷層時，蒸發(fā)量達(dá)390 kg/h，日蒸發(fā)率達(dá)到0.32%，說明底部必須設(shè)置絕熱保冷層。

(2)當(dāng)保冷層厚度δ＞100 mm時，日蒸發(fā)率小于0.10%;隨絕熱層厚度增加而減少，當(dāng)絕熱層δ=280 mm時，日蒸發(fā)率小于0.04%，并漸趨穩(wěn)定，即在0—100 mm范圍內(nèi)增加保冷層厚度，對LNG儲罐保冷防止液態(tài)天然氣蒸發(fā)效果顯著。

(3)當(dāng)絕熱保冷層δ由280 mm增至600 mm時，絕熱層厚度增加近2倍，日蒸發(fā)率僅僅減少0.02%;相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定LNG儲罐日蒸發(fā)率不大于0.10%即可確保儲罐安全?？梢姀姆乐筁NG蒸發(fā)角度考慮，實(shí)例罐底部保冷層厚度設(shè)600 mm偏厚不太經(jīng)濟(jì)，優(yōu)化降低厚度值得考慮。

圖5 底部絕熱層厚度與LNG蒸發(fā)量的關(guān)系Fig.5 Relationship between insulation thickness and evaporation amount of LNG storage tank bottom

5 結(jié)語

通過10 000 m3大型LNG儲罐底部絕熱保冷層冷傳遞和冷損失分析，得出泡沫玻璃絕熱層厚度與LNG儲罐冷損失、蒸發(fā)量、蒸發(fā)率的關(guān)系式和關(guān)系曲線，根據(jù)實(shí)例工程中所用底部絕熱保冷層偏厚，提出底部絕熱層厚度降低53.3%時，冷損失只占最大冷損失的7.58%，只比實(shí)際值增加3.82%;LNG日蒸發(fā)率為0.04%，僅比實(shí)際蒸發(fā)率大0.02%，能夠滿足工程需要。建議工程應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)、數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 陳江凡，鄒華生，龔 敏.大型液化氣低溫儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其保冷設(shè)計(jì)［J］.油氣儲運(yùn)，2006，25(7):11-15.

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12 中華人民共和國發(fā)展和改革委員會.泡沫玻璃絕熱制品(JC/T647-2005)［S］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2005.

13 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會化工分會.工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50264-2011)(報(bào)批稿)［S］.北京:中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會化工分會，2011.

Cold performance of foam glass insulation in the large LNG tank bottom

Luo Yiying1Zhou Xiangjiang1Liang Yuhua2Zhao Peng3Wang Tiegang3

(1Institute of Building Energy Conservation，Jiaxing University，Jiaxing 314001，China)(2Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co.，Ltd.，Zhangjiagang 215632，Jiangsu Province，China)
(3Jiaxing City Gas Co.，Ltd.，Jiaxing 314000，China)

Relationship between the layer thickness of a foam glass cold insulation and cold loss，evaporation capacity，evaporation rate of the tank bottom were obtained by comparing the theoretical analysis and engineering examples calculation.The result shows that the cold insulation layer thickness exhibit hyperbolic function relationship with the cold loss，evaporation capacity and evaporation rate in a certain range.Cold performance of foam glass cold insulation decreases rapidly with the layer thickness at first but tends to be stable.Calculation result shows that the cold insulation thickness widely used in actual project is always too thicker.For an instance，if the cold insulation thickness is reduced by 53.3%，the cold loss reduces only 7.99%of the maximum design cold loss，which is only 3.82%larger than the actual value.Meanwhile，the daily evaporation rate is 0.05%，which is only 0.02%larger than the actual value.For the large LNG tank used in actual project，there is great space in optimizing the bottom insulation thickness.

large LNG storage;bottom cold insulation;foam glass;cold performance

羅義英，女，45歲，碩士、副教授。

TB661、TE821

A

1000-6516(2011)06-0032-05

2011-10-14;

2011-11-07

浙江省科技廳公益應(yīng)用科研項(xiàng)目(2010C31084)、浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2009C31042)資助。