大型LNG儲罐罐頂管嘴保冷設計

明紅芳（中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028）

1 概述

隨著綠色低排放需求不斷上升，液化天然氣（LNG）已成為我國能源發展戰略中的重要支柱。在LNG接收站中，LNG以超低溫（-165℃）液態常壓的形式儲存于LNG 儲罐中。為減少LNG 氣化量，儲罐的保冷措施至關重要[1]。LNG 儲罐保冷主要包括吊頂保冷、罐壁保冷、罐底保冷、熱角保護保冷以及管嘴保冷。本文將對LNG儲罐罐頂管嘴保冷絕熱設計進行探討。

2 管嘴結構介紹

在LNG 儲罐中，罐頂管嘴是連接儲罐與外部工藝管道、儀表閥門等的重要途徑。由于LNG儲罐主要承受液體的靜壓力，儲罐罐壁受力由下往上逐漸減小。為避免發生儲罐泄漏等事故，所有管嘴都布置在儲罐罐頂。對于應用于冷液體（LNG）或冷蒸發氣（BOG）的儲罐罐頂上的管嘴，為確保正常的工藝操作條件，避免對人員/管道的損傷，管嘴的保冷性能至關重要。以進料管線為例，管嘴結構如下圖所示，需要設置穹頂套筒保冷、吊頂套筒保冷以及管道保冷。

圖1 管嘴保冷結構圖

3 套筒位置保冷計算

由于低溫LNG/BOG 在冷管內流動，溫度較低，為減少冷量損失，在管嘴穿過儲罐穹頂的位置設置保冷套筒，內部填充保冷材料。為防止保冷層及套筒表面出現冷凝，必須要保證在環境溫度下，保冷層與套筒表面的溫度高于空氣露點溫度。

3.1 保冷材料選取

LNG儲罐的保冷材料應同時具備良好的抗吸水吸濕性、良好的抗水蒸氣滲透性、較小的低溫熱膨脹系數以及良好的阻燃性[2]。LNG 項目建設中，一般選取玻璃棉或者彈性氈作為穹頂隔熱套筒位置保冷材料。實際施工時，玻璃棉/彈性氈切割成適應管嘴管道與套筒厚度的圓環形狀，將其壓縮厚度至原有厚度的50%進行填充。

3.2 保冷厚度計算

在忽略管道金屬的熱阻的情況下，依據國標GB/T 8175-2008《設備及管道絕熱設計導則》進行低溫管道的保冷計算。根據標準中第6.1.2條中的要求，管嘴保冷表面須防止凝露，采用表面溫度法計算保冷層厚度。根據標準中第6.1.5 條中的要求，在同一管道或設備上采用一種保冷材料保冷時，按單層絕熱計算公式計算[3]。

對于圓筒面保冷層的冷量損失，按照標準中方程(28)計算，如下：

對于圓筒面保冷層外表面溫度，按照標準中方程(36)計算，如下：

以國內南方某LNG 接收站項目設計基礎為例，設計依據如下：

表1 保冷絕熱計算設計依據

備注：

1.根據標準6.6.2章節。

2.由于管道尺寸、保溫層材質、平均溫度、使用時間、使用方法等諸多因素，管道保冷材料可能與其材料參數產生偏差。因此，實際運行中保溫材料的導熱系數，考慮設置多出10%的設計余量。

3.選取某廠家彈性氈在-165℃時的導熱系數。

根據保冷層表面溫度計算方法，利用不同的保冷層厚度S1，得出相應的Δt，Δt＞1 則驗證通過，由此來判斷保冷層厚度的設計取值。

3.3 保冷厚度計算校核

采用最大冷量損失法，校核保冷層表面溫度法計算結果是否滿足冷量損失基準。

單位保冷層表面冷量損失：

Q=qL/(π·D1)

根據CINI絕熱設計手冊中保冷要求，絕熱系統外表面的冷量損失應小于25 W/m2。同時參考GB 50264中5.4.2章節[4]：

當Ta-Td≤4.5時，[ Q ]= ( Ta-Td)αs

當Ta-Td>4.5時，[Q ]=4.5αs

該項目Ta-Td≤4.5，取[ Q ]= ( Ta-Td)αs，得28.49 W/m2。取25 W/m2與28.49 W/m2中較小值最為基準，即25 W/m2，利用冷量損失進行校核。

3.4 保冷厚度計算結果

保冷層表面溫度和冷量損失計算結果如下，假設取相同的保溫厚度，同時滿足兩種計算校核，則計算滿足要求。

表2 保冷厚度計算結果

上表中保冷厚度為常規應用管嘴外徑允許的最小值，實際設計中可根據項目需要保留一定余量。根據保冷材料的厚度，選取保冷套筒的內徑，從而確定保冷套筒的尺寸參數。

4 套筒以下位置絕熱計算

由于儲罐吊頂以上位置鋪設保溫玻璃棉，因此，穹頂以下吊頂以上空間溫度接近穹頂外部環境溫度。但考慮吊頂套筒開孔的冷量，以及管道內LNG介質的超低溫，穹頂以下、吊頂以上管道也須進行保冷。根據工程經驗，在貼近吊頂套筒的位置設置保冷支撐環，其內徑尺寸與穹頂套筒一致，高度為150，保證冷支撐環內部至穹頂套筒之間保冷層厚度與第3章節計算結果相同。

圖2 保冷支撐環位置保冷詳圖

5 穹頂套筒以上位置絕熱計算

穹頂套筒以上位置的保冷，與穹頂套筒部分計算方法一致。不同的是管道保溫材料多為聚氨酯泡沫（PIR/PUR）、泡沫玻璃（FG）以及丁腈橡膠和二烯烴泡沫（LT+LTD）[5]等，外部敷設防潮層以及金屬保護層等。

6 結語

為保證LNG儲罐運行期間的正常工藝操作條件，罐頂管嘴保冷設計是相當重要的一個環節。根據冷管不同結構位置，分別給出了穹頂套筒位置、套筒以下位置以及穹頂套筒以上位置的保冷計算方法，并對國內某LNG項目儲罐的管嘴設計參數選取進行了分析。下一步設計中，應綜合考慮新型材料等影響因素，做到保冷設計優化、施工便利、成本降低。