摘 要：LNG儲罐是用于運輸和儲存液化天然氣的必不可少的存儲容器。LNG必須在低溫條件下存儲。在儲存期間，不能將罐完全絕緣，并且外界熱量會轉(zhuǎn)移到罐的內(nèi)部，部分LNG會蒸發(fā)成氣體。隨著外部熱量繼續(xù)泄漏到儲罐中，儲罐中氣化氣體空間的壓力將繼續(xù)升高。根據(jù)以前的研究結(jié)果，本文進(jìn)一步討論了LNG儲罐的蒸發(fā)規(guī)律，并確定了儲罐設(shè)計中的蒸發(fā)考慮因素與LNG儲罐的直徑，初始填充率，環(huán)境溫度和絕緣材料的性能有關(guān)。其中，應(yīng)著重考慮前兩個因素。以30000m3LNG儲罐為例，根據(jù)確定的主要蒸發(fā)速率影響因素，計算儲罐工藝設(shè)計的基本尺寸參數(shù)，其最佳直徑在40-50m之間。接下來，作者就LNG儲罐蒸發(fā)規(guī)律在儲罐設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：LNG儲罐;蒸發(fā)速率儲罐設(shè)計;理論基礎(chǔ)流程設(shè)計

0 引言

自1960年代以來，對LNG儲罐低溫儲藏特性的研究一直沒有中斷。其中，LNG蒸發(fā)規(guī)律的研究一直是儲罐研究的基本內(nèi)容。LNG儲罐用作低溫儲罐，應(yīng)保證其隔熱性能和設(shè)備主體的安全性。對于工藝設(shè)計，主要研究是液化天然氣儲罐的隔熱性能，即蒸發(fā)規(guī)律。本文將從理論研究入手，結(jié)合實際設(shè)計，探討蒸發(fā)規(guī)律在液化天然氣儲罐設(shè)計過程中的應(yīng)用。

1 蒸發(fā)規(guī)律

1.1 氮含量的影響

LNG是一種以甲烷為主要成分的烴類混合物，還含有少量的乙烷，丙烷和氮。在自然蒸發(fā)條件下，由于氮氣的沸點溫度（-196℃）低于甲烷的沸點溫度（-160℃），因此，氮氣比甲烷首先蒸發(fā)。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN1160-96）和經(jīng)驗，液化天然氣產(chǎn)品中的氮含量（摩爾分?jǐn)?shù)）應(yīng)小于5%，并且只要將液化天然氣中的氮含量控制在1%以下并監(jiān)測發(fā)氣體，降低LNG的儲存和運輸過程中產(chǎn)生影響。在實際工程中，大型儲罐與外界相互連接。如果氮含量增加，氮的蒸發(fā)量越大，則氣液界面處液相密度變化的可能性和范圍就越大，而在界面處液相變化的程度越大，則層與層之間的密度差越大。液相越低，分層越嚴(yán)重，這對罐的安全存儲有害。

1.2 風(fēng)速的影響

風(fēng)速對儲罐蒸發(fā)率的影響主要通過影響儲罐表面?zhèn)鳠?。低溫儲罐的表面與空氣之間的熱交換是強制對流熱交換。風(fēng)速的大小可以直接影響儲罐表面的傳熱能力，即風(fēng)速對儲罐總傳熱系數(shù)K的影響。

在工程項目中，LNG自蒸發(fā)氣量（BOG）通常是根據(jù)大氣壓變化率來計算的。計算結(jié)果的這一部分通常對罐體的設(shè)計沒有重大影響，但對LNG接收站中其他設(shè)備和設(shè)施的選擇，配置和布局影響更大。這主要是因為在研究儲罐的蒸發(fā)率時，通常以密閉儲罐為研究對象。在實際工程中，儲罐和其他部件是一個有機的整體，相互連接并相互作用。因此，在設(shè)計罐體時應(yīng)考慮大氣壓變化率的影響。

2 LNG低溫儲罐的構(gòu)件特點

2.1 內(nèi)罐壁

內(nèi)罐壁是低溫儲罐的主要構(gòu)件，由耐低溫、具有較好機械性能的鋼板焊接而成，一般選用A5372級、A516 Gr.60、Gr18Ni9、ASME的304等特種鋼材。

如某罐內(nèi)罐底板和環(huán)板選用厚16mm、材質(zhì)為A537 CL2

的鋼板，其余板則可選用厚6.35mm、材質(zhì)為A537 CL1的鋼板。

2.2 保冷層

2.2.1 罐壁保冷

外罐襯板內(nèi)側(cè)噴涂聚氨酯泡沫，一般要求聚氨酯泡沫導(dǎo)熱系數(shù)≤0.03W/（m·K），密度40～60kg/m3，厚度150mm左右。

2.2.2 罐頂保冷

內(nèi)罐頂采用懸吊式巖棉保冷層，如某罐罐頂設(shè)置了4層玻璃纖維保冷層，每層厚100mm，玻璃纖維棉的密度為16kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.04W/（m·K）。

2.2.3 罐底保冷

罐底保冷比較復(fù)雜，除了鋼板下噴涂聚氨酯泡沫外，還要設(shè)計防水結(jié)構(gòu)。某罐罐底的保冷結(jié)構(gòu)，包括65mm厚的墊層，60mm厚的密實混凝土，2mm厚的防水油氈，2層各100mm厚的發(fā)泡玻璃，最后用70mm厚混凝土覆蓋，以保護(hù)外罐混凝土不受過低溫度的影響。

2.3 混凝土外罐

混凝土外罐壁、外罐頂由預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土及耐低溫鋼襯板構(gòu)成?；炷翉姸葢?yīng)≥25MPa。外罐頂和罐壁要能承受氣體意外泄漏產(chǎn)生的內(nèi)壓力，因此，鋼筋混凝土要具備足夠的抗拉強度。

3 液化天然氣的優(yōu)勢和應(yīng)用

氣體液化后體積大大減小，運輸方便，經(jīng)濟可靠。使用特殊的液化氣罐車和船進(jìn)行長途運輸。與地下管道運輸相比，天然氣排泄損失少，投資少，風(fēng)險小，適應(yīng)性強，方便可靠。液化氣的儲藏效率較高，占地少，但儲量少。液化天然氣氣化過程中的冷能可以循環(huán)利用，用于冷凍，冷藏，熱電發(fā)電，低溫破碎等。工藝水平可以回收消耗的能源的50%以上;低溫氣化可以分離C2～C6碳?xì)浠衔锱cH2，H2S等燃料和化工原料，也可以與He萃取聯(lián)產(chǎn)液化氣，可用于車輛的汽油，天然氣具有燃燒完全，抗爆性好，廢氣污染少，運輸成本低以及發(fā)動機壽命長的優(yōu)點。液化氣的著火點和爆炸點高于汽油，密度也高于汽油。一旦泄漏迅速散開，不會發(fā)生自然爆炸。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，我國的城市污染主要來自燃煤和汽車尾氣。因此改變?nèi)紵龢?gòu)成，將大大減少CO，SO2，NOx等的排放。

作為清潔能源，液化氣可用于燃燒發(fā)電。與其他化石燃料相比，液化氣燃燒發(fā)電后不產(chǎn)生灰渣，也不會對環(huán)境造成灰渣污染，可以保護(hù)環(huán)境。隨著發(fā)電技術(shù)的日益成熟，與蒸汽輪機發(fā)電相比，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電將熱利用效率提高了近50%，極大地節(jié)省了燃料資源。

4 LNG儲罐的外罐設(shè)計

4.1 外箱基礎(chǔ)

LNG儲罐下部的土壤溫度低，土壤凍結(jié)，土壤中結(jié)冰（主要用于鉆探土壤）以及冰層增厚都會引起巨大的膨脹力。這些膨脹力產(chǎn)生的提升力會損壞儲罐及其部件，例如儲罐，泵的吸入口位于儲罐底部。為了防止這種危險的發(fā)生，儲罐的地基通常采用帶有加熱系統(tǒng)或高架混凝土蓋的地基。由于20000m3低溫儲罐的總重量相對較小，因此儲氣罐基礎(chǔ)采用了頂置的混凝土蓋，便于生產(chǎn)，操作和維護(hù)，并節(jié)省了建設(shè)投資。

4.2 外罐設(shè)計

外罐的設(shè)計應(yīng)考慮到所有方面，包括構(gòu)造，測試，更換預(yù)冷，正常運行和檢修。主要的外部負(fù)載為：

①因運行引起的內(nèi)部壓力和真空分壓;②從空罐到充滿較高氣壓的罐的罐體和指定介質(zhì)的重量;③部分和完整的支持系統(tǒng)，必須估算基本條件的影響;④由于平臺和梯子的支撐以及氣候條件的變化（例如大雪）而引起的額外載荷;⑤風(fēng)荷載或規(guī)定的地震荷載;⑥管道連接引起的載荷;⑦所有防寒材料的重量。

5 結(jié)論

本文在建立的蒸發(fā)率模型的基礎(chǔ)上，深入探討了液化天然氣儲罐蒸發(fā)率的影響因素，并以項目經(jīng)驗作為參考來解釋各種影響因素在儲罐設(shè)計中的作用。

總結(jié)如下：

①在一定容積的前提下，LNG儲罐的直徑是影響傳熱面積和蒸發(fā)率的重要因素;②初始填充率不同，同一儲罐中LNG的蒸發(fā)率也不同;③環(huán)境溫度和絕緣材料的物理參數(shù)被用作項目中大型LNG儲罐的設(shè)計輸入;④儲罐設(shè)計中可以忽略氮含量，風(fēng)速和大氣壓變化率。

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作者簡介：

劉洋（1986- ），男，漢族，吉林省松原市人，本科畢業(yè)，管理學(xué)碩士學(xué)位，中級工程師，研究方向：LNG冷量利用。