【论文精选】大型LNG储罐保冷性能的研究

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作 者： 张文豪，田贯三，赵国明，尹潇，韩国钊

第一作者单位：山东建筑大学  热能工程学院

摘自《煤气与热力》2022年1月刊

参考文献示例

张文豪，田贯三，赵国明， 等 .    大型LNG储罐保冷性能的研究 ［J］.    煤气与热力， 2022，42（1） ：B24-B31.

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LNG储运设备

1   概述

LNG 储罐的保冷性能直接关系到储罐的安全运营，静态蒸发率是衡量储罐保冷性能的重要指标 ^{［ 1 ］} 。文献［ 2 ］建立了预测 LNG 储罐 静态蒸发率和罐内压力变化的数学模型，分析了静态蒸发率的影响因素。文献［ 3 ］给出了多种 LNG 储罐静态蒸发率的测量和计算方法，并且详细论述了各种测量方法的适用情况。以往文献对大型 LNG 储罐 保冷性能的研究主要集中在热流量和静态蒸发率计算方法的分析上，对储罐热流量影响因素的研究较少。本文以某 3 × 10 ⁴   m ³ 双金属 LNG 储罐为例，给出了详细的热流量和静态蒸发率计算方法，并计算分析了环境温度、环境风速、充满率对储罐热流量的影响。

 

2    双金属 LNG 储罐基本结构

 

双金属 LNG 储罐的主体结构通常由不锈钢外罐、不锈钢内罐、热角保护层和保冷层等组成。本文以济南某双金属 LNG 储罐为例进行计算分析，图 1 和图 2 为该 LNG 储罐的保冷结构，内外罐体材质均为 S30408 不锈钢，内外罐之间填充保冷材料。本文约定，外罐罐壁板、内罐罐壁板以及它们之间的夹层空间为罐壁，罐壁的保冷主要依靠膨胀珍珠岩和弹性玻璃纤维毡的双层组合保冷材料；在外罐罐壁板内侧底部设有一定厚度的泡沫玻璃砖作为热角保护层；内罐罐底板以下的储罐部分为罐底，罐底的保冷材料主要为泡沫玻璃砖；穹顶、吊顶板以及它们之间的玻璃棉和 BOG 储存空间为罐顶，吊顶板和玻璃棉合称为吊顶，罐顶的保冷主要依靠吊顶的玻璃棉保冷层。

 

图 1    双金属 LNG 储罐保冷结构

 

图 2   A 区保冷结构

 

3    储罐热流量和静态蒸发率的计算

 

根据 LNG 储罐的结构特点，分析建立储罐热流量和静态蒸发率计算的数学模型。为了简化计算，对模型做出如下 5 个假设：储罐各层材料之间不存在空隙，忽略邻层之间的接触热阻。罐内处于气液平衡状态，罐内温度分布均匀且相等。将储罐与外界环境的传热过程简化为一维稳态传热过程。 LNG 的组成为纯甲烷。大气压按 101.325 kPa 考虑。

 

3.1   无太阳辐射的罐壁热流量计算

3.2   罐底热流量计算

 

3.3   无太阳辐射的罐顶热流量计算

 

3.4   有太阳辐射的罐壁和罐顶热流量计算

 

在有太阳辐射时，储罐罐壁外表面和穹顶（穹顶内、外表面温度相同）在接收太阳辐射热后温度升高，增加储罐罐壁和罐顶的热流量。罐壁和穹顶外表面附近空气温度相比无太阳辐射时的温升见公式（ 31 ） ^{［ 13 ］ 76-77} 。以 x 表示不同朝向的储罐外表面，将储罐罐壁外表面按 8 个朝向各占罐壁外表面积 1/8 进行处理。以东朝向罐壁面为例，正东左右各偏 22.5 °（共 45 °）的罐壁圆柱面为东朝向罐壁面（ x=1 ），其他方向以此类推，西、南、北、东南、东北、西南、西北朝向罐壁面分别为 x=2~8 ，穹顶外表面近似按水平表面（ x=9 ）进行处理。储罐各朝向的日平均太阳辐射照度可在文献［ 13 ］ ^52-53 中查得。罐外表面的太阳辐射热吸收系数σ _r 参照 GB 50176 — 2016 《民用建筑热工设计规范》附录第 B.5 条选取。

 

3.5  LNG 蒸发量的计算

 

3.6   静态蒸发率的计算

4    实例计算  

4.1   热流量和静态蒸发率计算

 

应用上述计算方法对济南市某 3 × 10 ⁴  m ³   双金属 LNG 储罐的热流量和静态蒸发率进行计算分析。案例储罐的基本参数和保冷材料的物性参数见表 1 、 2 ，表 2 中的参数参照 GB 50264 — 2013 《工业设备及管道绝热工程设计规范》附录 A 和 GB/T 13350 — 2017 《绝热用玻璃棉及其制品》第 5.6.3 条。

 

表 1    双金属 LNG 储罐基本参数

 

表 2    双金属 LNG 储罐保冷材料物性参数

 

表 3    不同朝向表面的日平均太阳辐射照度

 

表 4   LNG 储罐各部分热流量计算结果

 

4.2   储罐热流量影响因素分析

 

由于储罐热流量在有无太阳辐射工况下的差别较小，并且受外部环境条件和运行工况影响的变化趋势相同，下面以无太阳辐射工况为例，对储罐各部分热流量的影响因素进行计算分析。

 

4.2.1  环境温度的影响

 

储罐在额定充满率和环境风速为 2 . 6 m/s 情况下各部分热流量随环境温度的变化见图 3 。罐壁、罐顶和罐底的热流量随环境温度的变化基本呈线性变化规律，其变化率分别为 182 . 5 、 94 . 3 、 51 . 8 W/ ℃。储罐各部分热流量受环境温度影响较大。

 

图 3   储罐热流量随环境温度的变化曲线

 

图 4    储罐热流量随环境风速变化曲线

 

4.2.2  环境风速的影响

 

LNG 储罐 外部的环境风速主要是通过改变储罐外表面的表面传热系数来影响储罐各部分的热流量，储罐在不同环境风速下的外表面表面传热系数可按式（ 3 ）计算。储罐在额定充满率和环境温度取济南全年平均气温 15 . 15 ℃情况下各部分的热流量随环境风速的变化见图 4 。可见，随着环境风速的增大，储罐的各部分热流量都会增加，但是增加的幅度较小，环境风速对储罐各部分热流量的影响较小。

 

4.2.3  储罐充满率的影响

 

LNG 储罐 充满率主要影响罐壁的热流量，图 5 为 LNG 储罐在环境风速为 2 . 6 m/s 和环境温度为 15 . 15 ℃时罐壁热流量随储罐充满率的变化曲线。可见，随着储罐充满率的增加，储罐罐壁热流量呈线性变化规律，平均每增加 10% 的充满率， BOG 对应罐壁的热流量减少 3 278.7 W ， LNG 对应罐壁的热流量增加 3 325.9 W ，储罐罐壁总热流量增加 47.2 W ，储罐充满率对储罐罐壁热流量的影响较小。

 

图 5    储罐热流量随充满率变化曲线

   

5    结论

 

根据 LNG 储罐的结构，给出了储罐热流量和静态蒸发率的计算方法，利用该方法对济南某 3 × 10 ⁴ m ³   双金属 LNG 储罐热流量和静态蒸发率进行计算，分析储罐热流量的影响因素，结果表明：

 

①案例储罐的静态蒸发率为 0.074 8% ，静态蒸发率较小，储罐的保冷性能良好。

 

② 环境温度对储罐热流量的影响较大，环境风速和充满率对储罐热流量的影响较小。

参考文献：

［  1  ］彭明，丁乙 .   全容式 LNG 储罐绝热性能及保冷系统研究［ J ］ .  天然气工业， 2012  （ 3 ）： 94-97.

 

［  2  ］王武昌，李玉星，孙法峰，等 .   大型 LNG 储罐内压力及蒸发率的影响因素分析［ J ］ .   天然气工业， 2010  （ 7 ）： 87-92.

 

［  3  ］李晓明，许燕，姚淑婷，等 .  LNG 储罐日蒸发率测量方法及计算［ J ］ .   低温与超导， 2013  （ 9 ）： 29-32.

 

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［  6  ］顾安忠，鲁雪生，金国强，等 .   液化天然气技术手册［ M ］ .   北京：机械工业出版社， 2010.

 

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［ 11 ］段常贵 .   燃气输配［ M ］ .  5 版 .   北京：   中国建筑工业出版社， 2015 ： 26-27.

 

［ 12 ］刘璐，刘宝玉，李少华，等 .  LNG 热物性计算［ J ］ .   当代化工， 2010 （ 6 ）：  696-698.

 

［ 13 ］电子工业部第十设计研究院 .   空气调节设计手册［ M ］ .  2 版 .   北京：中国建筑工业出版社， 1995.

 

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（本文责任编辑：鲁德宏）

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