在用LNG低溫真空絕熱容器漏熱量監(jiān)測(cè)

李正清，何　丹，王田剛，蔡宇宏，劉筱文

（無錫泓瑞航天科技有限公司，江蘇 無錫　214000）

在用LNG低溫真空絕熱容器漏熱量監(jiān)測(cè)

李正清，何丹，王田剛，蔡宇宏，劉筱文

（無錫泓瑞航天科技有限公司，江蘇 無錫214000）

LNG低溫真空絕熱容器在使用過程中因真空絕熱夾層內(nèi)材料放氣、漏氣以及夾層材料的老化、松散等原因，可導(dǎo)致低溫容器真空絕熱性能下降，致使低溫容器內(nèi)的低溫液體的蒸發(fā)量增加，造成液體的浪費(fèi)，此時(shí)儲(chǔ)罐蒸發(fā)率可能超過要求，使得儲(chǔ)罐不能繼續(xù)使用。論文介紹了一種簡(jiǎn)單的方法對(duì)低溫容器的漏熱量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若儲(chǔ)罐漏熱量超過限定值時(shí)報(bào)警提醒，確保低溫容器的使用安全、人員安全。

低溫；真空絕熱；漏熱

0　引言

隨著液化天然氣（LNG）行業(yè)的快速發(fā)展，使得與其配套的貯存和運(yùn)輸設(shè)備也出現(xiàn)了前所未有的快速增長(zhǎng)之勢(shì)。特別是近幾年來，隨著我國(guó)液化天然氣的推廣普及，存貯、運(yùn)輸LNG的低溫設(shè)備形式已多樣化，需求量也迅速增加。近期的大氣污染和霧霾等惡劣氣候狀況影響，使得國(guó)家在清潔能源利用方面的支持力度加大，政策性扶持條件增多，諸多條件推動(dòng)了我國(guó)以LNG為動(dòng)力能源的輸運(yùn)設(shè)備產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，LNG低溫設(shè)備的需求量急劇增加。

LNG儲(chǔ)罐盛裝的低溫液化天然氣處于深低溫狀態(tài)，特點(diǎn)是液體溫度低、氣化潛熱小、氣液體積比大、蒸發(fā)后局部濃度大，由此決定了低溫容器必須具備良好的絕熱性、密閉性及安全可靠性。對(duì)低溫液體和低溫容器的使用、管理不慎有可能造成火災(zāi)、爆炸、窒息等嚴(yán)重事故，給國(guó)家和人民財(cái)產(chǎn)造成損失。因此通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)LNG低溫容器的漏熱量來監(jiān)測(cè)低溫容器真空絕熱性能，確保低溫容器的使用安全是非常必要的。

1　物理模型

低溫真空絕熱容器中的LNG外部漏熱主要由內(nèi)外容器殼體間支撐及管道的導(dǎo)熱、真空絕熱夾層內(nèi)氣體對(duì)流換熱及內(nèi)外壁間輻射換熱導(dǎo)致其內(nèi)儲(chǔ)罐壓力、溫度的升高，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG壓力、溫度變化情況，可進(jìn)行低溫容器漏熱量的計(jì)算分析，確定低溫容器的漏熱量。

首先在LNG儲(chǔ)罐頂部和底部設(shè)置溫度壓力傳感器，測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)LNG的飽和蒸氣壓力和溫度，并通過飽和溫度和壓力的關(guān)系式確保測(cè)試值的準(zhǔn)確性。LNG儲(chǔ)罐放置一段時(shí)間后，漏熱導(dǎo)致容器內(nèi)飽和溫度和壓力升高，蒸氣密度增大，同時(shí)容器內(nèi)LNG的溫度也升高。因此通過計(jì)算容器內(nèi)飽和蒸氣壓及LNG內(nèi)能的變化就能夠確定LNG儲(chǔ)罐的漏熱量。

2　方案設(shè)計(jì)

在用LNG低溫真空絕熱容器漏熱監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)如圖1所示，低溫真空絕熱容器在靜置或運(yùn)動(dòng)過程中（運(yùn)輸槽車），因漏熱和液體晃動(dòng)作用等影響會(huì)使低溫容器內(nèi)的壓力升高，因此在低溫真空絕熱容器的頂部和底部各設(shè)置一組溫度和壓力的傳感器，測(cè)量容器內(nèi)溫度及壓力的變化。

圖1　低溫容器漏熱量監(jiān)測(cè)示意圖

2.1確認(rèn)測(cè)試數(shù)值有效

低溫真空絕熱容器內(nèi)LNG液體飽和壓力與溫度的關(guān)系如式（1）[2]所示，將溫度壓力傳感器A測(cè)得的數(shù)值代入式（1），如滿足式（1），即兩邊計(jì)算值相等，且溫度傳感器A與B的差值在誤差允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為測(cè)得的溫度壓力正確有效。

式中：p為傳感器A測(cè)試飽和蒸氣壓；T為飽和蒸氣壓對(duì)應(yīng)的溫度。

2.2低溫介質(zhì)質(zhì)量計(jì)算

低溫容器中的介質(zhì)包括低溫液體與氣體，初始時(shí)刻低溫介質(zhì)總質(zhì)量由式（2）[2]確定

其中氣體及液體的體積可由液位計(jì)通過計(jì)算得出，也可采用溫度壓力傳感器中A與B的壓差計(jì)算低溫容器內(nèi)液體及氣體體積，LNG密度由式（3）[2]計(jì)算：

LNG飽和蒸氣的密度由式（4）[2]計(jì)算。

一段時(shí)間后因漏熱溫度及壓力均發(fā)生變化，但容器內(nèi)總質(zhì)量不變，此時(shí)容器內(nèi)氣體及液體的體積可通過方程組（5）進(jìn)行計(jì)算。

2.3低溫介質(zhì)內(nèi)能計(jì)算

低溫容器內(nèi)介質(zhì)的內(nèi)能由液體及氣體內(nèi)能組成，由式（6）計(jì)算：

其中液體或氣體的內(nèi)能通過溫度及定壓比熱由式（7）[3]計(jì)算：

2.4低溫介質(zhì)內(nèi)能變化

一段時(shí)間內(nèi)低溫介質(zhì)內(nèi)能的變化即為低溫容器的漏熱量，可以通過式（10）進(jìn)行計(jì)算。

2.5低溫容器蒸發(fā)率計(jì)算

低溫容器真空絕熱性能的優(yōu)劣由容器的靜態(tài)蒸發(fā)率確定，不同絕熱形式、容積的蒸發(fā)率指標(biāo)可參照GB/T 18442的要求。其衡量標(biāo)準(zhǔn)為每天蒸發(fā)的液體占有效容積的比值（%/d），且標(biāo)準(zhǔn)中一般按照液氮的蒸發(fā)量來衡量，因此需要將漏熱量轉(zhuǎn)化為液氮的蒸發(fā)量，并獲得低溫容器的蒸發(fā)率α[8]。

3　計(jì)算及結(jié)果分析

某一儲(chǔ)存LNG低溫容器內(nèi)膽容積為30 m3，有效容積為27.5 m3的真空粉末絕熱低溫容器。初始時(shí)刻溫度壓力傳感器A和B的值分別為PA1、TA1和PB1、TB1，此時(shí)液位高度對(duì)應(yīng)的液體體積為20.0 m3，放置1.5 h后，因漏熱導(dǎo)致其溫度、壓力升高，此時(shí)溫度壓力傳感器A和B的值分別為PA2、TA2和PB2、TB2，相應(yīng)的液位高度對(duì)應(yīng)的液體體積為20.53 m3，具體如表1所列。

表1　1.5 h前后溫度壓力傳感器值

將表1中的參數(shù)代入式（1）～（9）計(jì)算得到各參數(shù)值如表2所列。

表2　低溫容器漏熱及蒸發(fā)量計(jì)算

由表2的計(jì)算可知，該低溫容器目前漏熱量換算液氮的靜態(tài)蒸發(fā)率為0.426%/d，按GB/T 18442的規(guī)定，該低溫容器的規(guī)定靜態(tài)蒸發(fā)率值為0.445%/d，滿足設(shè)計(jì)要求。按照目前在用低溫容器定檢靜態(tài)蒸發(fā)率指標(biāo)為規(guī)定值2倍的要求，當(dāng)傳感器測(cè)得低溫容器蒸發(fā)率超過規(guī)定值2倍時(shí)，進(jìn)行報(bào)警，然后對(duì)低溫容器全面檢修，確保低溫容器的使用安全。

4　結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)低溫真空絕熱容器在使用過程中，尚未對(duì)其性能進(jìn)行有效的全程監(jiān)測(cè)，按照國(guó)家低溫容器使用規(guī)范要求，每隔3～5年需要進(jìn)行定檢，定檢過程較為繁瑣、周期長(zhǎng)，且不能對(duì)低溫容器的使用性能形成實(shí)時(shí)有效監(jiān)管。在用LNG低溫真空絕熱容器漏熱量監(jiān)測(cè)通過對(duì)低溫真空絕熱容器內(nèi)溫度及壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建立反映低溫容器綜合性能的靜態(tài)蒸發(fā)率與溫度及壓力參數(shù)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)低溫真空絕熱容器性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可將測(cè)量的結(jié)果通過無限網(wǎng)絡(luò)等實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控室，存在超標(biāo)時(shí)及時(shí)報(bào)警并處理，確保低溫容器的使用安全及人員安全。

[1]黃永華，陳國(guó)邦.低溫流體熱物理性質(zhì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014.

[2]陳國(guó)邦，包銳，黃永華.低溫工程技術(shù)[M].數(shù)據(jù)卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3]華自強(qiáng)，張忠進(jìn).工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

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[8]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB24159-2009.焊接絕熱氣瓶[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[9]中國(guó)鍋爐壓力標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB/T 18443-2010.靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[10]國(guó)家低溫容器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心.GB/T18443-2001.靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

USING LNG CRYOGENIC VACUUM HEAT REJECTED VOLUME LEAK ING HEAT DETECTED

LIZheng-qing，HE Dan，WANG Tian-gang，CAIYu-hong，LIU Xiao-wen
（WuxiHongruiaerospace Technology Co.，Ltd，W uxi Jiangsu214000，China）

Performance of LNG cryogenic vacuum heat rejected volume decreased，because of gas releasing or leaking of the volume wallmaterial，or old and loose interlayermaterial.And cryogenic volume evaporation w ill increase，which result in volume setatdangerous state.Therefore it is necessary to detect cryogenic volume performance via simple method，in order to ensure safety of person and reduce thewasteof LNG liquid.Detected equipmentw illalarm if the cryogenic volumeevaporation exceeds the limit.

cryogenic；vacuum heat rejected；heat leaking

TB61

A

1006-7086（2016）01-0053-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.01.012

2015-10-14

李正清（1984-），男，工程師，碩士研究生，主要從事真空低溫技術(shù)及檢測(cè)。E-mail：ahanda-nwpu@163.com。