大型LNG儲罐罐壁隔熱層保冷性能及其優化對策探究

李廣財

（中海油國際貿易有限責任公司，北京 100000）

1 大型LNG儲罐的整體結構

LNG站是輸配、接收液態天然氣的站點，大型LNG儲罐是該類站點的重要設備之一。LNG儲罐往往由不銹鋼外罐、熱角保護層、不銹鋼內罐、保冷層等結構組成，其中，內罐罐壁板、外罐罐壁板之間的夾層空間為大型LNG儲罐的罐壁，LNG儲罐罐壁保冷層的主要材料是珍珠巖，內罐底板下空間為儲罐罐底。大型LNG儲罐的主體結構中，不同區域的保冷層材料會有明顯差異，如罐壁的保冷層材料多為珍珠巖，而罐底、罐頂的保冷層材料則分別為泡沫玻璃磚、玻璃棉[1]。

2 大型LNG儲罐罐壁熱流量的計算

2.1 無太陽輻射時的罐壁熱流量

大型LNG儲罐所處區域無太陽輻射時，罐壁接收的熱流量多來自空氣本身的熱量。但由于儲罐罐壁不同區域的傳熱強度不同，計算熱流量時，可利用圓筒壁的熱流量推導罐壁的熱流量，計算公式為：

式中，φWL為無太陽輻射時內罐壁面的熱流量；hL為LNG儲罐的液位高度；Te為大型LNG儲罐所處的環境溫度；Tin為儲罐運行時的基本溫度；αe為空氣作用于儲罐表層的傳熱系數；Dout為LNG外罐的直徑；N1、i分別為罐壁保冷材料的總層數及層數編號；λ為罐壁保冷層材料的熱導率，Di為外罐內半徑；di為LNG儲罐的外半徑；Din為LNG儲罐內罐直徑；αWL為LNG儲罐對流傳熱系數。計算無太陽輻射時大型LNG儲罐的罐壁熱流量時，相關人員可逐一地測量、計算各項系數，并根據公式計算出實際的數值，然后以此為基礎，設計儲罐壁的隔熱層，評估其保冷性能。

2.2 有太陽輻射時的罐壁熱流量

有太陽輻射的情況下，大型LNG儲罐罐壁的溫度會在太陽輻射的作用下升高，熱流量明顯增加。計算太陽輻射情況下LNG儲罐罐壁的熱流量時，可根據儲罐罐壁外表面與太陽的接觸面積分析不同朝向下罐壁的太陽輻射照度。相關研究表明，不同朝向的儲罐平均太陽輻射溫度的計算主要通過式（2）得出：

式中，Tx為太陽輻射時x朝向儲罐外表面的平均太陽輻射溫度；x為儲罐的各個朝向編號；Ex為平均太陽輻射照度；σY為LNG儲罐外太陽輻射時的熱吸收系數，而儲罐罐壁被太陽輻射后的平均溫升應由以式（3）計算：

同無輻射熱流量計算方式相似，相關人員可按照以上公式，計算太陽輻射情況下，大型LNG儲罐的實際熱流量，設計儲罐罐壁隔熱層，使其具有較強的保冷性能。

3 大型LNG儲罐罐壁隔熱層保冷性能分析

3.1 熱損失

大型LNG儲罐的整體結構較為復雜，評估儲罐罐壁隔熱層保冷性能時，還應計算儲罐運行期間罐壁的熱損失量。具體來說，大型LNG儲罐的傳熱方法包括輻射、對流、導熱等，儲罐罐壁外部結構所承受的熱量會經罐壁、罐壁隔熱層導入LNG儲罐內，同時與LNG罐壁外的大氣環境進行對流。計算熱損失時，若大型LNG儲罐罐壁隔熱層材料接觸良好，則無須計算各類保冷材料接觸后的熱阻值。然后相關人員可結合大型LNG儲罐罐壁隔熱層量測的實際溫度，計算熱損失，評估罐壁的保冷性能。

3.2 表面溫度

大型LNG儲罐罐壁的外表面溫度，同樣是分析罐壁隔熱層保冷性能的關鍵系數。計算大型LNG儲罐罐壁外表面溫度時，相關人員應結合罐壁所處的環境，分析太陽輻射后罐壁表面溫度的變化，其中，1 d內儲罐罐壁所接收的太陽輻射計算公式為：

式中，I為當天的太陽輻射強度；vert為LNG儲罐所處區域在太陽垂直照射12 h時太陽輻射的平均值；γ為太陽輻射照射時各類校正系數。在此基礎上，相關人員可基于熱量平衡理論計算太陽輻射到儲罐罐壁后的表面溫度以及反射后輻射出的熱量，確定太陽輻射后LNG儲罐罐壁外表面溫度升高后的數值。

3.3 平均傳熱系數

平均傳熱系數具體為LNG儲罐外表面在運行時的平均傳射系數，其計算公式為：

式中，h為LNG儲罐外表面在運行時的平均傳熱系數；λ0為空氣導熱系數；Re為空氣雷諾數；l為儲罐外表面的特征長度；C、n為根據外表面大小、換熱面位置、流態等參數所計算出的常數；Pr為增壓器的體積。然后相關人員應計算儲罐的保冷損失量、蒸發率，太陽輻射時間、輻射強度是計算保冷損失量的主要參數，而大型LNG儲罐蒸發率是在儲罐靜置后儲罐的自然蒸發率，是計算大型LNG儲罐罐壁隔熱層保冷性能的參數之一。

4 大型LNG儲罐罐壁隔熱層保冷性能的優化對策

4.1 改進儲罐罐壁保冷施工措施

4.1.1 基礎保冷施工設計

相關人員應詳細勘察大型LNG儲罐內罐、外罐之間的環形空間，評估保冷施工過程中吊籃施工方案的可行性，然后結合隔熱層材料珍珠巖的特性，了解珍珠巖的振搗要求；施工人員可核查保溫釘、珍珠巖安裝及填充時的施工參數，并按照LNG儲罐保冷施工工序優化施工方案；為預防儲罐保冷施工時的安全風險，還應提前制作試驗槽，模擬保冷施工中的關鍵環節。通常情況下，對于大型LNG儲罐，其內罐、外罐的間距約為1 m，所以，在制作實驗槽時，實驗槽的規格可設計為5 m×1 m×4 m。

4.1.2 保溫棉施工設計

保溫棉是大型LNG儲罐罐壁隔熱層的主要保冷材料之一。保溫棉施工過程中，相關人員應結合罐壁隔熱層的施工設計圖逐層對照保溫棉的鋪設厚度，大型LNG儲罐的隔熱層所鋪設的保溫棉每層厚度應為75 mm，具體可鋪設4層。確定鋪設參數后，標記保溫釘位置，安裝保溫釘及300 mm的彈性氈。隔熱層內各層彈性氈的安裝方式為對接安裝法，銜接過程中應強調氈塊的密實度。安裝結束后使用玻璃布，與彈性氈錯開對接，對接縫為150 mm，對于儲罐隔熱層最外層的彈性氈，施工人員應使用玻璃布環向覆蓋在該區域。

4.1.3 珍珠巖施工設計

大型LNG儲罐隔熱層中，填充、振搗是珍珠巖施工的核心內容，為增強大型LNG儲罐罐壁隔熱層的保冷性能，還應規范珍珠巖填充、振搗流程，明確其施工要點。（1）填充珍珠巖時，應結合大型LNG儲罐罐壁保冷性能要求，確定其填充高度，大型LNG儲罐內珍珠巖的填充高度通常為5.25 m，填充方式為人工填充。（2）使用振搗器對珍珠巖進行振搗時，施工人員可用電動葫蘆懸掛振搗器，使振搗板在珍珠巖的振搗區域內水平運動。珍珠巖振搗時，應重視振搗板高度的控制，同時詳細采集振搗數據，分析珍珠巖振搗后的沉降值，見表1。

表1 大型LNG儲罐保冷施工中珍珠巖振搗沉降數據

4.2 完善儲罐罐壁隔熱層整體設計

某LNG接收站的大型LNG儲罐，其規格為1.8×106m3，對該儲罐罐壁隔熱層進行優化時，需要設計人員通過控制隔熱層保冷損失、珍珠巖厚度等方式，完善儲罐罐壁隔熱層整體設計，優化其保冷性能。

具體來說，該LNG接收站所處的區域內LNG儲罐所接受的太陽輻射量為128.88 W/m2，所以，儲罐罐壁外表面的溫度上升值為18.56℃，而根據相關研究可知，大型LNG儲罐外平均表面傳熱系數的取值一般為25 W/（m2·K）。因此，按照該地區空氣平均濕度以及LNG接收站的露點溫度值等數據，可計算出該LNG接收站大型LNG儲罐的最大保冷損失量為188.61 W/m2。通過分析該大型LNG儲罐罐壁隔熱層設計方案可知，隔熱層內珍珠巖層厚度為0時，儲罐罐壁的保冷損失率較大，當隔熱層珍珠巖厚度分別為0.38 m、0.66 m時，其保冷損失率會分別下降11.3%、1.398%，所以，在優化該LNG儲罐罐壁保冷性能時，還應根據保冷損失率的實際變化控制珍珠巖層的厚度，將其取值控制在約0.66 m[2]。

計算隔熱層內珍珠巖的最小厚度時，相關人員可基于大型LNG儲罐罐壁隔熱層的厚度設計，分析珍珠巖厚度值發生變化時，其保冷損失率、蒸發率的變化，然后在確保儲罐罐壁安全運行的基礎上，優化隔熱層的儲罐罐壁的保冷設計。比如，珍珠巖層厚度從0.66 m改變為0.38 m時，保冷損失率的變化僅從11.3%到1.398%，LNG儲罐罐壁隔熱層的蒸發率約為0.017%，滿足安全運行條件下蒸發率高于0.004 8%的基本要求。對此，設計人員對隔熱層珍珠巖層的最優厚度選取值應控制在0.38～0.66，但是為控制大型LNG儲罐隔熱層保冷設計的成本投入，隔熱層最優厚度應在保障儲罐運行安全的基礎上，選擇該區間內的最小值。

5 結語

綜上所述，為改善大型LNG儲罐罐壁的保冷性能，優化儲罐罐壁隔熱層設計，相關人員應準確計算太陽輻射下、無太陽輻射下儲罐罐壁的熱流量，并以此為基礎，有效評估LNG儲罐罐壁隔熱層保冷性能。然后針對性地優化LNG儲罐隔熱層整體設計，優化其保冷性能，使LNG儲罐能夠時刻處于良好的運行狀態，保冷能力符合LNG站的存儲要求。