LNG 儲罐高真空多層絕熱傳熱計算模型分析研究

李延娜 鄧育軒 匡春燕 徐 菁 張艷麗

（蘭州城市學院培黎石油工程學院，甘肅 蘭州730070）

1 概述

城市中天然氣的用量隨著時、日、月均會發生變化，因此，城市中天然氣的使用存在著日不均勻性、時不均勻性、季節不均勻性，必須采取相應的方式來調節均勻供氣和不均勻耗氣之間的矛盾，也就是必須對天然氣進行調峰[1]。一般情況下，常見的天然氣調峰方式主要有：用輸氣管末段調峰、用儲氣罐調峰、用地下儲氣庫調峰、用高壓管束調峰、用液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）調峰，不同的調峰方式適用于調節不同的不均勻工況[2]。用LNG 調峰是在LNG 調峰站中安裝LNG 儲罐儲存LNG 來進行調峰，具有容量大、站址選擇相對容易、投資少、建設周期短、不易受污染等優點[2-7]，受到了廣泛關注。但與此同時，LNG 沸點較低，通過絕熱層的較少漏熱量都會造成LNG 儲罐一定量的蒸發損失，因此，必須選擇優良的絕熱形式，以降低LNG 儲罐蒸發損失。目前，高真空多層絕熱是LNG 儲罐一種較理想的絕熱形式，可以有效減小通過絕熱層的漏熱量，進而降低LNG 儲罐蒸發損失。

本文介紹LNG 儲罐高真空多層絕熱常用的兩種傳熱計算模型，Lockheed 傳熱計算模型和Layer-by-Layer 傳熱計算模型，分析這兩種傳熱計算模型的共同點和不同點，說明這兩種傳熱計算模型的特點，為LNG 儲罐高真空多層絕熱傳熱計算模型的合理選用提供一定依據。

2 Lockheed 傳熱計算模型[8]

采用Lockheed 傳熱計算模型計算LNG 儲罐高真空多層絕熱傳熱量時，將整個絕熱層中的傳熱過程看作一維穩態傳熱，同時認為在整個絕熱層中主要存在輻射換熱、氣體導熱、固體導熱三種熱交換形式。此外，Lockheed 傳熱計算模型以整個絕熱層為研究對象，基于絕熱層的總厚度及層密度，分別計算整個絕熱層中的輻射換熱量、氣體導熱量、固體導熱量，最終得到整個絕熱層的總傳熱量。具體計算過程如下：

2.1 整個絕熱層中的輻射換熱量q輻射換熱：如式（1）所示。

式（1）中，B 為經驗參數；ε 為輻射層的發射率；σ 為玻爾茲曼常數；TH為熱端溫度，K；TC為冷端溫度，K；NS為輻射層層數（NS=N*·δ，N*為絕熱層層密度，δ 為絕熱層總厚度）。

2.2 整個絕熱層中的氣體導熱量q氣體導熱：如式（2）所示。

式（2）中，C 為經驗系數；m 為經驗指數；P 為夾層真空度，Pa。

2.3 整個絕熱層中的固體導熱量q固體導熱：如式（3）所示。

所以，Lockheed 傳熱計算模型計算得到的LNG 儲罐高真空多層絕熱總傳熱量q總為：

根據式（4）可知，采用Lockheed 傳熱計算模型計算LNG 儲罐高真空多層絕熱傳熱量時，只需知道絕熱層的總厚度及層密度，就可以計算出整個絕熱層的總傳熱量。

此外，從式（1）～式（3）可以看出，利用Lockheed 傳熱計算模型可以得到LNG 儲罐高真空多層絕熱整個絕熱層中的輻射換熱量、氣體導熱量、固體導熱量，但不能具體得到每相鄰兩輻射層之間的輻射換熱量、氣體導熱量、固體導熱量。

3 Layer-by-Layer 傳熱計算模型[9,10]

Layer-by-Layer 傳熱計算模型也將LNG 儲罐高真空多層絕熱中的傳熱過程看作一維穩態傳熱，即認為在LNG 儲罐高真空多層絕熱中，熱量只沿絕熱層厚度方向發生傳遞，同時也認為在LNG 儲罐高真空多層絕熱中，相鄰兩輻射層之間主要存在三種形式的熱交換，分別是：相鄰兩輻射層之間的輻射換熱、相鄰兩輻射層之間剩余氣體的導熱、相鄰兩輻射層之間經間隔物進行的固體導熱。Layer-by-Layer 傳熱計算模型就以這相鄰兩輻射層為研究對象，采用假設法及迭代法計算相鄰兩輻射層之間的輻射換熱量、氣體導熱量、固體導熱量，進而得到整個絕熱層的總傳熱量。具體計算過程如下：

3.1 相鄰兩輻射層之間的輻射換熱qrad,i：如式（5）所示。

式（5）中，σ 為玻爾茲曼常數，5.675×10-8W/(m2·K4)；Ti+1、Ti分別為相鄰兩輻射層的溫度，K；εi+1、εi分別為相鄰兩輻射層的發射率。

3.2 相鄰兩輻射層之間剩余氣體的導熱qgcond，i：如式（6）所示。

3.3 相鄰兩輻射層之間經間隔物進行的固體導熱qscond，i：如式（7）所示。

最后，采用數學編程軟件對LNG 儲罐高真空多層絕熱整個絕熱層的總傳熱量qtot，i進行編程計算。計算時，首先假定LNG儲罐高真空多層絕熱第1 層輻射層，也就是從冷端到熱端的第1 層輻射層溫度為T1=TL+C1，TL為冷端溫度，即LNG 儲罐內罐外壁面溫度，C1為一常數，與此同時，將LNG 儲罐內罐外壁面看作一層輻射層，于是根據TL和T1值以及式（8）就可以求出LNG 儲罐內罐外壁面與其高真空多層絕熱第1 層輻射層之間的傳熱量q1，由于之后相鄰兩輻射層之間傳熱量相等，即q1=q2=……=qn，n 為輻射層層數，所以根據式（8），可反算出之后每一層輻射層的溫度T2、T3、……、Tn，比較計算出的Tn與TH，TH為熱端溫度，即LNG 儲罐所處外界環境溫度，若Tn與TH兩者差值小于等于要求值C2，則假設成立，即可得出LNG 儲罐高真空多層絕熱整個絕熱層的總傳熱量qtot，i，若Tn與TH兩者差值大于要求值C2，則假設不成立，需重新假設T1，直到Tn與TH兩者差值小于等于要求值C2，計算才結束。具體迭代過程如圖1 所示。

圖1 Layer-by-Layer 傳熱計算模型的具體迭代過程

從整個計算過程可以看出，采用Layer-by-Layer 傳熱計算模型不僅可以得到LNG 儲罐高真空多層絕熱整個絕熱層的總傳熱量，還可以得到絕熱層中每層輻射層的溫度，然后基于這些溫度，又可以得到LNG 儲罐高真空多層絕熱每相鄰兩輻射層之間的輻射換熱量、氣體導熱量、固體導熱量。

4 結論

4.1 Lockheed 傳熱計算模型和Layer-by-Layer 傳熱計算模型都將LNG 儲罐高真空多層絕熱中的傳熱過程看作一維穩態傳熱，且都認為在LNG 儲罐高真空多層中主要存在輻射換熱、氣體導熱、固體導熱三種熱交換形式。

4.2 Lockheed 傳熱計算模型以整個絕熱層為研究對象，基于絕熱層的總厚度及層密度，計算整個絕熱層中的輻射換熱量、氣體導熱量、固體導熱量，最終得到整個絕熱層的總傳熱量；Layer-by-Layer 傳熱計算模型以相鄰兩輻射層為研究對象，采用假設法和迭代法逐層計算相鄰兩輻射層之間的輻射換熱量、氣體導熱量、固體導熱量，進而得到整個絕熱層的總傳熱量。

4.3 采用Lockheed 傳熱計算模型計算LNG 儲罐高真空多層絕熱整個絕熱層的總傳熱量相對簡單，但無法得到其它相關參數。

4.4 采用Layer-by-Layer 傳熱計算模型除了可以得到整個絕熱層的總傳熱量，還可以得到絕熱層中每層輻射層的溫度以及每相鄰兩輻射層之間的輻射換熱量、氣體導熱量、固體導熱量。