20 萬m3大型LNG 儲罐罐底保冷設(shè)計淺析

上海液化天然氣有限責(zé)任公司 金 罕 王 春

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 揚 帆

隨著“煤改氣”的進(jìn)一步推進(jìn)，國內(nèi)對清潔能源的需求迅猛增長，2018 年初開始，國家發(fā)改委先后出臺了加快天然氣儲備基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、管網(wǎng)互聯(lián)互通等政策，十三五期間，LNG 接收站新建、擴(kuò)建項目建設(shè)步入空前的快車道。為應(yīng)對新形勢，儲罐大型化成為國內(nèi)LNG 行業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢。

目前國內(nèi)已投產(chǎn)及在建的最大LNG 儲罐罐容為20 萬m3，本文以上海某20 萬m3大型LNG 儲罐建設(shè)為例，對該儲罐罐底保冷設(shè)計進(jìn)行相應(yīng)的分析和探討。

1 儲罐結(jié)構(gòu)

該LNG 儲罐為全容罐結(jié)構(gòu)，內(nèi)罐為頂部敞開結(jié)構(gòu)，材料為X7Ni9 鋼，內(nèi)罐直徑為84 m，常溫下高度為40.82 m。內(nèi)罐頂部吊頂材質(zhì)為鋁合金板，與罐頂拱頂梁通過不銹鋼拉桿連接，見圖1。

圖1 某20 萬m3 大型LNG 儲全容罐結(jié)構(gòu)示意

混凝土外罐由鋼筋混凝土承臺、后張拉式混凝土罐壁、鋼筋混凝土罐頂組成，罐底承臺與罐壁、罐壁與罐頂均采用剛性連接。外罐壁內(nèi)徑86 m，承臺中心區(qū)域厚度0.8 m，邊緣厚度1.3 m。

2 儲罐保冷設(shè)計

由于LNG 的低溫特性及LNG 儲罐保冷材料性能的局限性，外界環(huán)境不可避免的會向儲罐內(nèi)漏熱，從而引起罐內(nèi)LNG 內(nèi)能增加，溫度上升，其中的輕組分逐漸揮發(fā)出來，成為蒸發(fā)氣。氣體不斷增多，會引起儲罐內(nèi)壓力升高，當(dāng)壓力達(dá)到安全閥值后，就會開啟安全閥排氣。

為減少儲罐漏熱、儲罐BOG 產(chǎn)生，LNG 儲罐必須設(shè)置完善的保冷系統(tǒng)，內(nèi)罐和外罐間的環(huán)狀空間及懸掛的內(nèi)吊頂都必須用絕熱材料進(jìn)行填充保冷，日蒸發(fā)率為一般為0.05 %/d(以純甲烷計，質(zhì)量百分濃度)。

一般來說，儲罐保冷系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)LNG 儲罐結(jié)構(gòu)和熱工要求進(jìn)行設(shè)計。此外，還應(yīng)考慮安裝方法、試運行及停運(置換、氣體排除)的要求。

不同類型的儲罐及儲罐不同部位(罐底、罐壁、罐頂)的保冷設(shè)計截然不同。罐底保冷設(shè)計一般為難點，一方面因為LNG 全容儲罐底部保冷材料應(yīng)能承受上部LNG 產(chǎn)品或儲罐本體的荷載，保溫層應(yīng)具有足夠的抗壓強(qiáng)度，另外罐底部保冷材料可能受到橫向力作用(如地震力)，保冷層應(yīng)具有足夠的抗拉強(qiáng)度和剪切性能同時需要考慮底部保冷。另外一方面，由于罐底保冷材料導(dǎo)熱系數(shù)一般較大，相對于罐壁、罐頂保冷，常規(guī)情況下罐底及附近熱角保護(hù)區(qū)域附近最容易漏冷而結(jié)霜或結(jié)露，更嚴(yán)重的時候底部表面可能會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，因此本文重點對罐底的保冷設(shè)計進(jìn)行若干探討。

3 罐底保冷材料選擇

泡沫玻璃磚為玻璃發(fā)泡無機(jī)材料制品，是目前行業(yè)內(nèi)性能最為穩(wěn)定的保冷材料，在LNG 行業(yè)中常用于LNG 儲罐罐底保冷、LNG 管道及容器保冷。

3.1 罐底保冷結(jié)構(gòu)及材料

目前用在LNG 儲罐保冷的泡沫玻璃磚主要有3 種型號，包括Grade 24(即2400 型)、Grade 16(即1600 型)和Grade 8(即800 型)(Grade 是美標(biāo)ASTM定義型式，后面的數(shù)字為抗壓強(qiáng)度平均值，如Grade 24 表示抗壓強(qiáng)度平均值為不小于2.4 MPa)，其典型結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 預(yù)應(yīng)力混凝土外罐全容罐罐底絕熱系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意

圖2 中，Grade 8 用在罐底中心區(qū)域以及熱角保護(hù)系統(tǒng)(TCP)墻體背部中。Grade 24 或Grade 16一般用于儲罐底部邊緣，用于承受較大的內(nèi)罐壁板重量荷載。對于地震力較小區(qū)域一般Grade 16 就能能夠滿足強(qiáng)度要求，對于地震力較大地區(qū)一般邊緣選用承壓強(qiáng)度較大的Grade 24 泡沫玻璃磚。上海某20萬m3大型LNG 儲罐底部邊緣保冷材料由于承壓強(qiáng)度要求較高，選用Grade 24 泡沫玻璃磚。

國內(nèi)LNG 項目罐底絕熱泡沫玻璃一般為3～4層，之間錯縫要求至少100 mm，避免存在貫穿縫隙，每層泡沫玻璃之間均要求一層瀝青氈防潮層。瀝青氈用在罐底泡沫玻璃磚保冷層之間用作防潮層和緩沖層，瀝青氈上下層泡沫玻璃磚由于低溫運行溫度不同，低溫收縮量也不同，瀝青氈用來緩沖上下兩層泡沫玻璃磚低溫收縮量不同帶來的摩擦滑動。瀝青氈同時可以使每一層的泡沫玻璃磚層都能達(dá)到最佳抗壓強(qiáng)度和長久使用過程中不出現(xiàn)裂紋。

3.2 材料性能要求

泡沫玻璃磚的密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱率要求見表1、表2，其中密度為名義批量平均密度，其公差為±15%。

其它性能要求：尺寸為457 mm×610 mm 或450 mm×600 mm(長×寬)或買方認(rèn)可的其他尺寸的泡沫玻璃隔熱塊；長度、寬度和厚度公差的批量平均值應(yīng)分別不超過規(guī)定尺寸2.0 mm、2.0 mm 和1.0 mm；外觀方面：盤紋、未被加工的表面或過燒表面面積不超過96.5 cm2(15 inch2)和深度不超過1.6 mm(0.063 inch)，面積和深度兩個指標(biāo)分別執(zhí)行，任一指標(biāo)超限則視為泡沫玻璃磚外觀不合格。

表1 泡沫玻璃磚密度和抗壓強(qiáng)度要求

表2 泡沫玻璃磚導(dǎo)熱系數(shù)要求

4 儲罐熱工計算

一般來說，儲罐罐底保冷系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)和熱工要求進(jìn)行設(shè)計。此外，還應(yīng)考慮安裝方法、試運行及停運(置換、氣體排除)因素的要求。

罐底熱工設(shè)計中，除絕熱系統(tǒng)的熱阻之外，還應(yīng)考慮儲罐其它部件的熱阻，如建造構(gòu)件(混凝土)或儲罐內(nèi)部的蒸發(fā)氣空間，應(yīng)盡可能計算各構(gòu)件在罐中各自位置和相應(yīng)的溫度范圍內(nèi)的熱阻。

罐底保冷結(jié)構(gòu)、熱工設(shè)計應(yīng)考慮以下幾方面：

(1)基礎(chǔ)底板的平整度，如內(nèi)襯鋼板可能會發(fā)生扭曲變形；

(2)各保冷層的平整度；

(3)使用輔助材料來提高承載以及荷載傳遞能力，如在保冷材料層間設(shè)置夾層；

(4)防水層和隔氣層；

(5)如果有規(guī)定，應(yīng)考慮置換裝置。

罐底按照保冷布置不同，分為中心區(qū)域、邊緣A 區(qū)域、邊緣B 區(qū)域，如圖3 所示。

圖3 罐底保冷熱工計算漏熱區(qū)域劃分

罐底某小時的漏熱量計算公式如下：

式中：

Q底——罐底小時漏熱量，W；

Qb——罐底中心區(qū)域小時漏熱量，W；

QbA——罐底A 區(qū)域漏熱量，W；

QbB——罐底B 區(qū)域漏熱量，W；

Ab——罐底中心區(qū)域的傳熱面積，m2；

AbA——罐底A 區(qū)域的傳熱面積，m2；

AbB——罐底B 區(qū)域的傳熱面積，m2。

5 復(fù)核驗算

對于高架空承臺基礎(chǔ)，罐底保冷層的厚度應(yīng)根據(jù)規(guī)定的總的最大熱滲入量和盡可能少冷凝/結(jié)冰的要求來確定，需要熱工校核環(huán)境濕度下儲罐底部、熱角保護(hù)系統(tǒng)不出現(xiàn)結(jié)霜、結(jié)露現(xiàn)象。

對于坐地式LNG 儲罐，如上海某20 萬m3大型LNG 儲罐，由于底部配備加熱系統(tǒng)，一般只需考慮邊緣熱角保護(hù)系統(tǒng)在各類季節(jié)濕度環(huán)境中不出現(xiàn)結(jié)霜結(jié)露現(xiàn)象，但應(yīng)結(jié)合罐壁和罐頂?shù)谋＠渎?lián)合設(shè)計以保證儲罐蒸發(fā)率滿足建設(shè)單位合同要求。

為了驗算環(huán)境最大月平均濕度下，底部不出現(xiàn)結(jié)霜或結(jié)露現(xiàn)象，選取的露點溫度Td應(yīng)根據(jù)夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度和最熱月月平均相對濕度￠的數(shù)值并查現(xiàn)行中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50264—2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)數(shù)據(jù)表。絕熱厚度計算的絕熱層外表面溫Ta應(yīng)為露點溫度Td加0.3 ℃，驗算最新保冷厚度公式如下：

式中：[Q]——罐底蒸發(fā)率計算時的熱流量，W；αs——綜合換熱系數(shù)。

也可以采用有限元計算軟件進(jìn)行復(fù)核，如上海某LNG 項目中的坐地式基礎(chǔ)儲罐，只需要校核熱角保護(hù)是否存在結(jié)露現(xiàn)象。該項目月平均最高溫度31.2 ℃，對應(yīng)空氣濕度平均最大為85%，空氣露點溫度為27 ℃，通過有限元建模計算，結(jié)果表明局部外側(cè)溫度約為27.4 ℃，不會出現(xiàn)結(jié)露結(jié)霜現(xiàn)象。

6 結(jié)語

本文以上海某20 萬m3大型LNG 儲罐為例，介紹了其罐底保冷結(jié)構(gòu)，簡單探討了熱工設(shè)計流程、校核計算方法，對其材料選擇原則給出了參考意見。

該項目罐底保冷在設(shè)計參數(shù)下，熱工校核顯示其滿足要求。該方法對國內(nèi)類似LNG 儲罐項目設(shè)計具有一定的借鑒意義。