吳文海，岳鵬，馬文慶

1.西安石油大學機械工程學院(陜西西安710065)

2.陜西延長石油化建股份有限公司(陜西西安712100)

3.西安石油大學材料科學與工程學院(陜西西安710065)

大型LNG低溫儲罐保冷標準與性能計算

吳文海1，2，岳鵬1，馬文慶3

1.西安石油大學機械工程學院(陜西西安710065)

2.陜西延長石油化建股份有限公司(陜西西安712100)

3.西安石油大學材料科學與工程學院(陜西西安710065)

利用ANSYS軟件對LNG低溫儲罐的罐底、罐壁及罐頂進行溫度場的模擬，并將模擬結(jié)果和標準值進行對比驗證。對罐底、罐壁及罐頂絕熱部分進行數(shù)值模擬計算，最終得到保冷設計在保冷性能方面可以滿足工程需要。

漏熱量;低溫儲罐;熱傳導

1 大型LNG低溫儲罐保冷標準

全容式LNG低溫儲罐的儲存介質(zhì)需要-165℃來存儲，儲罐的保冷性能是LNG低溫儲罐的一項重要指標［1］。12萬m3全容式LNG低溫儲罐為低溫微正壓狀態(tài)，為了確保儲罐中的冷量，金屬內(nèi)罐與混凝土外罐之間有保冷材料填充，主要分為頂部、罐壁、底部3大部分，保冷材料將減少罐內(nèi)的LNG與外界環(huán)境之間的熱量傳遞，避免造成LNG的氣化和翻滾［2］。

全容式LNG低溫儲罐的低溫特性要求儲罐必須具有完善的保冷絕熱性能，以防止外界熱量的漏入［3］。針對大型的LNG低溫儲罐，熱量交換的方式有:傳導、對流、輻射等。熱量的交換會導致低溫儲罐中部分液化天然氣發(fā)生氣化，產(chǎn)生蒸發(fā)氣體(Boiloff Gas，簡稱BOG)。在國際上通用的標準BS EN-14620-2-2006《設計和現(xiàn)場建造立式、圓筒形、平底、鋼制、操作溫度介于0℃～-165℃的冷卻液化氣儲罐第二部分:金屬構(gòu)件》是將滿罐作為基準，根據(jù)儲罐的容量來規(guī)定氣化率，液化天然氣(LNG)氣化率見表1。

2 LNG低溫儲罐保冷設計

全容式LNG低溫儲罐主要由金屬內(nèi)罐、內(nèi)外罐之間的保冷、以及預應力鋼筋混凝土外罐材料以及其他工藝儀表及管線組成［4］。保冷材料的填充根據(jù)區(qū)域分布分為3部分，罐頂、罐壁、罐底。

表1 LNG低溫儲罐氣化率控制要求

2.1 金屬內(nèi)罐頂部漏熱量計算

儲罐頂部的結(jié)構(gòu):內(nèi)罐的頂部為鋁合金吊頂，通過吊桿連接到外罐拱頂，吊頂上方敷設有保冷材料，在鋁合金吊頂和內(nèi)罐壁頂部設有柔性密封裝置，頂部的常規(guī)絕熱設計是在鋁吊頂?shù)纳戏?，鋪設玻璃纖維氈。

在儲罐頂部自然漏熱量的計算過程中，涉及公式為:

式中:q頂是LNG低溫儲罐頂部單位面積上傳熱量，W/m2;λ是頂部保冷材料玻璃纖維氈導熱系數(shù)，W/(m·℃);d是頂部保冷材料玻璃纖維氈厚度，m;t2是LNG低溫儲罐吊頂上方氣體溫度，℃;t1是LNG低溫儲罐吊頂下方蒸發(fā)氣體溫度，℃。

頂部漏熱量Q頂:

式中:Q頂是頂部總漏熱量，單位為W;A頂是LNG低溫儲罐頂部保冷層面積，單位為m2。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，LNG低溫儲罐吊頂下方的蒸發(fā)氣溫度一般在-100℃左右。

2.2 金屬內(nèi)罐底部漏熱量計算

金屬內(nèi)罐底部主要以熱傳導進行傳熱。使用泡沫玻璃磚作為絕熱材料，該材料的耐壓強度足夠承受液體與內(nèi)罐的總重量。在泡沫玻璃磚的之間要鋪設油氈，最上層和最下層泡沫玻璃磚要鋪設一層干沙找平層，在內(nèi)罐壁下方需鋪設一層珍珠巖混凝土支承圈，用以支撐整個內(nèi)罐壁的重量。

計算罐底漏熱的過程中，罐底邊緣區(qū)域(底圈罐壁下方)的保冷層和中心部位的保冷層存在差異。在漏熱量的計算過程中，需要將罐底的漏熱分為中心部分和支承圈部分，并分別計算。

2.2.1 罐底中心部分

罐底部中心部分傳熱系數(shù):

式中:a中心為罐底部中心部分傳熱系數(shù)，W/(m2·k);d1-5為各保冷層厚度，m;λ1-5為各保冷層導熱系數(shù)，W/(m·k)。

單位面積的傳熱量:

式中:t1為LNG儲罐液體溫度，℃;t2為LNG儲罐混凝土基礎維持溫度，℃(一般情況下，t1取-165℃，取t2為20℃);q中心為單位面積傳熱量，W/m2。

罐底中心漏熱量:

式中:Q中心為底部中心總漏熱量，W;A中心為罐底中心面積，m2。

2.2.2 罐底支承圈部分

罐底部支承圈部分傳熱系數(shù):

式中:a支撐圈為罐底部支承圈部分傳熱系數(shù)，W/ (m2·k);d1-5為各保冷層的厚度，m;λ1-5為各保冷層導熱系數(shù)，W/(m·k)。

單位面積的傳熱量:

式中:t1為LNG儲罐液體溫度，℃;t2為LNG儲罐混凝土基礎維持溫度，℃，(一般情況下，t1為-165℃，t2為20℃);q支承圈為單位面積傳熱量，W/m2。

罐底支承圈漏熱量:

式中:Q支承圈為底部支承圈總漏熱量，W;A支承圈為罐底支承圈面積，m2。

罐底的總漏熱量是罐底中心和罐底支承圈2部分漏熱量之和。

2.3 金屬內(nèi)罐罐壁漏熱量計算

目前絕大部分大中型LNG低溫儲罐內(nèi)外罐之間以珍珠巖作為填充物。為了減弱因溫度變化而使內(nèi)罐承受的外壓，在內(nèi)罐罐壁外側(cè)覆蓋一層具有較好回彈性能的彈性氈(玻璃纖維棉)，利用彈性氈來緩解珍珠巖對內(nèi)罐施加的外壓力。

在計算罐壁漏熱量的過程中，涉及了2種保冷材料;

側(cè)面總傳熱系數(shù):

式中:a側(cè)為儲罐側(cè)面的總傳熱系數(shù)，W/(m2·k); λ1為彈性氈的導熱系數(shù)，W/(m·k);d1為彈性氈的厚度，m;λ2為膨脹珍珠巖的導熱系數(shù)，W/(m·k);d2為膨脹珍珠巖的厚度，m。

2.4 LNG低溫儲罐的總漏熱量和日蒸發(fā)量

通過對LNG低溫儲罐3個不同部位漏熱量的計算，最終能夠獲得儲罐總的自然漏熱量:

式中:Q總為日漏熱量，kJ/d。

LNG低溫儲罐日蒸發(fā)率:

式中:α為儲罐日蒸發(fā)率，%;G為儲罐內(nèi)LNG總?cè)萘?，kg;m為LNG日蒸發(fā)量，kg/d;Lb為LNG的氣化潛熱，kJ/kg;Ve為儲罐的有效容積，m3;ρ為LNG的密度，kg/m3。

3 LNG低溫儲罐絕熱部分數(shù)值模擬

引入ANSYS對溫度場的模擬可得到LNG儲罐一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù)［5］，如熱量的獲取或損失、熱梯度等，利用ANSYS對LNG儲罐的罐底、罐壁及罐頂進行溫度場的模擬，并將模擬結(jié)果和標準值進行對比驗證。

3.1 罐壁絕熱部分

采用PLANE182單元建立罐壁絕熱部分的局部模型，該模型真實的建立了罐壁、彈性毛氈、膨脹珍珠巖、混凝土罐壁，并將各種材料的傳熱系數(shù)、厚度等因素考慮在內(nèi)，使模擬結(jié)果更加接近實際情況。

圖1 罐壁溫度分布云圖

由圖1可見，LNG內(nèi)罐罐壁與混凝土罐壁溫差182℃，內(nèi)罐罐壁溫度為-165℃(111.6K)，混凝土內(nèi)罐罐壁溫度為21℃(293.87K)，溫度梯度主要在保冷層發(fā)生，說明彈性氈與膨脹珍珠巖組成的保冷層很好的阻止了外界熱量流入罐內(nèi)。

通過一系列的數(shù)值計算可得:罐壁熱流密度為7.126W·m2。經(jīng)過換算可得:LNG儲罐罐壁漏熱量為47 627W。

3.2 罐底絕熱部分

罐底絕熱部分的模擬，根據(jù)罐底結(jié)構(gòu)及敷設保冷材料的不同分為兩部分:中心部分和邊緣支撐圈部分。邊緣支撐圈部分需要在滿足保冷性的前提下，有足夠的強度支撐罐壁所帶來的壓力。

通過模擬計算，混凝土外罐罐底溫度為20℃(297.8K)，內(nèi)罐罐底溫度為-165℃(111.6K)，LNG混凝土外罐罐底與內(nèi)罐罐底溫差達186℃，溫度梯度主要在保冷層，這說明外界熱量很難從罐底流入罐內(nèi)，保冷層很好的阻止了熱傳導現(xiàn)象的進行。

通過數(shù)值計算得出，邊緣帶混凝土支撐圈部分熱流密度為8.53W·m2，罐中心部分熱流密度為7.621W·m2，罐底邊緣漏熱量要大于罐底中心。將兩部分的漏熱量進行加和可得:LNG低溫儲罐罐底總漏熱量為26 244W。

3.3 罐頂絕熱部分

LNG低溫儲罐在罐頂采取的保冷措施主要是在金屬內(nèi)罐的吊頂上敷設一定厚度的玻璃纖維氈。

通過模擬計算，LNG低溫儲罐罐頂溫度梯度分布方向基本與罐頂垂直?；炷镣夤揄敎囟认陆捣容^小，吊頂與拱頂之間的氣相空間為主要降溫區(qū)域。

通過數(shù)值計算得，罐頂熱流密度范圍為0.22～2.2W·m2。若將罐頂分為中心區(qū)和邊緣區(qū)兩部分，分別取平均值進行換算，可得LNG低溫儲罐罐頂熱量為17 691W。

通過對LNG低溫儲罐3個不同部位漏熱量的計算，最終能夠獲得儲罐總的自然漏熱量:

LNG儲罐的日蒸發(fā)率:

參考表1中的標準值:α=0.027 1%＜0.05%

4 結(jié)論

1)利用有限元模擬方法對全容式LNG低溫儲罐進行了溫度場方面的計算，將數(shù)值模擬結(jié)果與標準要求進行對比。該12萬m3的LNG儲罐達到了標準規(guī)定值。

2)通過數(shù)值模擬，全容式LNG低溫儲罐通過在罐壁鋪設彈性毛氈、膨脹珍珠巖;罐底絕熱材料使用泡沫玻璃磚，在泡沫玻璃磚之間鋪設油氈，在內(nèi)罐壁下是一層珍珠巖混凝土的支承圈;金屬內(nèi)罐的吊頂上敷設一定厚度的玻璃纖維氈;這些保冷設計在保冷性能方面可以滿足工程需要。

3)但是在實際中，由于膨脹珍珠巖的沉積，罐底絕熱材料泡沫玻璃磚的壓縮，玻璃纖維氈保溫性能的劣化，整個儲罐的保冷性能會下降。

根據(jù)計算，整個儲罐的保冷性能和標準值相比還是有富余的。

［1］GB/T 26978-2011現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)液化天然氣儲罐的設計與建造［S］.

［2］黃莉.大型LNG儲罐氣相空間模擬研究［D］.成都:西南石油大學，2005.

［3］周永春，劉浩.LNG低溫儲罐絕熱性能的探究［J］.化工設計，2010，20(2):17-19.

［4］李海潤，徐嘉爽，李兆慈.全容式LNG儲罐罐體溫度場計算及分析［J］.油氣儲運，2012，30(4):15-19.

［5］孫恒，余庭，馬文華，等.LNG大型儲罐角保冷塊處溫度場的有限元分析［J］.低溫技術，2011，38(4):15-17.

The temperature fields of the bottom，the wall and the roof of the LNG cryogenic storage tank are simulated using ANSYS software，and the simulation results are compared with the standard values.The results show that the insulation performance of the bottom，the wall and the roof of the tank can meet the engineering requirements.

heat loss;cryogenic storage tank;heat conduction

萍

2015-06-29

吳文海(1970-)，男，高級工程師，現(xiàn)主要從事管理和設備技術工作。