大型LNG低溫儲(chǔ)罐保冷標(biāo)準(zhǔn)與性能計(jì)算

吳文海，岳鵬，馬文慶

1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(陜西西安710065)

2.陜西延長(zhǎng)石油化建股份有限公司(陜西西安712100)

3.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(陜西西安710065)

大型LNG低溫儲(chǔ)罐保冷標(biāo)準(zhǔn)與性能計(jì)算

吳文海1，2，岳鵬1，馬文慶3

1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(陜西西安710065)

2.陜西延長(zhǎng)石油化建股份有限公司(陜西西安712100)

3.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(陜西西安710065)

利用ANSYS軟件對(duì)LNG低溫儲(chǔ)罐的罐底、罐壁及罐頂進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬，并將模擬結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。對(duì)罐底、罐壁及罐頂絕熱部分進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，最終得到保冷設(shè)計(jì)在保冷性能方面可以滿足工程需要。

漏熱量;低溫儲(chǔ)罐;熱傳導(dǎo)

1 大型LNG低溫儲(chǔ)罐保冷標(biāo)準(zhǔn)

全容式LNG低溫儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存介質(zhì)需要-165℃來(lái)存儲(chǔ)，儲(chǔ)罐的保冷性能是LNG低溫儲(chǔ)罐的一項(xiàng)重要指標(biāo)［1］。12萬(wàn)m3全容式LNG低溫儲(chǔ)罐為低溫微正壓狀態(tài)，為了確保儲(chǔ)罐中的冷量，金屬內(nèi)罐與混凝土外罐之間有保冷材料填充，主要分為頂部、罐壁、底部3大部分，保冷材料將減少罐內(nèi)的LNG與外界環(huán)境之間的熱量傳遞，避免造成LNG的氣化和翻滾［2］。

全容式LNG低溫儲(chǔ)罐的低溫特性要求儲(chǔ)罐必須具有完善的保冷絕熱性能，以防止外界熱量的漏入［3］。針對(duì)大型的LNG低溫儲(chǔ)罐，熱量交換的方式有:傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等。熱量的交換會(huì)導(dǎo)致低溫儲(chǔ)罐中部分液化天然氣發(fā)生氣化，產(chǎn)生蒸發(fā)氣體(Boiloff Gas，簡(jiǎn)稱BOG)。在國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)BS EN-14620-2-2006《設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)建造立式、圓筒形、平底、鋼制、操作溫度介于0℃～-165℃的冷卻液化氣儲(chǔ)罐第二部分:金屬構(gòu)件》是將滿罐作為基準(zhǔn)，根據(jù)儲(chǔ)罐的容量來(lái)規(guī)定氣化率，液化天然氣(LNG)氣化率見表1。

2 LNG低溫儲(chǔ)罐保冷設(shè)計(jì)

全容式LNG低溫儲(chǔ)罐主要由金屬內(nèi)罐、內(nèi)外罐之間的保冷、以及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土外罐材料以及其他工藝儀表及管線組成［4］。保冷材料的填充根據(jù)區(qū)域分布分為3部分，罐頂、罐壁、罐底。

表1 LNG低溫儲(chǔ)罐氣化率控制要求

2.1 金屬內(nèi)罐頂部漏熱量計(jì)算

儲(chǔ)罐頂部的結(jié)構(gòu):內(nèi)罐的頂部為鋁合金吊頂，通過(guò)吊桿連接到外罐拱頂，吊頂上方敷設(shè)有保冷材料，在鋁合金吊頂和內(nèi)罐壁頂部設(shè)有柔性密封裝置，頂部的常規(guī)絕熱設(shè)計(jì)是在鋁吊頂?shù)纳戏剑佋O(shè)玻璃纖維氈。

在儲(chǔ)罐頂部自然漏熱量的計(jì)算過(guò)程中，涉及公式為:

式中:q頂是LNG低溫儲(chǔ)罐頂部單位面積上傳熱量，W/m2;λ是頂部保冷材料玻璃纖維氈導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃);d是頂部保冷材料玻璃纖維氈厚度，m;t2是LNG低溫儲(chǔ)罐吊頂上方氣體溫度，℃;t1是LNG低溫儲(chǔ)罐吊頂下方蒸發(fā)氣體溫度，℃。

頂部漏熱量Q頂:

式中:Q頂是頂部總漏熱量，單位為W;A頂是LNG低溫儲(chǔ)罐頂部保冷層面積，單位為m2。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，LNG低溫儲(chǔ)罐吊頂下方的蒸發(fā)氣溫度一般在-100℃左右。

2.2 金屬內(nèi)罐底部漏熱量計(jì)算

金屬內(nèi)罐底部主要以熱傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱。使用泡沫玻璃磚作為絕熱材料，該材料的耐壓強(qiáng)度足夠承受液體與內(nèi)罐的總重量。在泡沫玻璃磚的之間要鋪設(shè)油氈，最上層和最下層泡沫玻璃磚要鋪設(shè)一層干沙找平層，在內(nèi)罐壁下方需鋪設(shè)一層珍珠巖混凝土支承圈，用以支撐整個(gè)內(nèi)罐壁的重量。

計(jì)算罐底漏熱的過(guò)程中，罐底邊緣區(qū)域(底圈罐壁下方)的保冷層和中心部位的保冷層存在差異。在漏熱量的計(jì)算過(guò)程中，需要將罐底的漏熱分為中心部分和支承圈部分，并分別計(jì)算。

2.2.1 罐底中心部分

罐底部中心部分傳熱系數(shù):

式中:a中心為罐底部中心部分傳熱系數(shù)，W/(m2·k);d1-5為各保冷層厚度，m;λ1-5為各保冷層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)。

單位面積的傳熱量:

式中:t1為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐液體溫度，℃;t2為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐混凝土基礎(chǔ)維持溫度，℃(一般情況下，t1取-165℃，取t2為20℃);q中心為單位面積傳熱量，W/m2。

罐底中心漏熱量:

式中:Q中心為底部中心總漏熱量，W;A中心為罐底中心面積，m2。

2.2.2 罐底支承圈部分

罐底部支承圈部分傳熱系數(shù):

式中:a支撐圈為罐底部支承圈部分傳熱系數(shù)，W/ (m2·k);d1-5為各保冷層的厚度，m;λ1-5為各保冷層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)。

單位面積的傳熱量:

式中:t1為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐液體溫度，℃;t2為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐混凝土基礎(chǔ)維持溫度，℃，(一般情況下，t1為-165℃，t2為20℃);q支承圈為單位面積傳熱量，W/m2。

罐底支承圈漏熱量:

式中:Q支承圈為底部支承圈總漏熱量，W;A支承圈為罐底支承圈面積，m2。

罐底的總漏熱量是罐底中心和罐底支承圈2部分漏熱量之和。

2.3 金屬內(nèi)罐罐壁漏熱量計(jì)算

目前絕大部分大中型LNG低溫儲(chǔ)罐內(nèi)外罐之間以珍珠巖作為填充物。為了減弱因溫度變化而使內(nèi)罐承受的外壓，在內(nèi)罐罐壁外側(cè)覆蓋一層具有較好回彈性能的彈性氈(玻璃纖維棉)，利用彈性氈來(lái)緩解珍珠巖對(duì)內(nèi)罐施加的外壓力。

在計(jì)算罐壁漏熱量的過(guò)程中，涉及了2種保冷材料;

側(cè)面總傳熱系數(shù):

式中:a側(cè)為儲(chǔ)罐側(cè)面的總傳熱系數(shù)，W/(m2·k); λ1為彈性氈的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k);d1為彈性氈的厚度，m;λ2為膨脹珍珠巖的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k);d2為膨脹珍珠巖的厚度，m。

2.4 LNG低溫儲(chǔ)罐的總漏熱量和日蒸發(fā)量

通過(guò)對(duì)LNG低溫儲(chǔ)罐3個(gè)不同部位漏熱量的計(jì)算，最終能夠獲得儲(chǔ)罐總的自然漏熱量:

式中:Q總為日漏熱量，kJ/d。

LNG低溫儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率:

式中:α為儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率，%;G為儲(chǔ)罐內(nèi)LNG總?cè)萘?，kg;m為L(zhǎng)NG日蒸發(fā)量，kg/d;Lb為L(zhǎng)NG的氣化潛熱，kJ/kg;Ve為儲(chǔ)罐的有效容積，m3;ρ為L(zhǎng)NG的密度，kg/m3。

3 LNG低溫儲(chǔ)罐絕熱部分?jǐn)?shù)值模擬

引入ANSYS對(duì)溫度場(chǎng)的模擬可得到LNG儲(chǔ)罐一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù)［5］，如熱量的獲取或損失、熱梯度等，利用ANSYS對(duì)LNG儲(chǔ)罐的罐底、罐壁及罐頂進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬，并將模擬結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

3.1 罐壁絕熱部分

采用PLANE182單元建立罐壁絕熱部分的局部模型，該模型真實(shí)的建立了罐壁、彈性毛氈、膨脹珍珠巖、混凝土罐壁，并將各種材料的傳熱系數(shù)、厚度等因素考慮在內(nèi)，使模擬結(jié)果更加接近實(shí)際情況。

圖1 罐壁溫度分布云圖

由圖1可見，LNG內(nèi)罐罐壁與混凝土罐壁溫差182℃，內(nèi)罐罐壁溫度為-165℃(111.6K)，混凝土內(nèi)罐罐壁溫度為21℃(293.87K)，溫度梯度主要在保冷層發(fā)生，說(shuō)明彈性氈與膨脹珍珠巖組成的保冷層很好的阻止了外界熱量流入罐內(nèi)。

通過(guò)一系列的數(shù)值計(jì)算可得:罐壁熱流密度為7.126W·m2。經(jīng)過(guò)換算可得:LNG儲(chǔ)罐罐壁漏熱量為47 627W。

3.2 罐底絕熱部分

罐底絕熱部分的模擬，根據(jù)罐底結(jié)構(gòu)及敷設(shè)保冷材料的不同分為兩部分:中心部分和邊緣支撐圈部分。邊緣支撐圈部分需要在滿足保冷性的前提下，有足夠的強(qiáng)度支撐罐壁所帶來(lái)的壓力。

通過(guò)模擬計(jì)算，混凝土外罐罐底溫度為20℃(297.8K)，內(nèi)罐罐底溫度為-165℃(111.6K)，LNG混凝土外罐罐底與內(nèi)罐罐底溫差達(dá)186℃，溫度梯度主要在保冷層，這說(shuō)明外界熱量很難從罐底流入罐內(nèi)，保冷層很好的阻止了熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的進(jìn)行。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出，邊緣帶混凝土支撐圈部分熱流密度為8.53W·m2，罐中心部分熱流密度為7.621W·m2，罐底邊緣漏熱量要大于罐底中心。將兩部分的漏熱量進(jìn)行加和可得:LNG低溫儲(chǔ)罐罐底總漏熱量為26 244W。

3.3 罐頂絕熱部分

LNG低溫儲(chǔ)罐在罐頂采取的保冷措施主要是在金屬內(nèi)罐的吊頂上敷設(shè)一定厚度的玻璃纖維氈。

通過(guò)模擬計(jì)算，LNG低溫儲(chǔ)罐罐頂溫度梯度分布方向基本與罐頂垂直?；炷镣夤揄敎囟认陆捣容^小，吊頂與拱頂之間的氣相空間為主要降溫區(qū)域。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得，罐頂熱流密度范圍為0.22～2.2W·m2。若將罐頂分為中心區(qū)和邊緣區(qū)兩部分，分別取平均值進(jìn)行換算，可得LNG低溫儲(chǔ)罐罐頂熱量為17 691W。

通過(guò)對(duì)LNG低溫儲(chǔ)罐3個(gè)不同部位漏熱量的計(jì)算，最終能夠獲得儲(chǔ)罐總的自然漏熱量:

LNG儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)率:

參考表1中的標(biāo)準(zhǔn)值:α=0.027 1%＜0.05%

4 結(jié)論

1)利用有限元模擬方法對(duì)全容式LNG低溫儲(chǔ)罐進(jìn)行了溫度場(chǎng)方面的計(jì)算，將數(shù)值模擬結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行對(duì)比。該12萬(wàn)m3的LNG儲(chǔ)罐達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

2)通過(guò)數(shù)值模擬，全容式LNG低溫儲(chǔ)罐通過(guò)在罐壁鋪設(shè)彈性毛氈、膨脹珍珠巖;罐底絕熱材料使用泡沫玻璃磚，在泡沫玻璃磚之間鋪設(shè)油氈，在內(nèi)罐壁下是一層珍珠巖混凝土的支承圈;金屬內(nèi)罐的吊頂上敷設(shè)一定厚度的玻璃纖維氈;這些保冷設(shè)計(jì)在保冷性能方面可以滿足工程需要。

3)但是在實(shí)際中，由于膨脹珍珠巖的沉積，罐底絕熱材料泡沫玻璃磚的壓縮，玻璃纖維氈保溫性能的劣化，整個(gè)儲(chǔ)罐的保冷性能會(huì)下降。

根據(jù)計(jì)算，整個(gè)儲(chǔ)罐的保冷性能和標(biāo)準(zhǔn)值相比還是有富余的。

［1］GB/T 26978-2011現(xiàn)場(chǎng)組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)液化天然氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造［S］.

［2］黃莉.大型LNG儲(chǔ)罐氣相空間模擬研究［D］.成都:西南石油大學(xué)，2005.

［3］周永春，劉浩.LNG低溫儲(chǔ)罐絕熱性能的探究［J］.化工設(shè)計(jì)，2010，20(2):17-19.

［4］李海潤(rùn)，徐嘉爽，李兆慈.全容式LNG儲(chǔ)罐罐體溫度場(chǎng)計(jì)算及分析［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2012，30(4):15-19.

［5］孫恒，余庭，馬文華，等.LNG大型儲(chǔ)罐角保冷塊處溫度場(chǎng)的有限元分析［J］.低溫技術(shù)，2011，38(4):15-17.

The temperature fields of the bottom，the wall and the roof of the LNG cryogenic storage tank are simulated using ANSYS software，and the simulation results are compared with the standard values.The results show that the insulation performance of the bottom，the wall and the roof of the tank can meet the engineering requirements.

heat loss;cryogenic storage tank;heat conduction

萍

2015-06-29

吳文海(1970-)，男，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事管理和設(shè)備技術(shù)工作。