大型LNG儲(chǔ)罐罐壁隔熱層保冷性能及其優(yōu)化對(duì)策探究

李廣財(cái)

（中海油國際貿(mào)易有限責(zé)任公司，北京 100000）

1 大型LNG儲(chǔ)罐的整體結(jié)構(gòu)

LNG站是輸配、接收液態(tài)天然氣的站點(diǎn)，大型LNG儲(chǔ)罐是該類站點(diǎn)的重要設(shè)備之一。LNG儲(chǔ)罐往往由不銹鋼外罐、熱角保護(hù)層、不銹鋼內(nèi)罐、保冷層等結(jié)構(gòu)組成，其中，內(nèi)罐罐壁板、外罐罐壁板之間的夾層空間為大型LNG儲(chǔ)罐的罐壁，LNG儲(chǔ)罐罐壁保冷層的主要材料是珍珠巖，內(nèi)罐底板下空間為儲(chǔ)罐罐底。大型LNG儲(chǔ)罐的主體結(jié)構(gòu)中，不同區(qū)域的保冷層材料會(huì)有明顯差異，如罐壁的保冷層材料多為珍珠巖，而罐底、罐頂?shù)谋＠鋵硬牧蟿t分別為泡沫玻璃磚、玻璃棉[1]。

2 大型LNG儲(chǔ)罐罐壁熱流量的計(jì)算

2.1 無太陽輻射時(shí)的罐壁熱流量

大型LNG儲(chǔ)罐所處區(qū)域無太陽輻射時(shí)，罐壁接收的熱流量多來自空氣本身的熱量。但由于儲(chǔ)罐罐壁不同區(qū)域的傳熱強(qiáng)度不同，計(jì)算熱流量時(shí)，可利用圓筒壁的熱流量推導(dǎo)罐壁的熱流量，計(jì)算公式為：

式中，φWL為無太陽輻射時(shí)內(nèi)罐壁面的熱流量；hL為LNG儲(chǔ)罐的液位高度；Te為大型LNG儲(chǔ)罐所處的環(huán)境溫度；Tin為儲(chǔ)罐運(yùn)行時(shí)的基本溫度；αe為空氣作用于儲(chǔ)罐表層的傳熱系數(shù)；Dout為LNG外罐的直徑；N1、i分別為罐壁保冷材料的總層數(shù)及層數(shù)編號(hào)；λ為罐壁保冷層材料的熱導(dǎo)率，Di為外罐內(nèi)半徑；di為LNG儲(chǔ)罐的外半徑；Din為LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐直徑；αWL為LNG儲(chǔ)罐對(duì)流傳熱系數(shù)。計(jì)算無太陽輻射時(shí)大型LNG儲(chǔ)罐的罐壁熱流量時(shí)，相關(guān)人員可逐一地測量、計(jì)算各項(xiàng)系數(shù)，并根據(jù)公式計(jì)算出實(shí)際的數(shù)值，然后以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐壁的隔熱層，評(píng)估其保冷性能。

2.2 有太陽輻射時(shí)的罐壁熱流量

有太陽輻射的情況下，大型LNG儲(chǔ)罐罐壁的溫度會(huì)在太陽輻射的作用下升高，熱流量明顯增加。計(jì)算太陽輻射情況下LNG儲(chǔ)罐罐壁的熱流量時(shí)，可根據(jù)儲(chǔ)罐罐壁外表面與太陽的接觸面積分析不同朝向下罐壁的太陽輻射照度。相關(guān)研究表明，不同朝向的儲(chǔ)罐平均太陽輻射溫度的計(jì)算主要通過式（2）得出：

式中，Tx為太陽輻射時(shí)x朝向儲(chǔ)罐外表面的平均太陽輻射溫度；x為儲(chǔ)罐的各個(gè)朝向編號(hào)；Ex為平均太陽輻射照度；σY為LNG儲(chǔ)罐外太陽輻射時(shí)的熱吸收系數(shù)，而儲(chǔ)罐罐壁被太陽輻射后的平均溫升應(yīng)由以式（3）計(jì)算：

同無輻射熱流量計(jì)算方式相似，相關(guān)人員可按照以上公式，計(jì)算太陽輻射情況下，大型LNG儲(chǔ)罐的實(shí)際熱流量，設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐罐壁隔熱層，使其具有較強(qiáng)的保冷性能。

3 大型LNG儲(chǔ)罐罐壁隔熱層保冷性能分析

3.1 熱損失

大型LNG儲(chǔ)罐的整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，評(píng)估儲(chǔ)罐罐壁隔熱層保冷性能時(shí)，還應(yīng)計(jì)算儲(chǔ)罐運(yùn)行期間罐壁的熱損失量。具體來說，大型LNG儲(chǔ)罐的傳熱方法包括輻射、對(duì)流、導(dǎo)熱等，儲(chǔ)罐罐壁外部結(jié)構(gòu)所承受的熱量會(huì)經(jīng)罐壁、罐壁隔熱層導(dǎo)入LNG儲(chǔ)罐內(nèi)，同時(shí)與LNG罐壁外的大氣環(huán)境進(jìn)行對(duì)流。計(jì)算熱損失時(shí)，若大型LNG儲(chǔ)罐罐壁隔熱層材料接觸良好，則無須計(jì)算各類保冷材料接觸后的熱阻值。然后相關(guān)人員可結(jié)合大型LNG儲(chǔ)罐罐壁隔熱層量測的實(shí)際溫度，計(jì)算熱損失，評(píng)估罐壁的保冷性能。

3.2 表面溫度

大型LNG儲(chǔ)罐罐壁的外表面溫度，同樣是分析罐壁隔熱層保冷性能的關(guān)鍵系數(shù)。計(jì)算大型LNG儲(chǔ)罐罐壁外表面溫度時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合罐壁所處的環(huán)境，分析太陽輻射后罐壁表面溫度的變化，其中，1 d內(nèi)儲(chǔ)罐罐壁所接收的太陽輻射計(jì)算公式為：

式中，I為當(dāng)天的太陽輻射強(qiáng)度；vert為LNG儲(chǔ)罐所處區(qū)域在太陽垂直照射12 h時(shí)太陽輻射的平均值；γ為太陽輻射照射時(shí)各類校正系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)人員可基于熱量平衡理論計(jì)算太陽輻射到儲(chǔ)罐罐壁后的表面溫度以及反射后輻射出的熱量，確定太陽輻射后LNG儲(chǔ)罐罐壁外表面溫度升高后的數(shù)值。

3.3 平均傳熱系數(shù)

平均傳熱系數(shù)具體為LNG儲(chǔ)罐外表面在運(yùn)行時(shí)的平均傳射系數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中，h為LNG儲(chǔ)罐外表面在運(yùn)行時(shí)的平均傳熱系數(shù)；λ0為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；Re為空氣雷諾數(shù)；l為儲(chǔ)罐外表面的特征長度；C、n為根據(jù)外表面大小、換熱面位置、流態(tài)等參數(shù)所計(jì)算出的常數(shù)；Pr為增壓器的體積。然后相關(guān)人員應(yīng)計(jì)算儲(chǔ)罐的保冷損失量、蒸發(fā)率，太陽輻射時(shí)間、輻射強(qiáng)度是計(jì)算保冷損失量的主要參數(shù)，而大型LNG儲(chǔ)罐蒸發(fā)率是在儲(chǔ)罐靜置后儲(chǔ)罐的自然蒸發(fā)率，是計(jì)算大型LNG儲(chǔ)罐罐壁隔熱層保冷性能的參數(shù)之一。

4 大型LNG儲(chǔ)罐罐壁隔熱層保冷性能的優(yōu)化對(duì)策

4.1 改進(jìn)儲(chǔ)罐罐壁保冷施工措施

4.1.1 基礎(chǔ)保冷施工設(shè)計(jì)

相關(guān)人員應(yīng)詳細(xì)勘察大型LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐、外罐之間的環(huán)形空間，評(píng)估保冷施工過程中吊籃施工方案的可行性，然后結(jié)合隔熱層材料珍珠巖的特性，了解珍珠巖的振搗要求；施工人員可核查保溫釘、珍珠巖安裝及填充時(shí)的施工參數(shù)，并按照LNG儲(chǔ)罐保冷施工工序優(yōu)化施工方案；為預(yù)防儲(chǔ)罐保冷施工時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)，還應(yīng)提前制作試驗(yàn)槽，模擬保冷施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通常情況下，對(duì)于大型LNG儲(chǔ)罐，其內(nèi)罐、外罐的間距約為1 m，所以，在制作實(shí)驗(yàn)槽時(shí)，實(shí)驗(yàn)槽的規(guī)格可設(shè)計(jì)為5 m×1 m×4 m。

4.1.2 保溫棉施工設(shè)計(jì)

保溫棉是大型LNG儲(chǔ)罐罐壁隔熱層的主要保冷材料之一。保溫棉施工過程中，相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合罐壁隔熱層的施工設(shè)計(jì)圖逐層對(duì)照保溫棉的鋪設(shè)厚度，大型LNG儲(chǔ)罐的隔熱層所鋪設(shè)的保溫棉每層厚度應(yīng)為75 mm，具體可鋪設(shè)4層。確定鋪設(shè)參數(shù)后，標(biāo)記保溫釘位置，安裝保溫釘及300 mm的彈性氈。隔熱層內(nèi)各層彈性氈的安裝方式為對(duì)接安裝法，銜接過程中應(yīng)強(qiáng)調(diào)氈塊的密實(shí)度。安裝結(jié)束后使用玻璃布，與彈性氈錯(cuò)開對(duì)接，對(duì)接縫為150 mm，對(duì)于儲(chǔ)罐隔熱層最外層的彈性氈，施工人員應(yīng)使用玻璃布環(huán)向覆蓋在該區(qū)域。

4.1.3 珍珠巖施工設(shè)計(jì)

大型LNG儲(chǔ)罐隔熱層中，填充、振搗是珍珠巖施工的核心內(nèi)容，為增強(qiáng)大型LNG儲(chǔ)罐罐壁隔熱層的保冷性能，還應(yīng)規(guī)范珍珠巖填充、振搗流程，明確其施工要點(diǎn)。（1）填充珍珠巖時(shí)，應(yīng)結(jié)合大型LNG儲(chǔ)罐罐壁保冷性能要求，確定其填充高度，大型LNG儲(chǔ)罐內(nèi)珍珠巖的填充高度通常為5.25 m，填充方式為人工填充。（2）使用振搗器對(duì)珍珠巖進(jìn)行振搗時(shí)，施工人員可用電動(dòng)葫蘆懸掛振搗器，使振搗板在珍珠巖的振搗區(qū)域內(nèi)水平運(yùn)動(dòng)。珍珠巖振搗時(shí)，應(yīng)重視振搗板高度的控制，同時(shí)詳細(xì)采集振搗數(shù)據(jù)，分析珍珠巖振搗后的沉降值，見表1。

表1 大型LNG儲(chǔ)罐保冷施工中珍珠巖振搗沉降數(shù)據(jù)

4.2 完善儲(chǔ)罐罐壁隔熱層整體設(shè)計(jì)

某LNG接收站的大型LNG儲(chǔ)罐，其規(guī)格為1.8×106m3，對(duì)該儲(chǔ)罐罐壁隔熱層進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要設(shè)計(jì)人員通過控制隔熱層保冷損失、珍珠巖厚度等方式，完善儲(chǔ)罐罐壁隔熱層整體設(shè)計(jì)，優(yōu)化其保冷性能。

具體來說，該LNG接收站所處的區(qū)域內(nèi)LNG儲(chǔ)罐所接受的太陽輻射量為128.88 W/m2，所以，儲(chǔ)罐罐壁外表面的溫度上升值為18.56℃，而根據(jù)相關(guān)研究可知，大型LNG儲(chǔ)罐外平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的取值一般為25 W/（m2·K）。因此，按照該地區(qū)空氣平均濕度以及LNG接收站的露點(diǎn)溫度值等數(shù)據(jù)，可計(jì)算出該LNG接收站大型LNG儲(chǔ)罐的最大保冷損失量為188.61 W/m2。通過分析該大型LNG儲(chǔ)罐罐壁隔熱層設(shè)計(jì)方案可知，隔熱層內(nèi)珍珠巖層厚度為0時(shí)，儲(chǔ)罐罐壁的保冷損失率較大，當(dāng)隔熱層珍珠巖厚度分別為0.38 m、0.66 m時(shí)，其保冷損失率會(huì)分別下降11.3%、1.398%，所以，在優(yōu)化該LNG儲(chǔ)罐罐壁保冷性能時(shí)，還應(yīng)根據(jù)保冷損失率的實(shí)際變化控制珍珠巖層的厚度，將其取值控制在約0.66 m[2]。

計(jì)算隔熱層內(nèi)珍珠巖的最小厚度時(shí)，相關(guān)人員可基于大型LNG儲(chǔ)罐罐壁隔熱層的厚度設(shè)計(jì)，分析珍珠巖厚度值發(fā)生變化時(shí)，其保冷損失率、蒸發(fā)率的變化，然后在確保儲(chǔ)罐罐壁安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，優(yōu)化隔熱層的儲(chǔ)罐罐壁的保冷設(shè)計(jì)。比如，珍珠巖層厚度從0.66 m改變?yōu)?.38 m時(shí)，保冷損失率的變化僅從11.3%到1.398%，LNG儲(chǔ)罐罐壁隔熱層的蒸發(fā)率約為0.017%，滿足安全運(yùn)行條件下蒸發(fā)率高于0.004 8%的基本要求。對(duì)此，設(shè)計(jì)人員對(duì)隔熱層珍珠巖層的最優(yōu)厚度選取值應(yīng)控制在0.38～0.66，但是為控制大型LNG儲(chǔ)罐隔熱層保冷設(shè)計(jì)的成本投入，隔熱層最優(yōu)厚度應(yīng)在保障儲(chǔ)罐運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，選擇該區(qū)間內(nèi)的最小值。

5 結(jié)語

綜上所述，為改善大型LNG儲(chǔ)罐罐壁的保冷性能，優(yōu)化儲(chǔ)罐罐壁隔熱層設(shè)計(jì)，相關(guān)人員應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算太陽輻射下、無太陽輻射下儲(chǔ)罐罐壁的熱流量，并以此為基礎(chǔ)，有效評(píng)估LNG儲(chǔ)罐罐壁隔熱層保冷性能。然后針對(duì)性地優(yōu)化LNG儲(chǔ)罐隔熱層整體設(shè)計(jì)，優(yōu)化其保冷性能，使LNG儲(chǔ)罐能夠時(shí)刻處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，保冷能力符合LNG站的存儲(chǔ)要求。