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    LNG工藝罐體保冷絕熱結(jié)構(gòu)及絕熱層厚度驗(yàn)算

    2021-01-09 02:40:06齊國慶辛培剛李祥民許東楊海軍戴亮仲光華
    石油和化工設(shè)備 2020年12期
    關(guān)鍵詞:絕熱材料絕熱層表面溫度

    齊國慶,辛培剛,李祥民,許東,楊海軍,戴亮,仲光華

    (海洋石油工程股份有限公司, 山東 青島 266520)

    液化天然氣(LNG)是將從氣田中開采出的可燃?xì)怏w(主要成分為甲烷)經(jīng)壓縮,并在混合制冷劑的作用下,除去其中CO2、硫化物、重?zé)N、水等雜質(zhì)后,最終得到-162℃液態(tài)形式的天然氣。液化體積約為相同質(zhì)量的天然氣體積的1/620,重量約為同體積水的45%左右。作為一種可持續(xù)發(fā)展的清潔能源,國內(nèi)企業(yè)開始承接越來越多的LNG模塊建造項(xiàng)目。工藝處理模塊中涉及眾多工藝管線和罐體設(shè)備,采用一種安全高效的保冷絕熱系統(tǒng),從而保證整個(gè)工藝處理系統(tǒng)處于合理操作溫度內(nèi),對(duì)于工藝處理和裝置安全有著重要影響。

    1 保冷絕熱材料

    1.1 保冷絕熱材料選用原則

    選用保冷絕熱材料時(shí),應(yīng)從易燃度、吸氣率、絕熱材料對(duì)潮氣的敏感性、溫度梯度、低溫性能等幾方面予以考慮。LNG保冷材料的性能必須滿足以下幾個(gè)方面:

    (1)耐腐蝕、抗老化、化學(xué)性質(zhì)長期穩(wěn)定;(2)絕熱性能良好,具有明確的導(dǎo)熱系數(shù)圖表;(3)超低溫和常溫交變時(shí)尺寸穩(wěn)定性好;(4)超低溫和常溫條件下均能達(dá)到一定的機(jī)械強(qiáng)度;(5)具有一定的阻燃性能。

    綜合來看,目前國內(nèi)外主流的LNG保冷材料有兩類:一類是以泡沫玻璃(CG)、聚異氰脲酸酯泡沫(PIR)為代表的硬質(zhì)保冷材料;另一類是以發(fā)泡彈性體(FEF)、氣凝膠為代表的柔性保冷材料。根據(jù)ASTM C552的定義,CG是以玻璃為原料并輔以發(fā)泡劑、改性添加劑和發(fā)泡促進(jìn)劑等,經(jīng)過細(xì)粉碎和均勻混合后,再經(jīng)過高溫熔化、發(fā)泡、退火等工藝制造而成。CG結(jié)構(gòu)中充滿封閉的玻璃薄膜氣孔,具有吸水率小、水蒸氣透濕系數(shù)極低、線膨脹系數(shù)小、不燃燒、安全使用溫度范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn),其主要缺點(diǎn)是易脆、耐磨性差、導(dǎo)熱系數(shù)稍高。泡沫玻璃主要參數(shù)見表1。

    表1 泡沫玻璃參數(shù)表

    8-160℃:max7×10-6m/(mK)9 彈性模量參數(shù)E值 +23℃:≥800MPa all directions ASTM C623 10 泊松比 -165℃:≤0.4 N/A 11 耐火性 Non combustible BS 476

    2 LNG工藝罐體保冷絕熱結(jié)構(gòu)

    LNG工藝模塊罐體設(shè)備保冷絕熱結(jié)構(gòu)如圖1所示,從里往外分為絕熱層、防潮層和外護(hù)層,根據(jù)操作溫度,絕熱系統(tǒng)采用單層或者多層泡沫玻璃,為阻止水汽進(jìn)入,在絕熱層外表面安裝防潮層,以防止絕熱層內(nèi)結(jié)冰;最外層采用不銹鋼外護(hù)板覆蓋,其優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度性能可有效保護(hù)內(nèi)層絕熱材料。

    2.1 絕熱結(jié)構(gòu)支撐和絕熱層錯(cuò)縫處理

    泡沫玻璃/金屬外護(hù)層均采用不銹鋼綁帶進(jìn)行固定,并且在罐體上焊接支撐環(huán),從而支持絕熱材料自重并保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。以立式罐體為例,絕熱材料支撐環(huán)寬度應(yīng)比總絕熱厚度大10~30mm左右,下面第一個(gè)支撐環(huán)設(shè)置在封頭與筒體過渡切線上部600mm位置,第二個(gè)支撐環(huán)設(shè)置在第一個(gè)支撐環(huán)上面3m處,后續(xù)支撐環(huán)可據(jù)此距離進(jìn)行設(shè)置。保冷絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)溫度不同可采用多層絕熱形式,為了保證絕熱效果,所有多層絕熱的環(huán)向接縫應(yīng)進(jìn)行錯(cuò)縫,相鄰絕熱結(jié)構(gòu)層應(yīng)壓縫處理,該錯(cuò)縫處理方式能夠有效地減少連續(xù)接縫,提高絕熱效果和絕熱結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。

    2.2 伸縮縫典型結(jié)構(gòu)

    由于LNG罐壁與絕熱材料具有不同的線膨脹系數(shù)和收縮率,可在設(shè)備支撐環(huán)下部設(shè)置伸縮縫(最底部支撐環(huán)除外),當(dāng)使用泡沫玻璃絕熱材料時(shí),可采用彈性玻璃纖維棉進(jìn)行填充,彈性玻璃纖維棉需要壓縮至75%,對(duì)于單層絕熱,伸縮縫位置應(yīng)安裝雙層絕熱,第二層應(yīng)與第一層絕熱厚度相同,并且伸縮縫延展至少75mm。對(duì)于多層絕熱,在伸縮縫外額外安裝一層絕熱層。該絕熱層厚度可與最外層絕熱厚度相同,伸縮縫的防護(hù)層應(yīng)為1.2mm厚的丁基橡膠板,橡膠板的長度為伸縮縫長度+100mm,橡膠板在中間設(shè)置兩處折疊(高度為6mm),搭接處用粘接劑進(jìn)行粘接,兩端采用綁帶進(jìn)行固定,橡膠板防護(hù)層應(yīng)安裝在防潮層上面,用密封膠密封,從而防止水汽進(jìn)入。伸縮縫典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    圖1 LNG典型工藝罐體保冷絕熱結(jié)構(gòu)

    3 絕熱層厚度驗(yàn)算

    3.1 通過表面冷損失計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)算

    以某項(xiàng)目一臺(tái)40m3低壓混合制冷劑吸入罐為例,技術(shù)參數(shù)如表2。

    圖2 典型伸縮縫絕熱結(jié)構(gòu)

    表2

    介質(zhì)密度 514kg/m3絕熱類型 Cold insulation設(shè)計(jì)絕熱厚度 160mmCG

    罐體內(nèi)低壓混合制冷劑視為穩(wěn)態(tài)流的液體介質(zhì),其散熱量損失:

    其中:q —散熱量損失,即從外界進(jìn)入的熱流量,W/m;

    ts—絕熱層表面溫度,℃;

    ta—罐體表面溫度(近似為介質(zhì)操作溫度),℃;

    R0—罐體表面半徑,mm;

    R1—絕熱層的外表面半徑,mm;

    δ —絕熱層的厚度,mm。

    該項(xiàng)目環(huán)境最低溫度為-36℃,最高溫度為15℃,相對(duì)濕度為90%,從濕焓圖可獲得其表面允許的最低溫度ts為14.05℃。其設(shè)計(jì)操作溫度ta為-38.2℃,泡沫玻璃絕熱層的導(dǎo)熱系數(shù)λ1為0.058W/(m·K),罐體外徑R0為1400mm,絕熱厚度δ=160mm,將以上結(jié)果代入式(1),得q=40.2W/m,換算成單位面積的散熱量損失為25.48/(2π0.4136)=15.5W/m2。

    此項(xiàng)目設(shè)計(jì)最大散熱量損失為25W/m2,故泡沫玻璃采用160mm絕熱厚度滿足項(xiàng)目要求。

    3.2 用表面溫度法計(jì)算絕熱層絕熱厚度

    以某項(xiàng)目直徑1.2m球形容器為例,采用表面溫度法進(jìn)行計(jì)算:

    該項(xiàng)目環(huán)境最低溫度為-16℃,最高溫度為25℃,相對(duì)濕度為90%,從濕焓圖可獲得其表面允許的最低溫度ts為12℃。其設(shè)計(jì)操作溫度t為-4.7℃,泡沫玻璃絕熱層的導(dǎo)熱系數(shù)λ1為0.058W/(m·K),罐體外徑R0為1200mm,α取值為1.45W/(m·K)。

    將以上結(jié)果代入式(2),得δ=72mm,考慮20%余量,圓整后可選用90mm厚泡沫玻璃。

    此項(xiàng)目規(guī)格書中采用100mm厚泡沫玻璃進(jìn)行絕熱,能夠滿足絕熱要求。

    其中,δ —絕熱層的厚度,m;

    λ —絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

    α —絕熱層外表面向大氣的換熱系數(shù),W/(m·K);

    t —罐體表面溫度(近似為介質(zhì)操作溫度),℃;

    ts—絕熱層外表面溫度,℃;

    ta—環(huán)境溫度,℃;

    R0—罐體表面半徑,mm;

    R1—絕熱層的外表面半徑,mm。4 結(jié)論

    (1)本文闡述的工藝罐體保冷絕熱結(jié)構(gòu)能夠有效地減少周圍環(huán)境中熱量傳入罐體設(shè)備內(nèi)部,保證罐體設(shè)備內(nèi)介質(zhì)處于允許的運(yùn)行溫度區(qū)間。

    (2)根據(jù)式(2)計(jì)算表面冷損失;根據(jù)式(3)計(jì)算絕熱層厚度;在具體的項(xiàng)目建造過程中,由于存在施工誤差,可能造成實(shí)際絕熱層空間小于設(shè)計(jì)空間,當(dāng)修改困難時(shí),可以根據(jù)計(jì)算所得厚度余量判斷實(shí)際絕熱層空間是否滿足絕熱要求,從而減少大量修改造成的人力物力及時(shí)間成本。

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