LNG轉(zhuǎn)運(yùn)站儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率設(shè)計(jì)探究

揚(yáng) 帆，張 超，陳銳瑩，范嘉堃，張博超，劉 洋

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028）

在國(guó)內(nèi)“煤改氣”以及能源消費(fèi)升級(jí)的帶動(dòng)下，我國(guó)天然氣消費(fèi)量近幾年迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)，LNG儲(chǔ)存設(shè)施建設(shè)將進(jìn)入快通道[1]。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，國(guó)內(nèi)三大石油公司、國(guó)家管網(wǎng)公司等將在沿海城市新建或擴(kuò)建多座LNG接收站，處理規(guī)模一般在200～300萬(wàn)t/a及以上，同時(shí)會(huì)配套大量160000 m3、200000 m3及更大容積的LNG儲(chǔ)罐。此外，為了滿足地方政府天然氣調(diào)峰和儲(chǔ)備要求，地方城市燃?xì)馄髽I(yè)及民營(yíng)企業(yè)也將在內(nèi)陸、江河及部分沿海地區(qū)建設(shè)大量LNG轉(zhuǎn)運(yùn)站[2]，其LNG處理規(guī)模一般在100～200萬(wàn)t/a左右，轉(zhuǎn)運(yùn)站配套的LNG儲(chǔ)罐容積一般選擇為30000～100000 m3。

LNG儲(chǔ)罐作為L(zhǎng)NG轉(zhuǎn)運(yùn)站儲(chǔ)存環(huán)節(jié)的重要設(shè)備，操作壓力為-1.0～29.0 kPa，內(nèi)罐設(shè)計(jì)溫度為-162℃。由于LNG儲(chǔ)罐內(nèi)外側(cè)溫差產(chǎn)生熱輸入，受保冷材料保溫效果的限制，其內(nèi)低溫LNG會(huì)受熱氣化，如果漏熱嚴(yán)重，蒸發(fā)氣體（BOG）產(chǎn)生量將急劇增大，導(dǎo)致壓縮機(jī)處理能耗增加，同時(shí)也帶來(lái)安全隱患?？梢?，絕熱保冷是LNG儲(chǔ)罐的重要特性，而最大日蒸發(fā)率則是衡量其效果的重要指標(biāo)。目前，對(duì)于160000 m3、200000 m3甚至更大容積的LNG儲(chǔ)罐，其日蒸發(fā)率的設(shè)計(jì)都比較成熟，一般沿用國(guó)外LNG接收站項(xiàng)目的要求，為工作容積換算為等效質(zhì)量后算得 （0.04～0.05%/d）。但是，對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn)站配套的30000～100000 m3容積LNG儲(chǔ)罐，其日蒸發(fā)率國(guó)內(nèi)暫無(wú)統(tǒng)一要求，一般由業(yè)主和設(shè)計(jì)方協(xié)商后確定[3]。本文以國(guó)內(nèi)某LNG轉(zhuǎn)運(yùn)站項(xiàng)目30000 m3LNG儲(chǔ)罐為例，探討日蒸發(fā)率設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的因素，通過(guò)綜合分析得出較優(yōu)的日蒸發(fā)率取值。

1 LNG蒸發(fā)與儲(chǔ)罐保冷

1.1 蒸發(fā)機(jī)理

天然氣主要成分為甲烷（CH4），其熱力學(xué)三相點(diǎn)在0℃以下，常溫下不能像LPG等通過(guò)加壓的方式進(jìn)行“液化”，只能通過(guò)降低溫度到-162℃使其液化。因此，LNG不同于汽柴油、LPG等烴類通過(guò)加壓方式可以減少其揮發(fā)。LNG儲(chǔ)罐內(nèi)部低溫液體處于-162℃的熱力學(xué)“飽和沸騰狀態(tài)”，雖然儲(chǔ)罐四周通過(guò)保冷絕熱材料控制其輸入熱量，但仍然源源不斷地有BOG產(chǎn)生[4,5]。產(chǎn)生的BOG通過(guò)壓縮機(jī)直接加壓外輸，或者送入再冷凝器與具有一定過(guò)冷度的LNG混合后再通過(guò)高壓泵增壓送至氣化器，氣化后通過(guò)管網(wǎng)外輸[6]。

1.2 保冷結(jié)構(gòu)

保冷的主要作用在于最大限度降低儲(chǔ)罐熱量輸入，控制儲(chǔ)罐蒸發(fā)率，以實(shí)現(xiàn)LNG長(zhǎng)期存儲(chǔ)。同時(shí)，保冷結(jié)構(gòu)需要保護(hù)儲(chǔ)罐的非低溫部件（主要是儲(chǔ)罐外部），使其處于所要求的環(huán)境溫度，限制儲(chǔ)罐底部的基礎(chǔ)或土壤因凍脹而損壞，防止或減少儲(chǔ)罐外表面的水蒸氣冷凝和結(jié)冰等現(xiàn)象[7]。圖1為國(guó)內(nèi)某LNG轉(zhuǎn)運(yùn)站30000 m3LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)示意圖。該LNG儲(chǔ)罐類型為全容罐，外罐高度25.3 m、直徑45 m；外罐為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)罐為9%Ni低溫鋼，內(nèi)外罐四周填充保冷絕熱材料[8]；罐底保冷材料為450 mm厚的泡沫玻璃磚材料，具有一定承壓強(qiáng)度，除了起到保冷作用外，還起到承受上部?jī)?nèi)罐與LNG液體重量的作用[9]；罐壁保冷由300 mm彈性氈和700 mm膨脹珍珠巖粉末內(nèi)外兩層保冷材料組成，彈性氈緊貼內(nèi)罐壁板，具有一定的回彈性，用來(lái)吸收內(nèi)罐運(yùn)行時(shí)珍珠巖對(duì)內(nèi)罐的擠壓力；罐頂?shù)蹴敱＠洳牧嫌?.0～1.2 m玻璃棉保冷材料構(gòu)成。

圖1 LNG儲(chǔ)罐（全容罐）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 LNG儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率設(shè)計(jì)

2.1 日蒸發(fā)率取值原則與范圍

按照低溫儲(chǔ)罐保冷設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，儲(chǔ)罐容積越大，單位體積LNG分?jǐn)倱Q熱面積越小[10]，因此同樣保冷厚度設(shè)計(jì)下，儲(chǔ)罐容積越大，則日蒸發(fā)率越小。根據(jù)國(guó)內(nèi)已建的大部分小液化工廠、調(diào)峰站配套的1000～20000 m3容積LNG儲(chǔ)罐建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，一般日蒸發(fā)率要求為0.10～0.15%/d；而LNG接收站配套的160000 m3容積以上LNG儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率一般要求為0.04～0.05%/d。根據(jù)上述罐容與日蒸發(fā)率關(guān)系趨勢(shì)，初步設(shè)定30000 m3LNG儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率為0.05～0.10%/d，同時(shí)還需考慮建設(shè)期保冷材料投入、低壓BOG壓縮機(jī)配置及運(yùn)行費(fèi)用等多方面因素。

2.2 日蒸發(fā)率對(duì)保冷費(fèi)用的影響

參考圖1中30000 m3容積LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)尺寸，當(dāng)儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率取值分別為0.05、0.07、0.08、0.10時(shí)，對(duì)保冷材料費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算。保冷材料尺寸、用量、費(fèi)用分別如表1、表2和表3所示。

表1 不同日蒸發(fā)率下LNG儲(chǔ)罐各部分保冷厚度

表2 不同日蒸發(fā)率下LNG儲(chǔ)罐保冷材料用量

表3 不同日蒸發(fā)率下LNG儲(chǔ)罐保冷材料費(fèi)用

2.3 日蒸發(fā)率對(duì)其他費(fèi)用的影響

2.3.1低溫BOG壓縮機(jī)費(fèi)用

低溫BOG壓縮機(jī)的選型主要考慮BOG設(shè)計(jì)量。BOG產(chǎn)生因素包括：儲(chǔ)罐、管線漏熱、裝槽車、裝船、卸料及泵的熱輸入、大氣壓變化；BOG減少因素主要是由于氣態(tài)物質(zhì)外輸引起。BOG產(chǎn)生量與減少量的差值即為其設(shè)計(jì)量。而在BOG設(shè)計(jì)量中，一座30000 m3LNG儲(chǔ)罐日蒸發(fā)產(chǎn)生的BOG僅占LNG轉(zhuǎn)運(yùn)站全場(chǎng)BOG產(chǎn)生量的5%左右，可推斷儲(chǔ)罐日蒸發(fā)量對(duì)于低壓BOG壓縮機(jī)的選型無(wú)直接影響，基本不會(huì)造成相關(guān)建設(shè)費(fèi)或使用費(fèi)用的增加。

2.3.2 停供及檢修期間的放空損失

根據(jù)近期LNG轉(zhuǎn)運(yùn)站建設(shè)特點(diǎn)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)前期資源市場(chǎng)不能落實(shí)或者LNG轉(zhuǎn)運(yùn)站配套建設(shè)周期大于儲(chǔ)罐建設(shè)周期的現(xiàn)象，存在開車調(diào)試期間全場(chǎng)BOG放空的情況。同時(shí)考慮儲(chǔ)罐運(yùn)行壽命25年內(nèi)一次大修，也存在BOG放空處理，對(duì)比不同日蒸發(fā)率下BOG放空一個(gè)月造成的損失，見表4。

表4 不同日蒸發(fā)率下儲(chǔ)罐蒸發(fā)量放空損失折算

2.4 日蒸發(fā)率綜合取值

對(duì)于30000 m3LNG儲(chǔ)罐，考慮建造期保冷材料費(fèi)用、運(yùn)行期BOG放空損耗等因素，計(jì)算綜合費(fèi)用如表5所示。

表5 不同日蒸發(fā)率下綜合費(fèi)用對(duì)比

對(duì)比后，可選取儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率最大設(shè)計(jì)值為0.08%/d，此時(shí)綜合費(fèi)用最小。同時(shí)，該日蒸發(fā)率設(shè)計(jì)中儲(chǔ)罐保冷材料成本約占儲(chǔ)罐成本的5.2%，符合一般LNG儲(chǔ)罐保冷材料成本占比。

3 結(jié)論

本文從LNG轉(zhuǎn)運(yùn)站項(xiàng)目核心設(shè)備—LNG儲(chǔ)罐的蒸發(fā)機(jī)理、保冷結(jié)構(gòu)出發(fā)，說(shuō)明了合理設(shè)置日蒸發(fā)率的重要性。以國(guó)內(nèi)某LNG轉(zhuǎn)運(yùn)站30000 m3容積LNG儲(chǔ)罐為例，分析了日蒸發(fā)率設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的因素及不同日蒸發(fā)率對(duì)LNG儲(chǔ)罐保冷材料費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用的影響。

（1）對(duì)于30000 m3LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)，可選取0.08%/d作為允許最大日蒸發(fā)率。

（2）對(duì)于30000～100000 m3容積范圍的LNG儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)允許最大日蒸發(fā)率時(shí)可參考上文取值過(guò)程。

（3）對(duì)于調(diào)峰型LNG轉(zhuǎn)運(yùn)站，除了冬季保供期外，可能長(zhǎng)期無(wú)外輸，應(yīng)考慮日蒸發(fā)率相對(duì)低一些，雖然一定程度增加了保冷材料費(fèi)用，但對(duì)降低長(zhǎng)期運(yùn)行成本是有利的。