大型LNG储罐罐壁隔热层保冷性能及其优化对策探究

李广财

（中海油国际贸易有限责任公司，北京 100000）

1 大型LNG储罐的整体结构

LNG站是输配、接收液态天然气的站点，大型LNG储罐是该类站点的重要设备之一。LNG储罐往往由不锈钢外罐、热角保护层、不锈钢内罐、保冷层等结构组成，其中，内罐罐壁板、外罐罐壁板之间的夹层空间为大型LNG储罐的罐壁，LNG储罐罐壁保冷层的主要材料是珍珠岩，内罐底板下空间为储罐罐底。大型LNG储罐的主体结构中，不同区域的保冷层材料会有明显差异，如罐壁的保冷层材料多为珍珠岩，而罐底、罐顶的保冷层材料则分别为泡沫玻璃砖、玻璃棉[1]。

2 大型LNG储罐罐壁热流量的计算

2.1 无太阳辐射时的罐壁热流量

大型LNG储罐所处区域无太阳辐射时，罐壁接收的热流量多来自空气本身的热量。但由于储罐罐壁不同区域的传热强度不同，计算热流量时，可利用圆筒壁的热流量推导罐壁的热流量，计算公式为：

式中，φWL为无太阳辐射时内罐壁面的热流量；hL为LNG储罐的液位高度；Te为大型LNG储罐所处的环境温度；Tin为储罐运行时的基本温度；αe为空气作用于储罐表层的传热系数；Dout为LNG外罐的直径；N1、i分别为罐壁保冷材料的总层数及层数编号；λ为罐壁保冷层材料的热导率，Di为外罐内半径；di为LNG储罐的外半径；Din为LNG储罐内罐直径；αWL为LNG储罐对流传热系数。计算无太阳辐射时大型LNG储罐的罐壁热流量时，相关人员可逐一地测量、计算各项系数，并根据公式计算出实际的数值，然后以此为基础，设计储罐壁的隔热层，评估其保冷性能。

2.2 有太阳辐射时的罐壁热流量

有太阳辐射的情况下，大型LNG储罐罐壁的温度会在太阳辐射的作用下升高，热流量明显增加。计算太阳辐射情况下LNG储罐罐壁的热流量时，可根据储罐罐壁外表面与太阳的接触面积分析不同朝向下罐壁的太阳辐射照度。相关研究表明，不同朝向的储罐平均太阳辐射温度的计算主要通过式（2）得出：

式中，Tx为太阳辐射时x朝向储罐外表面的平均太阳辐射温度；x为储罐的各个朝向编号；Ex为平均太阳辐射照度；σY为LNG储罐外太阳辐射时的热吸收系数，而储罐罐壁被太阳辐射后的平均温升应由以式（3）计算：

同无辐射热流量计算方式相似，相关人员可按照以上公式，计算太阳辐射情况下，大型LNG储罐的实际热流量，设计储罐罐壁隔热层，使其具有较强的保冷性能。

3 大型LNG储罐罐壁隔热层保冷性能分析

3.1 热损失

大型LNG储罐的整体结构较为复杂，评估储罐罐壁隔热层保冷性能时，还应计算储罐运行期间罐壁的热损失量。具体来说，大型LNG储罐的传热方法包括辐射、对流、导热等，储罐罐壁外部结构所承受的热量会经罐壁、罐壁隔热层导入LNG储罐内，同时与LNG罐壁外的大气环境进行对流。计算热损失时，若大型LNG储罐罐壁隔热层材料接触良好，则无须计算各类保冷材料接触后的热阻值。然后相关人员可结合大型LNG储罐罐壁隔热层量测的实际温度，计算热损失，评估罐壁的保冷性能。

3.2 表面温度

大型LNG储罐罐壁的外表面温度，同样是分析罐壁隔热层保冷性能的关键系数。计算大型LNG储罐罐壁外表面温度时，相关人员应结合罐壁所处的环境，分析太阳辐射后罐壁表面温度的变化，其中，1 d内储罐罐壁所接收的太阳辐射计算公式为：

式中，I为当天的太阳辐射强度；vert为LNG储罐所处区域在太阳垂直照射12 h时太阳辐射的平均值；γ为太阳辐射照射时各类校正系数。在此基础上，相关人员可基于热量平衡理论计算太阳辐射到储罐罐壁后的表面温度以及反射后辐射出的热量，确定太阳辐射后LNG储罐罐壁外表面温度升高后的数值。

3.3 平均传热系数

平均传热系数具体为LNG储罐外表面在运行时的平均传射系数，其计算公式为：

式中，h为LNG储罐外表面在运行时的平均传热系数；λ0为空气导热系数；Re为空气雷诺数；l为储罐外表面的特征长度；C、n为根据外表面大小、换热面位置、流态等参数所计算出的常数；Pr为增压器的体积。然后相关人员应计算储罐的保冷损失量、蒸发率，太阳辐射时间、辐射强度是计算保冷损失量的主要参数，而大型LNG储罐蒸发率是在储罐静置后储罐的自然蒸发率，是计算大型LNG储罐罐壁隔热层保冷性能的参数之一。

4 大型LNG储罐罐壁隔热层保冷性能的优化对策

4.1 改进储罐罐壁保冷施工措施

4.1.1 基础保冷施工设计

相关人员应详细勘察大型LNG储罐内罐、外罐之间的环形空间，评估保冷施工过程中吊篮施工方案的可行性，然后结合隔热层材料珍珠岩的特性，了解珍珠岩的振捣要求；施工人员可核查保温钉、珍珠岩安装及填充时的施工参数，并按照LNG储罐保冷施工工序优化施工方案；为预防储罐保冷施工时的安全风险，还应提前制作试验槽，模拟保冷施工中的关键环节。通常情况下，对于大型LNG储罐，其内罐、外罐的间距约为1 m，所以，在制作实验槽时，实验槽的规格可设计为5 m×1 m×4 m。

4.1.2 保温棉施工设计

保温棉是大型LNG储罐罐壁隔热层的主要保冷材料之一。保温棉施工过程中，相关人员应结合罐壁隔热层的施工设计图逐层对照保温棉的铺设厚度，大型LNG储罐的隔热层所铺设的保温棉每层厚度应为75 mm，具体可铺设4层。确定铺设参数后，标记保温钉位置，安装保温钉及300 mm的弹性毡。隔热层内各层弹性毡的安装方式为对接安装法，衔接过程中应强调毡块的密实度。安装结束后使用玻璃布，与弹性毡错开对接，对接缝为150 mm，对于储罐隔热层最外层的弹性毡，施工人员应使用玻璃布环向覆盖在该区域。

4.1.3 珍珠岩施工设计

大型LNG储罐隔热层中，填充、振捣是珍珠岩施工的核心内容，为增强大型LNG储罐罐壁隔热层的保冷性能，还应规范珍珠岩填充、振捣流程，明确其施工要点。（1）填充珍珠岩时，应结合大型LNG储罐罐壁保冷性能要求，确定其填充高度，大型LNG储罐内珍珠岩的填充高度通常为5.25 m，填充方式为人工填充。（2）使用振捣器对珍珠岩进行振捣时，施工人员可用电动葫芦悬挂振捣器，使振捣板在珍珠岩的振捣区域内水平运动。珍珠岩振捣时，应重视振捣板高度的控制，同时详细采集振捣数据，分析珍珠岩振捣后的沉降值，见表1。

表1 大型LNG储罐保冷施工中珍珠岩振捣沉降数据

4.2 完善储罐罐壁隔热层整体设计

某LNG接收站的大型LNG储罐，其规格为1.8×106m3，对该储罐罐壁隔热层进行优化时，需要设计人员通过控制隔热层保冷损失、珍珠岩厚度等方式，完善储罐罐壁隔热层整体设计，优化其保冷性能。

具体来说，该LNG接收站所处的区域内LNG储罐所接受的太阳辐射量为128.88 W/m2，所以，储罐罐壁外表面的温度上升值为18.56℃，而根据相关研究可知，大型LNG储罐外平均表面传热系数的取值一般为25 W/（m2·K）。因此，按照该地区空气平均湿度以及LNG接收站的露点温度值等数据，可计算出该LNG接收站大型LNG储罐的最大保冷损失量为188.61 W/m2。通过分析该大型LNG储罐罐壁隔热层设计方案可知，隔热层内珍珠岩层厚度为0时，储罐罐壁的保冷损失率较大，当隔热层珍珠岩厚度分别为0.38 m、0.66 m时，其保冷损失率会分别下降11.3%、1.398%，所以，在优化该LNG储罐罐壁保冷性能时，还应根据保冷损失率的实际变化控制珍珠岩层的厚度，将其取值控制在约0.66 m[2]。

计算隔热层内珍珠岩的最小厚度时，相关人员可基于大型LNG储罐罐壁隔热层的厚度设计，分析珍珠岩厚度值发生变化时，其保冷损失率、蒸发率的变化，然后在确保储罐罐壁安全运行的基础上，优化隔热层的储罐罐壁的保冷设计。比如，珍珠岩层厚度从0.66 m改变为0.38 m时，保冷损失率的变化仅从11.3%到1.398%，LNG储罐罐壁隔热层的蒸发率约为0.017%，满足安全运行条件下蒸发率高于0.004 8%的基本要求。对此，设计人员对隔热层珍珠岩层的最优厚度选取值应控制在0.38～0.66，但是为控制大型LNG储罐隔热层保冷设计的成本投入，隔热层最优厚度应在保障储罐运行安全的基础上，选择该区间内的最小值。

5 结语

综上所述，为改善大型LNG储罐罐壁的保冷性能，优化储罐罐壁隔热层设计，相关人员应准确计算太阳辐射下、无太阳辐射下储罐罐壁的热流量，并以此为基础，有效评估LNG储罐罐壁隔热层保冷性能。然后针对性地优化LNG储罐隔热层整体设计，优化其保冷性能，使LNG储罐能够时刻处于良好的运行状态，保冷能力符合LNG站的存储要求。