LNG储罐低温绝热性能的研究

吴福龙，李苏澄

（中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

随着社会的发展，天然气的应用也越来越广泛。常压下，LNG的体积约为标准工况下气态体积的1/625，温度在-162℃左右，通常被储存在LNG低温储罐中。LNG储罐一般为微正压低温状态，外部有绝热保温材料覆盖，所以，在设计时要考虑绝热保冷性能。LNG低温储罐的绝热保冷性能直接影响能耗量。对于低温储罐，热量会通过传导、对流和辐射等方式传入储罐中，从而导致部分LNG气化成为BOG气体。基于此，本文对LNG绝热性能进行了研究。

1 低温储罐绝热设计

本文以地下储罐为例，研究的LNG储罐体积为30000m3，储罐的设计参数如表1所示。LNG储罐绝热保冷材料的基础数据如表2所示。储罐的运行温度和运行压力参考相关文献而确定。

表1 LNG储罐基础数据

表2 LNG储罐绝热材料基础数据

1.1 确定最大的BOG蒸发率

不同容量的LNG储罐甲烷含量与BOG日蒸发率的关系曲线如图1所示，本文储罐是30000m3，甲烷的含量为90.1%。利用线性拟合的方法，相关系数R2=0.9642，如图2所示。

图1 不同容量的LNG储罐甲烷含量与BOG日蒸发率的关系

图2 纵坐标截取值的线性拟合

根据图2，可以计算出30000m3储罐的纵坐标截取值，从而得到日允许最大的BOG蒸发率，如式（1）所示：

式中，y为BOG日蒸发率；x为重甲烷的百分比。可以计算出当甲烷浓度为90.1%时，BOG日最大蒸发率定义为0.0667%。计算出来的BOG蒸发率应该与文献中提出的0.05%进行比较，也与低的0.039%进行比较，以分析在储罐绝缘方面的投资差异。

1.2 进入LNG储罐的热量

为了确定总热量输入，并确定满足日BOG蒸发率小于或等于所获得的结果所需的绝缘材料，有必要评估进入舱内的总热量，从而通过迭代方法计算出实际的BOG蒸发率，直到将绝缘材料设计成定义的最大BOG蒸发率且不受全年气候条件影响。

在此基础上，通过对储罐底部、舱壁和顶部三个不同部位的分析。总热量输入如式（2）：

为了考虑这一年的气候差异，分别对冬季无风及夏季强风条件进行研究。

（1）底部漏热量计算。根据傅里叶热传导定律。已知储罐罐体运行温度为-164℃，土壤温度几乎是恒定的，设置为16℃，因此，可以确定壁面温度。罐体底部这部分热量的计算考虑为一个多层壁结构进行分析。每层的绝热层热阻计算如式（3）：

将式（4）～（6）为计算各层绝热材料层的热量：

将式（4）～（6）进行相加可以引出式（7），可以计算出通过罐体底部的漏热量：为最低介质（LNG）的温度，

计算出总热量，然后就可以计算出每层绝缘材料的表面温度，其中是每种材料最高温度表面的温度，是最低温度表面的温度：

（2）侧壁漏热量计算。LNG储罐侧壁的热量计算是对壁面的几层绝热材料应用基于热传导原理的傅里叶定律。在考虑储罐高度、半径和各层绝热材料的导热系数后，根据式（9）单独考虑导热，计算各层的热阻：

侧壁总热量之和也参考罐体底部的热量计算方法如式（8）：

只要计算出总热量输入，就可以用式（9）计算出每一层侧壁的表面温度：

（3）顶部漏热量计算。为了计算这个复杂界面的热量输入，分别分析了热输入源、入射辐射、环境温度和相关对流作用。通过等效传热图方式的热量输入计算如图3。为最高表面温度，

图3 等效传热示意图

为简化计算，假设混凝土层和绝缘层（罐顶）之间的对流阻力相等，那么，彼此之间不存在自然对流作用，则认为两者之间的气体温度是均匀的，并且也没有考虑顶部辐射。

由上两图可以推导出如下公式：

由上两式可推导出式：

确定在无风条件下（风速约为1.34m/s）风的影响系数为10W/m2·k，在强风条件下（50m/s）影响系数为90W/m2·k。

1.3 通过管路及泵送系统的热量

为了计算通过管路和泵进入LNG系统的热量，需要确定管道的长度、直径、管道保温厚度和导热系数以及LNG/BOG的流速。

下式分别计算LNG在管道中的流速、普朗特数Pr、雷诺数Re、努赛尔数Nu和传热系数h0。

最后，通过管道传输的热量为：

由管道受热而影响BOG产生速率的关系如下式所示：

对于计算通过装卸泵进入的热量，传热过程的计算如式（23）所示：为安全系数；

通过泵进入的热量影响BOG产生速率的关系表达式如式（24）所示：

2 计算结果讨论

2.1 储罐漏热量计算

根据所确定的BOG日蒸发率（0.067%、0.050%和0.039%）三种工况，计算了各自工况下进入LNG储罐的热量以及BOG和LNG的体积，BOG的质量。在计算结果中考虑了在夏季（强风条件）和冬季（无风条件下）的情况。计算结果见表3。

表3 不同工况下储罐底部、顶部和侧壁的参数计算结果

从结果看出，BOG的蒸发率和温度的改变不会影响从罐底和罐侧壁进入的热量，当BOG蒸发率增大时，从罐顶传导的热量在增加，BOG量也会增加，此外，在强风条件下的夏季且BOG日蒸发率为0.067%的最差工况下，其BOG量比最佳工况下增加了40.1%。

BOG蒸发率为0.039%时，在冬天每天产生4957.90kg气体，夏天产生5092.18kg，在0.067%时冬天产生7940.13kg，夏天产生8328.27kg。在夏天产生的BOG平均要比冬季多出3%～5%，且蒸发率0.067%要平均比0.039%下BOG的产量高出36%左右。

2.2 通过管路和泵的热量

在前文对通过管路和泵的热量计算分析时，计算中使用的管线长为220m，流量为1000m3/h，管径为0.41m，绝缘层厚度为0.23m，热导率为0.04W/m·K。在计算通过泵进入的热量时考虑了2台LNG泵，泵的扬程为41m，泵的效率为0.8。在计算中所考虑夏天和冬天的温度为当季平均温度，分别为8℃和25℃，LNG的温度为-161℃。在BOG计算中考虑了5%的设计裕度。表4给出了经过管线和泵的热量结果。

表4 LNG系统通过管线和泵进入的热量计算结果

对经过管线和泵的BOG体积、LNG体积和BOG质量进行了计算。如表5所示。通过计算总热量，如表6所示。

表5 经过管线的BOG计算结果

表6 储罐不同运行模式下热量产生的计算结果

3 结语

本文通过研究地下储罐不同位置的热量传导以及计算出储罐不同运行状态下的热量结果，得出了以下结论：

地下储罐的一大优点就是热量主要是通过罐顶进入的，而罐其他部位的热量进入量都是非常稳定的，能够简化储罐绝缘层的设计；由于地下储罐结构特性前期建造成本较高，但其能有效控制热量的传导，能够最大化地减小对流和辐射等方面的影响，对后期BOG处理方案的成本控制也十分有利；通过分别对这三种工况下进行分析，给后续储罐绝热保冷材料的成本与BOG处理方案的成本的比较提供了基础。