LNG儲罐蒸發規律在儲罐設計中的應用

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，并且外界熱量會轉移到罐的內部，部分LNG會蒸發成氣體。隨著外部熱量繼續泄漏到儲罐中，儲罐中氣化氣體空間的壓力將繼續升高。根據以前的研究結果，本文進一步討論了LNG儲罐的蒸發規律，并確定了儲罐設計中的蒸發考慮因素與LNG儲罐的直徑，初始填充率，環境溫度和絕緣材料的性能有關。其中，應著重考慮前兩個因素。以30000m3LNG儲罐為例，根據確定的主要蒸發速率影響因素，計算儲罐工藝設計的基本尺寸參數，其最佳直徑在40-50m之間。接下來，作者就LNG儲罐蒸發規律在儲罐設計中的應用進行分析，以供參考。

關鍵詞：LNG儲罐;蒸發速率儲罐設計;理論基礎流程設計

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蒸發規律的研究一直是儲罐研究的基本內容。LNG儲罐用作低溫儲罐，應保證其隔熱性能和設備主體的安全性。對于工藝設計，主要研究是液化天然氣儲罐的隔熱性能，即蒸發規律。本文將從理論研究入手，結合實際設計，探討蒸發規律在液化天然氣儲罐設計過程中的應用。

1 蒸發規律

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。根據歐洲標準（EN1160-96）和經驗，液化天然氣產品中的氮含量（摩爾分數）應小于5%，并且只要將液化天然氣中的氮含量控制在1%以下并監測發氣體，降低LNG的儲存和運輸過程中產生影響。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，分層越嚴重，這對罐的安全存儲有害。

1.2 風速的影響

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

在工程項目中，LNG自蒸發氣量（BOG）通常是根據大氣壓變化率來計算的。計算結果的這一部分通常對罐體的設計沒有重大影響，但對LNG接收站中其他設備和設施的選擇，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，在設計罐體時應考慮大氣壓變化率的影響。

2 LNG低溫儲罐的構件特點

2.1 內罐壁

內罐壁是低溫儲罐的主要構件，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。

如某罐內罐底板和環板選用厚16mm、材質為A537 CL2

的鋼板，其余板則可選用厚6.35mm、材質為A537 CL1的鋼板。

2.2 保冷層

2.2.1 罐壁保冷

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

2.2.2 罐頂保冷

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

2.2.3 罐底保冷

罐底保冷比較復雜，除了鋼板下噴涂聚氨酯泡沫外，還要設計防水結構。某罐罐底的保冷結構，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厚的發泡玻璃，最后用70mm厚混凝土覆蓋，以保護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、外罐頂由預應力鋼筋混凝土及耐低溫鋼襯板構成。混凝土強度應≥25MPa。外罐頂和罐壁要能承受氣體意外泄漏產生的內壓力，因此，鋼筋混凝土要具備足夠的抗拉強度。

3 液化天然氣的優勢和應用

氣體液化后體積大大減小，運輸方便，經濟可靠。使用特殊的液化氣罐車和船進行長途運輸。與地下管道運輸相比，天然氣排泄損失少，投資少，風險小，適應性強，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利用，用于冷凍，冷藏，熱電發電，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碳氫化合物與H2，H2S等燃料和化工原料，也可以與He萃取聯產液化氣，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，運輸成本低以及發動機壽命長的優點。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，不會發生自然爆炸。

根據相關數據分析，我國的城市污染主要來自燃煤和汽車尾氣。因此改變燃燒構成，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電。與其他化石燃料相比，液化氣燃燒發電后不產生灰渣，也不會對環境造成灰渣污染，可以保護環境。隨著發電技術的日益成熟，與蒸汽輪機發電相比，聯合循環發電將熱利用效率提高了近50%，極大地節省了燃料資源。

4 LNG儲罐的外罐設計

4.1 外箱基礎

LNG儲罐下部的土壤溫度低，土壤凍結，土壤中結冰（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生，儲罐的地基通常采用帶有加熱系統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，因此儲氣罐基礎采用了頂置的混凝土蓋，便于生產，操作和維護，并節省了建設投資。

4.2 外罐設計

外罐的設計應考慮到所有方面，包括構造，測試，更換預冷，正常運行和檢修。主要的外部負載為：

①因運行引起的內部壓力和真空分壓;②從空罐到充滿較高氣壓的罐的罐體和指定介質的重量;③部分和完整的支持系統，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風荷載或規定的地震荷載;⑥管道連接引起的載荷;⑦所有防寒材料的重量。

5 結論

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

總結如下：

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率的重要因素;②初始填充率不同，同一儲罐中LNG的蒸發率也不同;③環境溫度和絕緣材料的物理參數被用作項目中大型LNG儲罐的設計輸入;④儲罐設計中可以忽略氮含量，風速和大氣壓變化率。

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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，管理學碩士學位，中級工程師，研究方向：LNG冷量利用。