全容式LNG儲(chǔ)罐絕熱性能及保冷系統(tǒng)研究

彭明 丁乙

1.中國石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司 2.中國石化天然氣分公司

全容式LNG儲(chǔ)罐絕熱性能及保冷系統(tǒng)研究

彭明1丁乙2

1.中國石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司 2.中國石化天然氣分公司

我國大型LNG接收站中的儲(chǔ)罐均為全容式LNG儲(chǔ)罐，其通常處于低溫微正壓狀態(tài)，外界熱量的漏入會(huì)引起LNG的蒸發(fā)，增加能耗，也可能會(huì)使儲(chǔ)罐產(chǎn)生分層及翻滾現(xiàn)象，對(duì)其安全造成較大威脅，因此，需要對(duì)它的絕熱性能及保冷系統(tǒng)進(jìn)行研究。為此，根據(jù)全容式LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別對(duì)罐頂、罐壁和罐底進(jìn)行了漏熱量計(jì)算，結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了LNG儲(chǔ)罐總漏熱量及日蒸發(fā)率的計(jì)算分析，探討了LNG儲(chǔ)罐的絕熱性能，找到了影響儲(chǔ)罐漏熱量的主要因素：保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)、保冷層的厚度、儲(chǔ)罐表面的吸收率、環(huán)境溫度等，為LNG儲(chǔ)罐保冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了相關(guān)依據(jù)；并根據(jù)LNG儲(chǔ)罐保冷系統(tǒng)的需要，歸納總結(jié)了保冷材料的選擇原則、施工方法及其注意事項(xiàng)。

LNG 全容式儲(chǔ)罐 漏熱 日蒸發(fā)率 絕熱性能 保冷系統(tǒng) 保冷材料 保冷施工

近幾年，中國液化天然氣（LNG）進(jìn)口量大大增加，并已成為天然氣進(jìn)口的重要途徑［1－2］。LNG儲(chǔ)罐是LNG接收站的核心設(shè)備，也是LNG的主要儲(chǔ)存設(shè)備［3－4］。LNG儲(chǔ)罐有多種類型，但現(xiàn)在人們更傾向于采用安全可靠性更好的全容式儲(chǔ)罐，中國大型LNG接收站中的LNG儲(chǔ)罐均為全容式儲(chǔ)罐。全容式LNG儲(chǔ)罐通常處于低溫微正壓狀態(tài)，外界熱量的漏入會(huì)引起LNG的蒸發(fā)，增加能耗；同時(shí)蒸發(fā)氣會(huì)引起LNG儲(chǔ)罐壓力的增加，也可能會(huì)產(chǎn)生分層及翻滾現(xiàn)象［5］，對(duì)LNG儲(chǔ)罐的安全造成較大威脅。因此，LNG儲(chǔ)罐保冷系統(tǒng)的保冷性能將直接影響到能耗和LNG儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行。

1 全容式LNG儲(chǔ)罐的絕熱計(jì)算方法

全容式LNG儲(chǔ)罐主要由內(nèi)罐、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土外罐、外罐內(nèi)側(cè)底部熱角保護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)外罐之間的保冷系統(tǒng)以及工藝儀表等附件構(gòu)成（圖1）。內(nèi)罐頂為鋁合金吊頂，通過吊桿連接到外罐穹頂，鋁合金吊頂與內(nèi)罐壁頂部設(shè)有柔性密封系統(tǒng)［6－7］。全容式LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，罐體傳熱方式包括導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射等多種傳熱方式。根據(jù)全容式LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別從儲(chǔ)罐的罐頂、罐壁和罐底進(jìn)行漏熱分析［8］。

圖1 全容式LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 罐頂漏熱量的計(jì)算

罐頂漏熱的主要形式是罐頂向吊頂?shù)臒彷椛浼皩?duì)流換熱，然后通過吊頂保冷層向內(nèi)罐導(dǎo)熱。

外罐頂通過熱傳導(dǎo)傳入的熱流量（Φ1）為：

罐頂內(nèi)表面與吊頂保冷材料上表面的熱傳導(dǎo)主要有輻射與對(duì)流換熱，熱流量（Φ2）為：

吊頂通過熱傳導(dǎo)傳入罐內(nèi)的熱流量（Φ3）為：

式中λ1、λ2分別為罐頂混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和吊頂上各層保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；δ1、δ2i分別為外罐頂厚度和吊頂上各層保冷材料的厚度，m；T1、T2、T3、T4、Tf分別為罐頂外表面的溫度、罐頂內(nèi)表面的溫度、吊頂保冷層表面的溫度、內(nèi)罐中LNG的溫度、罐頂與吊頂氣相空間的氣體平均溫度，K；A1、A2、A3分別為外罐頂外表面、外罐頂內(nèi)表面和吊頂?shù)拿娣e，m2；h1為罐頂內(nèi)表面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W／（m2·K）；σ為波爾茲曼常數(shù)；ε1、ε2分別為罐頂內(nèi)表面與保冷層上表面的發(fā)射率；X1，2為角系數(shù)。

根據(jù)能量守恒原理，Φ1＝Φ2＝Φ3，聯(lián)立式（1）、（2）、（3），代入已知參數(shù)即可求解罐頂?shù)穆崃俊?/p>

1.2 罐壁漏熱量的計(jì)算

罐壁漏熱的主要形式是罐壁外表面熱量通過罐壁、保冷材料向內(nèi)罐導(dǎo)熱。假設(shè)保冷材料層之間接觸良好，不考慮接觸熱阻。外罐壁導(dǎo)入罐內(nèi)的熱流量（Φ4）為：

式中h為罐外表面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W／（m2· K）；λ3i為外罐壁混凝土和內(nèi)外罐壁環(huán)形空間各保冷層的導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；d1、di分別為外罐直徑和各層的內(nèi)徑，m；T5為外罐壁外表面的溫度，K；L為外罐壁的高度，m。

1.3 罐底漏熱量的計(jì)算

罐底漏熱的主要形式是罐底大氣熱量通過罐底板、保冷材料向內(nèi)罐導(dǎo)熱。假設(shè)罐底與保冷材料接觸良好，不考慮接觸熱阻。外罐底導(dǎo)入罐內(nèi)的熱流量（Φ5）為：

式中λ4i為罐底混凝土和各保冷材料層的導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；δ4i為罐底混凝土和各保冷層的厚度，m；T6為罐底外表面的溫度，K；A4為罐底保冷材料的面積，m2。

1.4 主要參數(shù)的計(jì)算

1.4.1 外罐外表面各部分溫度（T1、T5、T6）

沒有太陽輻射時(shí)，罐頂、罐壁及罐底外表面的溫度與周圍空氣溫度相近，計(jì)算時(shí)可取空氣溫度值；有太陽輻射時(shí)，罐頂壁外表面的溫度比沒有輻射時(shí)高一些，此時(shí)儲(chǔ)罐漏熱量相應(yīng)增加，罐外表面與空氣的對(duì)流換熱量也相應(yīng)增加，根據(jù)熱量平衡方程有：

式中η為受太陽輻射的罐外表面積所占百分比；ε3為罐外表面熱輻射吸收系數(shù)；I為太陽的輻射強(qiáng)度，W／m2；K為儲(chǔ)罐的平均傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；Tw、Te分別為有輻射的外罐外表面各部分平均溫度和環(huán)境空氣的溫度，K。將已知參數(shù)代入式（6）可求出罐外表面的溫度。

1.4.2 儲(chǔ)罐外表面平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（h）

儲(chǔ)罐外表面平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（h）按空氣橫掠過圓管的強(qiáng)制對(duì)流換熱公式計(jì)算：

式中λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；l為特征長度，m；Re為空氣雷諾數(shù)；Pr為空氣的普朗特?cái)?shù)；c、n為常數(shù)。

1.5 儲(chǔ)罐總漏熱量及日蒸發(fā)率的計(jì)算

儲(chǔ)罐的總漏熱量（Φ）為罐頂、罐壁和罐底的漏熱量之和：

考慮到太陽輻射作用及輻射時(shí)間的長短，儲(chǔ)罐的實(shí)際總漏熱量（Φ實(shí)）為：

式中η1為每天太陽輻射時(shí)間百分比；Φ有輻射、Φ無輻射分別為有無太陽輻射時(shí)的總漏熱量，W。

儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率（BOR）是指在1天內(nèi)蒸發(fā)的LNG占儲(chǔ)罐LNG總質(zhì)量的百分比，其計(jì)算公式為：

式中γ為LNG的蒸發(fā)潛熱，J／kg；V為儲(chǔ)罐容積，m3；ρ為LNG密度，kg／m3。

1.6 影響漏熱量的主要因素

從漏熱量的計(jì)算公式可以看出影響儲(chǔ)罐漏熱量的主要參數(shù)有保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)、保冷層的厚度、儲(chǔ)罐表面的吸收率、環(huán)境溫度等。保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，保冷層的厚度越小，環(huán)境溫度越高，漏熱量越大，因此，可選取導(dǎo)熱系數(shù)小的保冷材料并增大保冷層厚度來減小LNG的蒸發(fā)率。儲(chǔ)罐表面的吸收率越大，漏熱量越大，因此，可以在儲(chǔ)罐外表面涂白色涂料或在太陽輻射強(qiáng)烈時(shí)對(duì)罐壁進(jìn)行噴淋降溫以減小漏熱量。

1.7 實(shí)例

以某LNG接收站16×104m3全容式儲(chǔ)罐為例計(jì)算儲(chǔ)罐漏熱量及日蒸發(fā)率。

儲(chǔ)罐基礎(chǔ)參數(shù)及保冷材料參數(shù)見表1、2。

表1 LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)參數(shù)表

表2 LNG儲(chǔ)罐主要保冷材料參數(shù)取值表

假設(shè)每天太陽輻射時(shí)間為12 h，漏熱量及日蒸發(fā)率計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 LNG儲(chǔ)罐漏熱量及日蒸發(fā)率計(jì)算結(jié)果表

16×104m3LNG儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率控制要求為不大于0.050%，計(jì)算結(jié)果為0.047%，因此，本儲(chǔ)罐保冷設(shè)計(jì)符合要求。

2 保冷材料的選擇與安裝

全容式LNG儲(chǔ)罐的保冷系統(tǒng)主要由罐底保冷、罐壁保冷、吊頂保冷和接管保冷等系統(tǒng)構(gòu)成。通過對(duì)漏熱量主要影響因素的分析可知，保冷材料的選取和安裝對(duì)儲(chǔ)罐的保冷效果有重要的影響。

2.1 保冷材料的選擇

用于全容式LNG儲(chǔ)罐的保冷材料除具有較小的導(dǎo)熱系數(shù)外，還應(yīng)滿足密度小、吸水率小、阻燃性強(qiáng)、抗凍性強(qiáng)、價(jià)格低廉、安裝方便的要求，并在極低的溫度下滿足機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕、對(duì)人體無害、經(jīng)久耐用等要求［9］。全容式LNG儲(chǔ)罐的主要保冷材料如表4所示。

表4 全容式LNG儲(chǔ)罐的主要保冷材料統(tǒng)計(jì)表

在保冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及保冷材料的選擇上，除了要考慮保冷材料的絕熱性能外，還應(yīng)結(jié)合儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料的經(jīng)濟(jì)性及安裝方便性等因素綜合考慮。罐底保冷材料需要承受罐體及罐內(nèi)LNG的負(fù)荷，因此，宜選擇抗壓強(qiáng)度較高的泡沫玻璃。吊桿通過焊接及螺栓連接的方式把吊頂懸掛在罐頂鋼梁上，吊頂上保冷材料要選擇密度較小的玻璃纖維氈或膨脹珍珠巖?？紤]到保冷材料的經(jīng)濟(jì)性，內(nèi)外罐壁間環(huán)形空間選擇堆積絕熱方式，保冷材料選用膨脹珍珠巖；儲(chǔ)罐會(huì)因溫度變化產(chǎn)生收縮，因此，在內(nèi)罐壁外安裝彈性玻璃纖維氈為珍珠巖提供彈性，可以防止或減小珍珠巖的沉降。

除了表4中的主要材料外，保冷系統(tǒng)還包括鋁箔、玻璃纖維布、瀝青氈、馬蹄脂、粘結(jié)劑、密封膠、保溫釘?shù)容o助材料。高強(qiáng)度玻璃纖維布及鋁箔保護(hù)層安裝在彈性玻璃纖維氈表面，用于防止其因自重撕裂。水蒸氣對(duì)保冷材料的危害最大，需要對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行防潮隔氣保護(hù)，馬蹄脂和粘結(jié)劑都具有良好的防潮、隔氣性能。

2.2 保冷材料的安裝

大型全容式LNG儲(chǔ)罐保冷系統(tǒng)的施工工程量大，施工工序多，施工質(zhì)量直接影響到儲(chǔ)罐的保冷效果，因此，合理的施工工序及施工方法是保冷材料安裝的關(guān)鍵。以某16×104m3全容式LNG儲(chǔ)罐為例介紹保冷系統(tǒng)的施工方法及注意事項(xiàng)。

2.2.1 罐底保冷

罐底保冷設(shè)計(jì)復(fù)雜，保冷層數(shù)較多，從混凝土底板到內(nèi)罐底板的保冷層依次為：外罐底襯板、素混凝土或干砂找平層、中間墊氈層、多層泡沫玻璃磚（罐內(nèi)外圈為強(qiáng)度較高的泡沫玻璃磚、混凝土環(huán)梁）、中間墊氈層、素混凝土或干砂找平層、第二層罐底板、素混凝土找平層、內(nèi)罐底板，混凝土底板到內(nèi)罐底板的總厚度為700 mm。安裝保冷材料采用從下到上、由內(nèi)而外的施工工序，控制基礎(chǔ)底板及各絕熱層的平整度及縫隙，防止底板扭曲并保證保冷結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，以免出現(xiàn)“熱短路”。

2.2.2 罐壁保冷及熱角保護(hù)

罐壁間環(huán)形空間保冷層由內(nèi)而外依次為彈性玻璃纖維氈、高強(qiáng)度玻璃纖維布和膨脹珍珠巖，由內(nèi)而外進(jìn)行安裝。彈性氈外表面覆蓋玻璃纖維布，通過鉤板懸掛在內(nèi)罐壁外側(cè)，并通過設(shè)置在罐壁表面的保溫釘與罐壁固定。彈性氈懸掛好后使底部貼緊罐壁，修剪超長的部分。為滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，珍珠巖保冷材料在保存、運(yùn)輸及充裝時(shí)都應(yīng)保持干燥。珍珠巖礦通過加熱爐在現(xiàn)場(chǎng)膨脹，從頂部往下分層裝填、分層夯實(shí)，直至填充到頂部。為防止破壞儲(chǔ)罐的附件，在垂直管道及附件與其他部件距離不足1 m時(shí)不進(jìn)行夯實(shí)。填充膨脹珍珠巖前，應(yīng)安裝吊頂密封及珍珠巖隔板，防止填充時(shí)珍珠巖進(jìn)入內(nèi)罐。

熱角保護(hù)系統(tǒng)由第二層底板、高5 m的局部壁板和泡沫玻璃磚保冷層等構(gòu)成。在外罐壁內(nèi)側(cè)先敷設(shè)泡沫玻璃磚，然后安裝局部壁板，局部壁板上部通過環(huán)形板與預(yù)埋件焊接連接。

2.2.3 罐頂及接管保冷

吊頂上敷設(shè)10層厚度為100 mm的玻璃纖維氈，由不銹鋼絲等與吊頂固定。敷設(shè)時(shí)修剪玻璃纖維氈，使開口適合吊頂?shù)鯒U和其他支撐物。

接管保冷采用套管結(jié)構(gòu)，在冷管和套管之間充填彈性玻璃纖維氈進(jìn)行保冷。接管保冷材料的安裝應(yīng)先于珍珠巖填充與吊頂保冷材料的敷設(shè)。

3 結(jié)論

1）根據(jù)全容式LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別計(jì)算了罐頂、罐壁和罐底處的漏熱量，給出了全容式LNG儲(chǔ)罐總漏熱量及日蒸發(fā)率的計(jì)算方法。對(duì)某LNG儲(chǔ)罐保冷設(shè)計(jì)的日蒸發(fā)率進(jìn)行了核算，結(jié)果表明其符合控制要求。對(duì)保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)、保冷層厚度、儲(chǔ)罐表面及保冷材料吸收率等影響漏熱量的主要因素進(jìn)行了分析，保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)、吸收率越小，保冷層厚度越大，儲(chǔ)罐的保冷效果越好。

2）根據(jù)保冷材料選擇的原則，給出了全容式LNG儲(chǔ)罐各保冷系統(tǒng)適用的主要保冷材料。針對(duì)保冷系統(tǒng)施工工程量大、交叉作業(yè)多等特點(diǎn)，以某16×104m3全容式LNG儲(chǔ)罐為例給出了儲(chǔ)罐各部分保冷系統(tǒng)的施工工序及施工方法，總結(jié)了保冷材料安裝時(shí)所需注意的事項(xiàng)。

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Thermal insulation performance and cold insulation system of full containment LNG storage tanks

Peng Ming1，Ding Yi2
（1.Sinopec Qingdao Liquefied Natural Gas Co.，Ltd，Qingdao，Shandong 266400，China；2.Sinopec Natural Gas Branch Company，Beijing 100120，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 3，pp.94－97，3／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

The storage tanks at China＇s large LNG receiving terminals are all full containment LNG tanks.Generally，these tanks are in the state of low temperature and micro－positive pressure.When external heat is absorbed，LNG will evaporate and energy consumption will be increased.In addition，it might result in stratification and rollover of the tanks，causing potential safety hazards.Therefore，it is necessary to perform researches into the thermal and cold insulation performance of LNG storage tanks.Based on the structural characteristics of full containment LNG tanks，calculations are conducted of the heat leakage of tank roof，wall and bottom.This paper further takes examples to calculate and analyze the total heat leakage and daily evaporation rate of the tanks，and discusses the coal insulation performances of LNG storage tanks and the main influencing factors of the heat transfer.The paper provides reference to the design of the cold insulation system of LNG storage tanks.In addition，it also performs a study on the selection principles of insulation materials，construction methods and points for attention of the cold insulation system of LNG storage tanks.

LNG，full containment tank，heat leakage，daily evaporation rate，thermal insulation system，cold insulation system，cold insulation materials，cold insulation construction

彭明，1985年生，碩士；主要從事液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)研究工作。地址：（266400）山東省青島市膠南珠海東路387號(hào)海西大酒店2111。電話：18653285751。E－mail：sdpengming＠163.com

彭明等.全容式LNG儲(chǔ)罐絕熱性能及保冷系統(tǒng)研究.天然氣工業(yè)，2012，32（3）：94－97.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.03.021

（修改回稿日期 2012－01－12 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.03.021

Peng Ming，born in 1985，holds an M.Sc.degree and is mainly engaged in research of LNG storage and transportation technology.

Add：Room 2111，West Coast Hotel，No.387，East Zhuhai Rd.，Jiaonan District，Qingdao，Shandong 266400，P.R.China

Mobile：＋86－18653285751 E－mail：sdpengming＠163.com