引言

作為2l世紀最清潔高效的能源,天然氣被愈發(fā)廣泛地應用在各個工業(yè)領域。天然氣密度小、體積大,運輸存儲成本很高,所以國際間天然氣的運輸很多都是先將天然氣液化,再采用液化天然氣(LiquefiedNaturalGas,簡稱LNG)船運輸?shù)姆绞?。運輸?shù)酱a頭的液化天然氣儲存在LNG儲罐中,然后往外輸送,以滿足生活和工業(yè)需求。

LNG在儲罐中的溫度在-l60℃左右,儲運過程中,外界熱量傳入罐內,會引起LNG蒸發(fā),造成一定的經濟損失,如果漏熱嚴重,還會帶來安全隱患?？梢?絕熱保冷是LNG儲罐的重要特性,而最大日蒸發(fā)率則是衡量其效果的重要指標。

1儲罐的保冷系統(tǒng)

儲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。影響儲罐保冷性能的因素主要有保冷材料的導熱率、保冷層厚度、環(huán)境溫度等等。下面針對不同的保冷部分分別進行分析。

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。罐底保冷系統(tǒng)除了要起到保冷作用之外,還要對整個儲罐起支撐作用,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)鋪設位置的不同,要選用不同抗壓強度的玻璃磚,位于邊緣區(qū)域的采用高強度玻璃磚,中心區(qū)域采用普通玻璃磚。

1.2罐壁保冷

儲罐罐壁的保冷材料通常為膨脹珍珠巖和彈性氈,由于內外罐受到溫度變化會產生收縮或膨脹,填充的珍珠巖會發(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儲罐的壓力。

1.3罐頂保冷

罐頂保冷材料為玻璃棉,玻璃棉覆蓋在內罐頂部,將內罐與罐頂?shù)目臻g隔離開,能有效減少熱對流,對儲罐進行隔熱。

2儲罐漏熱量計算

2.1罐底漏熱量計算

罐底的漏熱速率計算公式如下:

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LNG的溫度(℃):入為保冷層保冷材料的導熱系數(shù)[w/(m·k)]:6為保冷層保冷材料的厚度(m)。

2.2罐壁漏熱量計算

罐壁上部的漏熱速率計算公式如下:

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LNG的溫度(℃):入為保冷層保冷材料的導熱系數(shù)[w/(m·k)]:6為保冷層保冷材料的厚度(m)。

罐壁下部的漏熱速率計算公式如下:

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LNG的溫度(℃):入為保冷層保冷材料的導熱系數(shù)[w/(m·k)]:6為保冷層保冷材料的厚度(m)。

2.3罐頂漏熱量計算

罐頂?shù)穆崴俾视嬎愎饺缦?

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LNG的溫度(℃):入為保冷層保冷材料的導熱系數(shù)[w/(m·k)]:6為保冷層保冷材料的厚度(m)。

3計算結果

根據(jù)LNG儲罐各部分漏熱量計算方法,以國內某20萬m3的儲罐為例,代入當?shù)丨h(huán)境參數(shù)、儲存介質參數(shù)以及儲罐結構參數(shù),計算LNG儲罐各部分漏熱量的占比,探究對于LNG儲罐來說哪一部分的漏熱量占比最大。

圖1所示為計算結果,可知整個儲罐的漏熱量集中在罐底和罐壁上,罐頂?shù)穆崃肯鄬^少。圖2為20萬m3儲罐單位面積的漏熱量占比,可分析得知,儲罐整體上罐壁的漏熱量之所以能占據(jù)40%,是因為罐壁的漏熱面積較大,從單位面積漏熱量來看,主要漏熱還是發(fā)生在罐底部分。

圖1儲罐漏熱量占比

4經濟性分析

同樣以某項目20萬m3的儲罐為例,針對不同的保冷措施對儲罐的保冷結構進行優(yōu)化,降低天然氣的蒸發(fā)率。

4.1罐頂保冷優(yōu)化

針對罐頂保冷方案進行優(yōu)化,已知罐頂保冷主要依賴于玻璃棉對熱量的隔絕,因此增加玻璃棉的厚度,分析不同厚度的玻璃棉對整個儲罐保冷系統(tǒng)的影響。

圖2儲罐單位面積漏熱量占比

對20萬m3儲罐罐頂玻璃棉分別加厚0.1m、0.2m,然后計算整個儲罐的漏熱量以及相關成本。

由圖3中數(shù)據(jù)可知,玻璃棉增厚0.1m后,單個儲罐每天將減少漏熱量199MJ,換算成質量為每個儲罐每天將節(jié)省0.389t天然氣,按天然氣3000元/t的價格換算,每個儲罐每年將節(jié)省成本42.6萬元,按照儲罐的設計壽命50年計算,將節(jié)省2130萬元。此外,增厚0.1m玻璃棉將增加成本8.28萬元。玻璃棉增厚0.2m后,單個儲罐每天將減少漏熱量368MJ,換算成質量為每個儲罐每天將節(jié)省0.722t天然氣,每個儲罐每年將節(jié)省成本79萬元,按50年計將節(jié)省3950萬元:另一方面,增厚0.2m玻璃棉將增加成本16.56萬元。

4.2罐底保冷優(yōu)化

針對罐底保冷方案進行優(yōu)化,已知罐底保冷主要依賴于玻璃磚對熱量的隔絕,因此增加玻璃磚的厚度,分析不同厚度的玻璃磚對整個儲罐保冷系統(tǒng)的影響。

對20萬m3儲罐罐底玻璃磚分別加厚25、50、75、100mm,然后計算整個儲罐的漏熱量以及相關成本。

由圖4數(shù)據(jù)可知,玻璃磚增厚25mm后,每個儲罐每天將減少漏熱量375.8MJ,換算成質量為每個儲罐每天將節(jié)省0.74t天然氣,每個儲罐一年將節(jié)省成本81.18萬元,50年將節(jié)省4059萬元,增厚25mm后玻璃磚將增加成本30.9萬元:玻璃磚增厚50mm后,每個儲罐每天將減少漏熱量803.4MJ,換算成質量為每個儲罐每天將節(jié)省1.58t天然氣,每個儲罐一年將節(jié)省成本173.5萬元,50年將節(jié)省8675萬元,增厚50mm玻璃棉將增加成本61.85萬元:玻璃磚的厚度增75mm,每個儲罐每天將減少漏熱量1158.5MJ,換算成質量為每個儲罐每日將節(jié)省2.28t天然氣,一年每個儲罐將節(jié)省成本250.2萬元,50年將節(jié)省12510萬元,增厚75mm玻璃棉將增加成本92.78萬元:玻璃磚增厚100mm后,每個儲罐每天將減少漏熱量1489.6MJ,換算成質量為每個儲罐每天將節(jié)省2.94t天然氣,每個儲罐一年將節(jié)省成本321.7萬元,50年將節(jié)省16085萬元,增厚100mm玻璃磚將增加成本123.7萬元。

4.3罐壁保冷優(yōu)化

針對罐壁保冷方案進行優(yōu)化,已知罐壁保冷主要依賴于彈性氈對熱量的隔絕,因此增加彈性氈的厚度,分析不同厚度的彈性氈對整個儲罐保冷系統(tǒng)的影響。

對20萬m3的儲罐罐底彈性氈分別增厚20mm和50mm,計算整個儲罐的漏熱量以及相關成本。

由圖5數(shù)據(jù)可知,彈性氈增厚20mm后,單個儲罐一天將減少漏熱量29.2MJ,換算成質量為單個儲罐每日將節(jié)省0.05t天然氣,一年四個儲罐將節(jié)省成本5.46萬元,50年將節(jié)省273萬元,增厚20mm彈性氈將增加成本102.2萬元:彈性氈厚度增加50mm,單個儲罐一天將減少漏熱量66.9MJ,換算成質量為單個儲罐每日將節(jié)省0.12t天然氣,一年每個儲罐將節(jié)省成本13.58萬元,50年將節(jié)省679萬元,增厚50mm彈性氈將增加成本255.5萬元。

根據(jù)計算結果,分析投入成本回報率,分析結果如圖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率。從數(shù)據(jù)可以看出,并不是保冷材料越厚,成本回報率越高。例如,在罐頂保冷中,玻璃棉增厚10mm比增厚20mm成本回報率更高:在罐底保冷中,玻璃磚增厚50mm的方案效益最高:在罐壁保冷中,0.32m彈性氈比0.35m彈性氈的成本回報率更好。

5結論

本文通過對LNG儲罐漏熱量的計算,得出儲罐各部分漏熱量的占比,并針對不同的保冷措施分別對儲罐保冷進行優(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罐帶來的經濟效益越高,而是要結合投入成本綜合對比,根據(jù)儲罐實際設計方案進行計算,才能更好地提高儲罐帶來的經濟效益。