一种零放散LNG罐箱的设计研究

2020-05-19张小雪唐晓伟王海卫

煤气与热力 2020年4期

张小雪，唐晓伟，汪洋，王海卫，张健

(1.华港集团(上海)石油天然气有限公司，上海200120；2.江苏鼎程新能源科技有限公司，江苏南通226000)

1 概述

LNG罐箱作为LNG运输和储存的主要设备之一[1]，在LNG产业链中占据重要位置[2-3]。一般情况下，由于LNG的低温特性和罐箱隔热材料的局限性[4-6]，LNG罐箱在运输和储存过程中会因热传导、热对流和热辐射导致罐箱压力上升[7-10]，当超过限值时，为保证运输安全，多采用放散方式降低罐箱压力，通过安全阀将BOG放散到大气环境中。此种处理方式，一方面造成能源的浪费，另一方面也会增加气体排放过程中的危险，同时造成环境污染。

为解决LNG罐箱的BOG放散问题，我们提出以大功率斯特林制冷机为冷源，对现有罐箱进行改造，研制出了一种零放散的LNG罐箱。本文分别对罐箱在有无制冷机情况下压力随时间的变化进行了计算，同时对零放散罐箱的经济效益进行了分析。

2 零放散LNG罐箱的设计

2.1 罐箱和制冷机参数

零放散LNG罐箱主要包括罐箱和大功率斯特林制冷机，此设计选用的LNG罐箱和制冷机技术参数分别见表1、2。

表1 LNG罐箱技术参数

表2 制冷机技术参数

2.2 结构与原理

零放散LNG罐箱的结构见图1，包括罐箱框架、LNG储罐、制冷装置、散热系统。通过在LNG储罐的顶端设置制冷装置，制冷装置的冷端位于储罐内部，热端位于储罐外部，通过冷端的不断制冷以维持储罐低温状态，同时储罐中产生的BOG遇制冷装置冷端后降温液化，依靠重力作用沿冷端下的铝制散热板回流，从而实现LNG的零放散。

图1 零放散LNG罐箱的结构1.制冷装置 2.散热系统 3.铝制散热板 4.制冷装置的热端5.制冷装置的冷端

3 零放散LNG罐箱的计算

3.1 不启动制冷机时罐箱升压计算

受外界环境影响，罐箱内逐渐产生BOG，导致罐箱压力上升。计算罐箱的升压过程，符合以下假设[11-12]：罐箱吸收的热量全部来自环境热传递，热辐射忽略不计，传热热流量计算中对流换热热阻忽略不计；环境温度取江苏南通四季平均温度，具体见表3；罐箱两侧热传导符合多层平壁热传导规律，罐箱的圆筒段热传递符合多层圆筒壁的稳定热传导规律；罐箱中的LNG与BOG温度、压力相等，均处于饱和相态。LNG取中石油江苏如东LNG接收站的LNG组成，见表4。LNG温度为-156 ℃。

表3 江苏南通的四季平均温度

表4 LNG组成

① 罐箱吸收热量计算

如前所述，假设罐箱内容器与环境的热传递符合多层平壁热传导和多层圆筒壁稳定热传导规律，则计算公式[13]分别为：

(1)

(2)

Φ=Φ1+Φ2

(3)

式中Φ1——环境通过罐箱两个封头向罐箱传递的热流量，W

θn——环境温度，℃

θ1——罐箱内LNG的温度，℃

n——罐箱的材料层数

δi——第i层罐箱材料的厚度，m

λi——第i层罐箱材料的热导率，W/(m·K)

A——罐箱两个椭圆封头的传热面积，m2

Φ2——环境通过罐箱圆筒段向罐箱传递的热流量，W

L——罐箱圆筒段长度，m

di——第i层罐箱材料的圆筒段外直径，m

di-1——第i-1层罐箱材料的圆筒段外直径，m

Φ——环境向罐箱热传递的热流量，W

假设储罐封头为椭圆标准封头，每个椭圆封头表面积计算公式[4]为：

(4)

式中A1——罐箱每个椭圆封头表面积，m2

df——罐箱椭圆封头外直径，m

假设每天日间和夜间的时间各12 h，则储罐每天吸收的热量计算结果见表5，储罐全天吸收的热量为17 745.88 kJ。

表5 储罐每天吸收的热量计算结果

② 罐箱储罐升压情况计算

假设罐箱的初始充装率为0.9，利用PROⅡ软件模拟计算得到罐箱内LNG的不同压力所对应的温度和焓值，计算得到单位压力变化所对应的焓值变化及所需时间，同时绘制充装率为0.9时罐箱的温度-时间曲线和压力-时间曲线，见图2。

图2 充装率为0.9时罐箱的温度-时间曲线和压力-时间曲线

由图2可以看出，随着时间的推移，罐箱内温度和压力会逐渐上升，罐箱初始充装率为0.9时，经过114 d罐箱内压力会升高至罐箱的设计压力0.79 MPa，如果压力进一步增加，罐箱上的安全阀会自动开启，释放压力，保证罐箱内压力不高于设计压力。

3.2 启动制冷机时罐箱升压计算

根据3.1节计算可知，罐箱储罐平均吸收热流量为205 W，为达到零放散的目的，每个罐箱选用2台大功率斯特林制冷机，制冷量为400 W。

理想状态下，假设制冷机冷损为零，即制冷机冷端产生的所有冷量均被饱和状态下的LNG与BOG吸收，此时罐箱中的BOG既要吸收外界环境热传导的热量，又要吸收制冷机的冷量。假设制冷机产生的冷量优先用于中和环境热传递的热量，剩余冷量全部被LNG与BOG吸收。利用PROⅡ软件可以计算出不同压力条件下储罐中LNG与BOG的焓值变化，可进一步计算出开启制冷机条件下罐箱储罐的压力-时间曲线，假定制冷机的启动压力为0.79 MPa，停机压力为0.70 MPa，罐箱的初始充装率为0.9，得到此时罐箱的压力-时间曲线，见图3。

图3 启动制冷机后罐箱的压力-时间曲线

由图3可以看出，未启动制冷机情况下，随着时间增加，罐箱储罐的压力呈近似指数增长的趋势，制冷机启动后，罐箱压力呈规律波动，每一个压力升降周期约为19 d，其中压力从0.79 MPa下降至0.70 MPa所需时间为10 d，压力从0.70 MPa上升至0.79 MPa所需时间为9 d，如此循环。

3.3 罐箱升压的影响因素分析

① 制冷机停机压力对罐箱升压速度的影响

参照3.2节的假设及计算方法，分别计算罐箱初始充装率为0.9，制冷机启动压力为0.79 MPa时，停机压力分别为0.75、0.70、0.60、0.50、0.40 MPa时罐箱的升压情况，绘制罐箱压力-时间曲线，见图4。由图4可以看出，当启动压力相同，不同停机压力下，罐箱压力均会周期性变化，启停压差越小，罐箱压力的变化周期越短。

图4 制冷机相同启动压力、不同停机压力时罐箱的压力-时间曲线

进一步绘制不同停机压力下(启动压力为0.79 MPa)，在一个压力变化周期内，罐箱压力的升压时间、降压时间、制冷机运转时间占比的对比图，见图5。由图5可以看出，不同停机压力下，在一个压力变化周期内，随停机压力的减小，升压时间和降压时间均增加，制冷机运转时间占整个压力变化周期的比例先减小后增大。在启、停压力为0.79、0.70 MPa时，一个压力变化周期内，制冷机运转时间占比最小，制冷机运转更为节能。

图5 制冷机不同停机压力下，一个压力变化周期内罐箱压力的升、降压时间和运转时间占比

② 初始充装率对罐箱升压速度的影响

参照3.2节的假设及计算方法，计算制冷机启、停压力为0.79、0.70 MPa时，罐箱初始充装率分别为0.6、0.7、0.8、0.9时罐箱的升压情况，绘制罐箱压力-时间曲线，见图6。由图6可以看出，初始充装率越大，罐箱的升压速度越慢，制冷机的启停周期越长。

图6 不同初始充装率时罐箱的压力-时间曲线

3.4 零放散LNG罐箱的经济性分析

① 罐箱改造总费用

每个零放散LNG罐箱安装斯特林制冷机2台，每台制冷机费用4×104元，每个罐箱改造费用1×104元，则每个罐箱的改造总费用为9×104元。

② BOG回收效益

理想状态下，假设罐箱吸收的环境热量均被饱和状态下的LNG吸收，气化为BOG。罐箱压力达到设计压力时即开启安全阀放散，利用PROⅡ软件，计算罐箱初始充装率为0.9，压力达到0.79 MPa时，罐箱中LNG的气化潜热为406.13 kJ/kg。根据前述计算可知，罐箱全天吸收热量约为17 745.88 kJ，则平均每天罐箱放散的BOG质量为43.7 kg，即该罐箱平均每天回收的LNG质量为43.7 kg。取2018年江苏如东LNG接收站的LNG平均零售价格为5.2 元/kg，则每天回收效益为227.24元/d。

③ 零放散罐箱运行费用

假设该罐箱的制冷机启、停压力为0.79、0.70 MPa，此时罐箱的一个压力升降周期为19 d，其中降压10 d，即制冷机运行10 d，则一个周期内制冷机平均每天的运行时间为0.53 d，取电费为0.7 元/(kW·h)，每台制冷机功率为800 W，则2台制冷机平均每天运行的电费为14.25 元/d。

④ 零放散罐箱改造的静态投资回收期

静态投资回收期是在不考虑资金时间价值的条件下，以项目的净收益回收其全部投资所需要的时间。

零放散罐箱改造的总费用为9×104元，改造投产后每天的净收益为每天的BOG回收效益扣除制冷机运行电费，即212.99元/d，则零放散罐箱改造项目的静态投资回收期为423 d。后期运行每年的净收益约为7.77×104元/a。