LNG低溫儲罐冷量損失在設計中的計算方法

張湘鳳 郭 雷 姚 云 中海油山東化學工程有限責任公司 濟南 250013

在液化天然氣(LNG)的儲運過程中，由于其低溫特性及儲罐絕熱材料性能的局限性，外界環(huán)境會不可避免的向儲罐內漏熱，引起罐內LNG溫度上升，其中的輕組分逐漸揮發(fā)成為蒸發(fā)氣，氣體不斷增多，罐內壓力逐漸升高，當壓力達到安全閥值后，會自動開啟安全閥排氣。易燃氣體排氣既影響一定范圍的安全，又會造成冷量損失，冷量損失即蒸發(fā)率的大小是儲罐作為低溫存儲設備的重要性能參數之一，要延長LNG 在儲罐內安全儲存的時間，就應首先了解其蒸發(fā)規(guī)律。在對LNG 儲罐蒸發(fā)率的理論研究和實驗驗證中［1-3］都曾詳細討論過蒸發(fā)率與罐內充裝率的關系。即當儲罐的初始充裝率增大時，蒸發(fā)率減小，蒸發(fā)率增長速率也減小甚至為零。液相蒸發(fā)的同時，氣相部分也不斷冷凝，蒸發(fā)速率和冷凝速率相互作用，共同決定了儲罐的有效蒸發(fā)率。液相蒸發(fā)主要因漏熱，而氣相冷凝主要因罐內壓力升高，LNG的沸點升高，部分儲液處于過冷狀態(tài)，使部分氣相又冷凝下來。但是在儲罐設計時，表面積漏熱和保溫厚度的計算既要滿足儲罐低溫存儲的性能，又要使保溫材料用量最少，在經濟性上滿足投資要求。因此，本文將詳細闡述蒸發(fā)率(冷量損失)的計算方法。

1 計算方法

依據儲罐內外溫度差、保溫材料性能、儲罐主要結構參數，對漏熱量進行量化，該漏熱量導致LNG 氣化的數量即為儲罐的蒸發(fā)率。

1.1 漏熱量計算

儲罐的漏熱量可根據計算公式:

式中，Q 為計算漏熱量;Ueff為有效傳熱系數;Am為儲罐傳熱面積;ΔT 為內外罐之間的溫差。

1.1.1 總傳熱系數

由于儲罐罐壁、罐底和吊頂部位的保溫都是兩種或兩種以上保溫材料的組合(保溫示意圖見圖1)，需要計算有效的總傳熱系數。計算公式如下:

式中，λi、δi分別為各層保溫材料的導熱系數和厚度。

圖1 罐壁和罐底處保溫示意圖

目前大型LNG 儲罐都采用泡沫玻璃、珍珠巖、彈性毯等，泡沫玻璃是一種性能優(yōu)越的絕熱保冷、吸聲、防潮、防火的輕質高強建筑材料和裝飾材料，使用溫度范圍為-196 ～450℃，A 級不燃，透濕系數幾乎為0，導熱系數在使用溫度范圍內為0.0271 ～0.058W/ (m·℃)。而珍珠巖經膨脹可以成為一種導熱系數低、化學穩(wěn)定性好、使用溫度范圍廣、吸濕能力小，且防火、吸音等特點的保溫材料，其導熱系數在-20℃左右時為0.04 W/(m·℃)。

確定了保溫材料及其導熱系數，根據保溫層厚度，可計算出總的有效傳熱系數。

1.1.2 傳熱面積

傳熱面積主要指的是儲罐各部分與保溫材料接觸的面積。在儲罐設計中通常取內外罐的基本結構參數進行計算，罐底面積采用外罐直徑，罐壁面積直徑可采用平均值作為計算直徑。

1.1.3 溫差

溫差為內罐內和外罐外的溫度之差，計算中LNG 的溫度根據儲罐設計要求，一般選取-165℃，罐外(頂、壁、底)的溫度除了考慮環(huán)境溫度(晝、夜最高空氣溫度)，還要考慮由于太陽輻射引起的溫升，尤其是針對晝間情況。

輻射能到達表面經過吸收、反射、透射三種形式被分散。對不透明的表面，僅有吸收和反射;對黑色表面，僅有吸收。在目前所建儲罐中，均將其外表面涂白。因此，對于混凝土罐壁和罐頂均可使用不透明表面的吸收因子，計算它們通過罐壁和罐頂吸收的太陽輻射熱。查表內容均從ASHRAE Fundamentals 1997［3］(American Society of Heating，Refrigerating and Air - Conditioning Engineers)獲得。計算程序如下:

(1)確定儲罐工程所處地理位置的緯度，查此緯度的最大水平太陽輻射增益因子hg (因太陽輻射使表面在水平方向單位面積、單位時間獲得的熱量，W/m2)。

(2)查此緯度的半日水平太陽輻射增益horiz(因太陽輻射使表面在水平方向上單位面積12h 內獲得的熱量)。

(3)查此緯度的半日垂直太陽輻射增益(多個)并取其平均值作為半日垂直太陽輻射增益vert。

(4)太陽輻射背景值一般由項目給定，該值與最大水平太陽輻射熱增益因子的比值γ 作為對真實太陽輻射的校正。

(5) (水平)24h 儲罐頂接受的太陽輻射=2·horiz·γ。

(6) (垂直)24h 儲罐壁接受的太陽輻射=2·vert·γ。

太陽輻射熱計算完成后，要計算罐體因太陽輻射吸收熱量導致的溫升。根據光熱能量理論，太陽輻射到一物體上，一部分熱被吸收，一部分為表面?zhèn)鳠幔徊糠纸涍^反射重新將熱輻射出去。即:表面熱通量= 吸收熱+ 表面?zhèn)鳠? 輻射熱，表面接受熱量使其自身溫度升高，則有:

式中，h0為罐體的傳熱系數，混凝土為17 W/(m2·℃);ts為固體溫度;te為升高后的溫度，α為吸收因子，根據ASHRAE 3.8 表3［3］確定不同材質和顏色表面的吸收因子，混凝土為0.65 ～0.8;It為單位時間的太陽輻射，等于24h 儲罐體接受的太陽輻射/24，再乘以一個估算系數，一般取15%的余量;t0為空氣溫度;∈為法線向輻射度，表示一個物體從其表面輻射能量的本領，混凝土的輻射度為0.95 (即表面吸收能量后，又能使其中的0.95 份額發(fā)射出去);如果水平表面僅接受天空的長波輻射，ΔR 等于長波輻射與黑體發(fā)射光波能量的差，經查表［3］為63W/m2，垂直表面的ΔR=0。

由式(3)得因太陽輻射使表面獲得的溫升Δt計算公式為:

考慮15% 余量后，It(頂)取336.95 × 1.15=387.49

當太陽輻射導致的溫升計算完成后，罐外各部分采用的溫度分別為:

其中的空氣溫度為環(huán)境極端最高溫度。

1.2 蒸發(fā)率計算

LNG 儲罐的蒸發(fā)率是指LNG 儲罐的靜態(tài)日蒸發(fā)率，即儲罐裝有LNG 時，靜置達到熱平衡后24h 內自然蒸發(fā)損失的LNG 液體質量和儲罐內LNG 液體質量的百分比。根據1.1 計算總的漏熱量后，蒸發(fā)率計算公式為:

式中，θ 為蒸發(fā)率;QT為總的漏熱量，W;V 為儲罐容積，m3;ρ 為液體密度，kg/m3;HL為液體的氣化潛熱，W·h/kg。

2 計算實例

某項目地處北緯40°，要求建一有效容積為30000m3、外罐為混凝土的全容儲罐(最大儲存容積39121m3)。項目所在地太陽輻射背景值為550 W/m2，環(huán)境極端最高平均溫度為36.5℃。內罐儲存LNG，溫度為-165℃，密度為435kg/m3，氣化潛熱為142W·h/kg。

2.1 計算罐頂、罐壁和罐底的總傳熱系數

罐頂按吊頂上保溫層考慮，分為兩層，導熱系數和厚度分別為0.0309 W/ (m·℃)、0.2m 和0.0413W/ (m·℃)、0.85m，罐壁的保溫材料為兩層，導熱系數和厚度分別為0.0400W/ (m·℃)、0.8m 和0.0201W/ (m·℃)、0.2m，罐底的保溫材料也為兩層，導熱系數和厚度分別為0.0271W/ (m ·℃)、0.5m 和 0.651W/ (m·℃)、0.2m。因此，根據式(2)計算，罐頂傳熱系數為0.0370W/ (m2·℃)、罐壁傳熱系數為0.0334 W/ (m2·℃)、罐底傳熱系數為0.0533 W/ (m2·℃)。

2.2 計算傳熱面積

根據1.1.2 規(guī)則罐頂為2334.2m2，罐壁表面積為3637.3m2，罐底面積為1519.8m2。

2.3 計算內外壁溫差

溫升按照項目所在地太陽輻射計算。根據溫升計算程序1.1.3，查北緯40°的最大水平太陽輻射增益因子hg為483W/m2，半日水平太陽輻射增益horiz為3550 W/m2，半日垂直太陽增益vert為1472.3 W/m2，γ 比值為1.139。計算混凝土罐頂溫升為11.295℃，混凝土罐壁溫升為6.145℃。因此，罐頂溫度為 48.095℃，內外罐溫差為213.095℃;罐壁的溫度為42.945℃，內外罐溫差為207.945℃;罐底溫度為31.8℃，內外罐溫差為196.8℃。

2.4 計算漏熱量

根據上述計算的儲罐各部分的傳熱系數、傳熱面積和溫差，利用式 (1)計算各部分的漏熱量:

2.5 計算蒸發(fā)率

利用式 (5)，計算該儲罐的蒸發(fā)率 θ為0.0592%。

3 結語

根據LNG 儲罐的結構尺寸、保溫材料的性能參數和估算厚度、儲罐工程項目所處位置的太陽輻射資料可以計算LNG 儲罐的漏熱量和蒸發(fā)率，上述計算方法作為LNG 儲罐工藝設計的主要內容，其計算結果可以為儲罐工程的設計、施工、驗收等提供技術支持。

1 王武昌，李玉星，孫法峰等. 大型LNG 儲罐壓力及蒸發(fā)率的影響因素分析［J］. 天然氣工業(yè)，2010，30 (7):1-6.

2 李玉星，王武昌，喬國發(fā)等. 密閉LNG 儲罐內的壓力和蒸發(fā)率［J］. 化工學報，2010，61 (5):1241 -1246.

3 1997 ASHRAE Fundamentals Handbook［M］. American Society of Heating，Refrigerating and Air - Conditionin - g Engineers，Inc. 1997.