全容式lng儲罐的絕熱性能及保冷系統研究

近年來，中國液化天然氣（lkg）的產量顯著增加，已成為天然氣進口的重要手段。1罐內側底部熱角保護系統、保冷系統及工藝儀表等附件構成全容式LNG儲罐主要由內罐、預應力鋼筋混凝土外罐、外罐內側底部熱角保護系統、內外罐之間的保冷系統以及工藝儀表等附件構成(圖1)。內罐頂為鋁合金吊頂,通過吊桿連接到外罐穹頂,鋁合金吊頂與內罐壁頂部設有柔性密封系統1.1頂保冷層內罐導電罐頂漏熱的主要形式是罐頂向吊頂的熱輻射及對流換熱,然后通過吊頂保冷層向內罐導熱。外罐頂通過熱傳導傳入的熱流量(Φ罐頂內表面與吊頂保冷材料上表面的熱傳導主要有輻射與對流換熱,熱流量(Φ吊頂通過熱傳導傳入罐內的熱流量(Φ式中λ根據能量守恒原理,Φ1.2保冷材料熱阻的影響罐壁漏熱的主要形式是罐壁外表面熱量通過罐壁、保冷材料向內罐導熱。假設保冷材料層之間接觸良好,不考慮接觸熱阻。外罐壁導入罐內的熱流量(Φ式中h為罐外表面的平均表面傳熱系數,W/(m1.3罐底與保冷材料接觸熱阻的情況罐底漏熱的主要形式是罐底大氣熱量通過罐底板、保冷材料向內罐導熱。假設罐底與保冷材料接觸良好,不考慮接觸熱阻。外罐底導入罐內的熱流量(Φ式中λ1.4計算主要參數的參數1.4.1空氣溫度注意事項沒有太陽輻射時,罐頂、罐壁及罐底外表面的溫度與周圍空氣溫度相近,計算時可取空氣溫度值;有太陽輻射時,罐頂壁外表面的溫度比沒有輻射時高一些,此時儲罐漏熱量相應增加,罐外表面與空氣的對流換熱量也相應增加,根據熱量平衡方程有:式中η為受太陽輻射的罐外表面積所占百分比;ε1.4.2強制對流換熱公式儲罐外表面平均表面傳熱系數(h)按空氣橫掠過圓管的強制對流換熱公式計算:式中λ為空氣導熱系數,W/(m·K);l為特征長度,m;Re為空氣雷諾數;Pr為空氣的普朗特數;c、n為常數。1.5儲罐日蒸發率儲罐的總漏熱量(Φ)為罐頂、罐壁和罐底的漏熱量之和:考慮到太陽輻射作用及輻射時間的長短,儲罐的實際總漏熱量(Φ式中η儲罐日蒸發率(BOR)是指在1天內蒸發的LNG占儲罐LNG總質量的百分比,其計算公式為:式中γ為LNG的蒸發潛熱,J/kg;V為儲罐容積,m1.6保冷材料導熱系數對蒸發的影響從漏熱量的計算公式可以看出影響儲罐漏熱量的主要參數有保冷材料的導熱系數、保冷層的厚度、儲罐表面的吸收率、環境溫度等。保冷材料的導熱系數越大,保冷層的厚度越小,環境溫度越高,漏熱量越大,因此,可選取導熱系數小的保冷材料并增大保冷層厚度來減小LNG的蒸發率。儲罐表面的吸收率越大,漏熱量越大,因此,可以在儲罐外表面涂白色涂料或在太陽輻射強烈時對罐壁進行噴淋降溫以減小漏熱量。1.7保冷材料參數及計算以某LNG接收站16×10儲罐基礎參數及保冷材料參數見表1、2。假設每天太陽輻射時間為12h,漏熱量及日蒸發率計算結果如表3所示。16×102罐壁保冷、吊保冷、管道保冷全容式LNG儲罐的保冷系統主要由罐底保冷、罐壁保冷、吊頂保冷和接管保冷等系統構成。通過對漏熱量主要影響因素的分析可知,保冷材料的選取和安裝對儲罐的保冷效果有重要的影響。2.1罐頂保冷材料用于全容式LNG儲罐的保冷材料除具有較小的導熱系數外,還應滿足密度小、吸水率小、阻燃性強、抗凍性強、價格低廉、安裝方便的要求,并在極低的溫度下滿足機械強度高、耐腐蝕、對人體無害、經久耐用等要求在保冷系統的設計及保冷材料的選擇上,除了要考慮保冷材料的絕熱性能外,還應結合儲罐的結構特點、材料的經濟性及安裝方便性等因素綜合考慮。罐底保冷材料需要承受罐體及罐內LNG的負荷,因此,宜選擇抗壓強度較高的泡沫玻璃。吊桿通過焊接及螺栓連接的方式把吊頂懸掛在罐頂鋼梁上,吊頂上保冷材料要選擇密度較小的玻璃纖維氈或膨脹珍珠巖。考慮到保冷材料的經濟性,內外罐壁間環形空間選擇堆積絕熱方式,保冷材料選用膨脹珍珠巖;儲罐會因溫度變化產生收縮,因此,在內罐壁外安裝彈性玻璃纖維氈為珍珠巖提供彈性,可以防止或減小珍珠巖的沉降。除了表4中的主要材料外,保冷系統還包括鋁箔、玻璃纖維布、瀝青氈、馬蹄脂、粘結劑、密封膠、保溫釘等輔助材料。高強度玻璃纖維布及鋁箔保護層安裝在彈性玻璃纖維氈表面,用于防止其因自重撕裂。水蒸氣對保冷材料的危害最大,需要對儲罐進行防潮隔氣保護,馬蹄脂和粘結劑都具有良好的防潮、隔氣性能。2.2保冷材料的施工工序及施工方法大型全容式LNG儲罐保冷系統的施工工程量大,施工工序多,施工質量直接影響到儲罐的保冷效果,因此,合理的施工工序及施工方法是保冷材料安裝的關鍵。以某16×102.2.1墊氈、多層泡沫玻璃磚罐罐底保冷設計復雜,保冷層數較多,從混凝土底板到內罐底板的保冷層依次為:外罐底襯板、素混凝土或干砂找平層、中間墊氈層、多層泡沫玻璃磚(罐內外圈為強度較高的泡沫玻璃磚、混凝土環梁)、中間墊氈層、素混凝土或干砂找平層、第二層罐底板、素混凝土找平層、內罐底板,混凝土底板到內罐底板的總厚度為700mm。安裝保冷材料采用從下到上、由內而外的施工工序,控制基礎底板及各絕熱層的平整度及縫隙,防止底板扭曲并保證保冷結構的連續性,以免出現“熱短路”。2.2.2熱角保護系統罐壁間環形空間保冷層由內而外依次為彈性玻璃纖維氈、高強度玻璃纖維布和膨脹珍珠巖,由內而外進行安裝。彈性氈外表面覆蓋玻璃纖維布,通過鉤板懸掛在內罐壁外側,并通過設置在罐壁表面的保溫釘與罐壁固定。彈性氈懸掛好后使底部貼緊罐壁,修剪超長的部分。為滿足系統的設計要求,珍珠巖保冷材料在保存、運輸及充裝時都應保持干燥。珍珠巖礦通過加熱爐在現場膨脹,從頂部往下分層裝填、分層夯實,直至填充到頂部。為防止破壞儲罐的附件,在垂直管道及附件與其他部件距離不足1m時不進行夯實。填充膨脹珍珠巖前,應安裝吊頂密封及珍珠巖隔板,防止填充時珍珠巖進入內罐。熱角保護系統由第二層底板、高5m的局部壁板和泡沫玻璃磚保冷層等構成。在外罐壁內側先敷設泡沫玻璃磚,然后安裝局部壁板,局部壁板上部通過環形板與預埋件焊接連接。2.2.3罐頂固定、修剪吊頂上敷設10層厚度為100mm的玻璃纖維氈,由不銹鋼絲等與吊頂固定。敷設時修剪玻璃纖維氈,使開口適合吊頂吊桿和其他支撐物。接管保冷采用套管結構,在冷管和套管之間充填彈性玻璃纖維氈進行保冷。接管保冷材料的安裝應先于珍珠巖填充與吊頂保冷材料的敷設。3保冷材料的選擇1)根據全容式LNG儲罐的結構特點,分別計算了罐頂、罐壁和罐底處的漏熱量,給出了全容式LNG儲罐總漏熱量及日蒸發率的計算方法。對某LNG儲罐保冷設計的日蒸發率進行了核算,結果表明其符合控制要求。對保冷材料的