張蓬菲　王康　劉志乾　張洲

摘 要：為了探究LNG儲(chǔ)罐的最佳經(jīng)濟(jì)效益，從罐底、罐壁和罐頂三個(gè)方面對(duì)儲(chǔ)罐的保冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，分析每種保冷材料對(duì)儲(chǔ)罐漏熱量的影響。以國(guó)內(nèi)某20萬(wàn)m3的LNG儲(chǔ)罐為基礎(chǔ)，計(jì)算不同保冷方案下節(jié)約的成本，為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐的保冷設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：保冷；LNG；漏熱量；儲(chǔ)罐

中圖分類(lèi)號(hào)：TE821? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）09-0066-03

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.019

0? ? 引言

作為21世紀(jì)最清潔高效的能源，天然氣被愈發(fā)廣泛地應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。天然氣密度小、體積大，運(yùn)輸存儲(chǔ)成本很高，所以國(guó)際間天然氣的運(yùn)輸很多都是先將天然氣液化，再采用液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱(chēng)LNG）船運(yùn)輸?shù)姆绞?。運(yùn)輸?shù)酱a頭的液化天然氣儲(chǔ)存在LNG儲(chǔ)罐中，然后往外輸送，以滿足生活和工業(yè)需求[1]。

LNG在儲(chǔ)罐中的溫度在-160 ℃左右，儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，外界熱量傳入罐內(nèi)，會(huì)引起LNG蒸發(fā)，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，如果漏熱嚴(yán)重，還會(huì)帶來(lái)安全隱患?？梢?jiàn)，絕熱保冷是LNG儲(chǔ)罐的重要特性，而最大日蒸發(fā)率則是衡量其效果的重要指標(biāo)。

1? ? 儲(chǔ)罐的保冷系統(tǒng)

儲(chǔ)罐保冷分為罐底保冷、罐壁保冷以及罐頂保冷三部分，不同部分的保冷措施各不相同。影響儲(chǔ)罐保冷性能的因素主要有保冷材料的導(dǎo)熱率、保冷層厚度、環(huán)境溫度等等[2]。下面針對(duì)不同的保冷部分分別進(jìn)行分析。

1.1? ? 罐底保冷

罐底保冷系統(tǒng)由罐底中心區(qū)域保冷、罐底環(huán)梁區(qū)域保冷和罐底邊緣保冷三部分組成[3]。罐底保冷系統(tǒng)除了要起到保冷作用之外，還要對(duì)整個(gè)儲(chǔ)罐起支撐作用，所以要求罐底保冷材料有一定的承壓能力。泡沫玻璃磚是目前最常用的罐底保冷材料，根據(jù)鋪設(shè)位置的不同，要選用不同抗壓強(qiáng)度的玻璃磚，位于邊緣區(qū)域的采用高強(qiáng)度玻璃磚，中心區(qū)域采用普通玻璃磚。

1.2? ? 罐壁保冷

儲(chǔ)罐罐壁的保冷材料通常為膨脹珍珠巖和彈性氈，由于內(nèi)外罐受到溫度變化會(huì)產(chǎn)生收縮或膨脹，填充的珍珠巖會(huì)發(fā)生沉降，彈性氈可以緩解膨脹珍珠巖的沉降，還可以緩沖珍珠巖對(duì)儲(chǔ)罐的壓力[4]。

1.3? ? 罐頂保冷

罐頂保冷材料為玻璃棉，玻璃棉覆蓋在內(nèi)罐頂部，將內(nèi)罐與罐頂?shù)目臻g隔離開(kāi)，能有效減少熱對(duì)流，對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行隔熱[5]。

2? ? 儲(chǔ)罐漏熱量計(jì)算

2.1? ? 罐底漏熱量計(jì)算

罐底的漏熱速率計(jì)算公式如下[6]：

式中：Qbottom為罐底總漏熱速率（W）；Qb-center為罐底中心區(qū)域的漏熱速率（W）；Qb-edge為罐底邊緣區(qū)域的漏熱速率（W）；Ab-center為罐底中心區(qū)域的換熱面積（m2）；Ab-edge為罐底邊緣區(qū)域的換熱面積（m2）；Ta為罐底溫度（℃），取極端最高氣溫；TLNG為L(zhǎng)NG的溫度（℃）；λ為保冷層保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·k）]；δ為保冷層保冷材料的厚度（m）。

2.2? ? 罐壁漏熱量計(jì)算

罐壁上部的漏熱速率計(jì)算公式如下：

式中：Qgb為罐壁上部的漏熱速率（W）；AsA為罐壁上部的換熱面積（m2）；Ts為罐壁上部的外表面溫度（℃）；TLNG為L(zhǎng)NG的溫度（℃）；λ為保冷層保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·k）]；δ為保冷層保冷材料的厚度（m）。

罐壁下部的漏熱速率計(jì)算公式如下：

式中：QTCP為罐壁下部的漏熱速率（W）；AsB為罐壁下部的換熱面積（m2）；TTCP為罐壁下部的外表面溫度（℃）；TLNG為L(zhǎng)NG的溫度（℃）；λ為保冷層保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·k）]；δ為保冷層保冷材料的厚度（m）。

2.3? ? 罐頂漏熱量計(jì)算

罐頂?shù)穆崴俾视?jì)算公式如下：

式中：Qgd為罐頂總漏熱速率（W）；Qa為穹頂漏熱速率（W）；Qb為罐頂拉桿、人孔、吊頂泄放孔的漏熱速率（W）；Ar為穹頂?shù)膿Q熱面積（m2）；Ab為拉桿、人孔、吊頂泄放孔的傳熱面積（m2）；Ta為罐頂溫度（℃）；TLNG為L(zhǎng)NG的溫度（℃）；λ為保冷層保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·k）]；δ為保冷層保冷材料的厚度（m）。

3? ? 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)LNG儲(chǔ)罐各部分漏熱量計(jì)算方法，以國(guó)內(nèi)某20萬(wàn)m3的儲(chǔ)罐為例，代入當(dāng)?shù)丨h(huán)境參數(shù)、儲(chǔ)存介質(zhì)參數(shù)以及儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算LNG儲(chǔ)罐各部分漏熱量的占比，探究對(duì)于LNG儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)哪一部分的漏熱量占比最大。

圖1所示為計(jì)算結(jié)果，可知整個(gè)儲(chǔ)罐的漏熱量集中在罐底和罐壁上，罐頂?shù)穆崃肯鄬?duì)較少。圖2為20萬(wàn)m3儲(chǔ)罐單位面積的漏熱量占比，可分析得知，儲(chǔ)罐整體上罐壁的漏熱量之所以能占據(jù)40%，是因?yàn)楣薇诘穆崦娣e較大，從單位面積漏熱量來(lái)看，主要漏熱還是發(fā)生在罐底部分。

4? ? 經(jīng)濟(jì)性分析

同樣以某項(xiàng)目20萬(wàn)m3的儲(chǔ)罐為例，針對(duì)不同的保冷措施對(duì)儲(chǔ)罐的保冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低天然氣的蒸發(fā)率。

4.1? ? 罐頂保冷優(yōu)化

針對(duì)罐頂保冷方案進(jìn)行優(yōu)化，已知罐頂保冷主要依賴(lài)于玻璃棉對(duì)熱量的隔絕，因此增加玻璃棉的厚度，分析不同厚度的玻璃棉對(duì)整個(gè)儲(chǔ)罐保冷系統(tǒng)的影響。

對(duì)20萬(wàn)m3儲(chǔ)罐罐頂玻璃棉分別加厚0.1 m、0.2 m，然后計(jì)算整個(gè)儲(chǔ)罐的漏熱量以及相關(guān)成本。

由圖3中數(shù)據(jù)可知，玻璃棉增厚0.1 m后，單個(gè)儲(chǔ)罐每天將減少漏熱量199 MJ，換算成質(zhì)量為每個(gè)儲(chǔ)罐每天將節(jié)省0.389 t天然氣，按天然氣3 000元/t的價(jià)格換算，每個(gè)儲(chǔ)罐每年將節(jié)省成本42.6萬(wàn)元，按照儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壽命50年計(jì)算，將節(jié)省2 130萬(wàn)元。此外，增厚0.1 m玻璃棉將增加成本8.28萬(wàn)元。玻璃棉增厚0.2 m后，單個(gè)儲(chǔ)罐每天將減少漏熱量368 MJ，換算成質(zhì)量為每個(gè)儲(chǔ)罐每天將節(jié)省0.722 t天然氣，每個(gè)儲(chǔ)罐每年將節(jié)省成本79萬(wàn)元，按50年計(jì)將節(jié)省3 950萬(wàn)元；另一方面，增厚0.2 m玻璃棉將增加成本16.56萬(wàn)元。

4.2? ? 罐底保冷優(yōu)化

針對(duì)罐底保冷方案進(jìn)行優(yōu)化，已知罐底保冷主要依賴(lài)于玻璃磚對(duì)熱量的隔絕，因此增加玻璃磚的厚度，分析不同厚度的玻璃磚對(duì)整個(gè)儲(chǔ)罐保冷系統(tǒng)的影響。

對(duì)20萬(wàn)m3儲(chǔ)罐罐底玻璃磚分別加厚25、50、75、100 mm，然后計(jì)算整個(gè)儲(chǔ)罐的漏熱量以及相關(guān)成本。

由圖4數(shù)據(jù)可知，玻璃磚增厚25 mm后，每個(gè)儲(chǔ)罐每天將減少漏熱量375.8 MJ，換算成質(zhì)量為每個(gè)儲(chǔ)罐每天將節(jié)省0.74 t天然氣，每個(gè)儲(chǔ)罐一年將節(jié)省成本81.18萬(wàn)元，50年將節(jié)省4 059萬(wàn)元，增厚25 mm后玻璃磚將增加成本30.9萬(wàn)元；玻璃磚增厚50 mm后，每個(gè)儲(chǔ)罐每天將減少漏熱量803.4 MJ，換算成質(zhì)量為每個(gè)儲(chǔ)罐每天將節(jié)省1.58 t天然氣，每個(gè)儲(chǔ)罐一年將節(jié)省成本173.5萬(wàn)元，50年將節(jié)省8 675萬(wàn)元，增厚50 mm玻璃棉將增加成本61.85萬(wàn)元；玻璃磚的厚度增75 mm，每個(gè)儲(chǔ)罐每天將減少漏熱量1 158.5 MJ，換算成質(zhì)量為每個(gè)儲(chǔ)罐每日將節(jié)省2.28 t天然氣，一年每個(gè)儲(chǔ)罐將節(jié)省成本250.2萬(wàn)元，50年將節(jié)省12 510萬(wàn)元，增厚75 mm玻璃棉將增加成本92.78萬(wàn)元；玻璃磚增厚100 mm后，每個(gè)儲(chǔ)罐每天將減少漏熱量1 489.6 MJ，換算成質(zhì)量為每個(gè)儲(chǔ)罐每天將節(jié)省2.94 t天然氣，每個(gè)儲(chǔ)罐一年將節(jié)省成本321.7萬(wàn)元，50年將節(jié)省16 085萬(wàn)元，增厚100 mm玻璃磚將增加成本123.7萬(wàn)元。

4.3? ? 罐壁保冷優(yōu)化

針對(duì)罐壁保冷方案進(jìn)行優(yōu)化，已知罐壁保冷主要依賴(lài)于彈性氈對(duì)熱量的隔絕，因此增加彈性氈的厚度，分析不同厚度的彈性氈對(duì)整個(gè)儲(chǔ)罐保冷系統(tǒng)的影響。

對(duì)20萬(wàn)m3的儲(chǔ)罐罐底彈性氈分別增厚20 mm和50 mm，計(jì)算整個(gè)儲(chǔ)罐的漏熱量以及相關(guān)成本。

由圖5數(shù)據(jù)可知，彈性氈增厚20 mm后，單個(gè)儲(chǔ)罐一天將減少漏熱量29.2 MJ，換算成質(zhì)量為單個(gè)儲(chǔ)罐每日將節(jié)省0.05 t天然氣，一年四個(gè)儲(chǔ)罐將節(jié)省成本5.46萬(wàn)元，50年將節(jié)省273萬(wàn)元，增厚20 mm彈性氈將增加成本102.2萬(wàn)元；彈性氈厚度增加50 mm，單個(gè)儲(chǔ)罐一天將減少漏熱量66.9 MJ，換算成質(zhì)量為單個(gè)儲(chǔ)罐每日將節(jié)省0.12 t天然氣，一年每個(gè)儲(chǔ)罐將節(jié)省成本13.58萬(wàn)元，50年將節(jié)省679萬(wàn)元，增厚50 mm彈性氈將增加成本255.5萬(wàn)元。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析投入成本回報(bào)率，分析結(jié)果如圖6所示。

分析圖6數(shù)據(jù)可知每多投入1元成本，不同保冷方案下的成本回報(bào)率。從數(shù)據(jù)可以看出，并不是保冷材料越厚，成本回報(bào)率越高。例如，在罐頂保冷中，玻璃棉增厚10 mm比增厚20 mm成本回報(bào)率更高；在罐底保冷中，玻璃磚增厚50 mm的方案效益最高；在罐壁保冷中，0.32 m彈性氈比0.35 m彈性氈的成本回報(bào)率更好。

5? ? 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)LNG儲(chǔ)罐漏熱量的計(jì)算，得出儲(chǔ)罐各部分漏熱量的占比，并針對(duì)不同的保冷措施分別對(duì)儲(chǔ)罐保冷進(jìn)行優(yōu)化，得到的一系列數(shù)據(jù)表明，并不是保冷材料用料越多儲(chǔ)罐帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益越高，而是要結(jié)合投入成本綜合對(duì)比，根據(jù)儲(chǔ)罐實(shí)際設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算，才能更好地提高儲(chǔ)罐帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。

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收稿日期：2023-02-08

作者簡(jiǎn)介：張蓬菲（1993—），女，天津人，機(jī)械工程師，從事LNG接收站及儲(chǔ)罐的低溫設(shè)備相關(guān)領(lǐng)域工作。