【摘要】60立方LNG低温储罐的设计一直是国内低温行业致力于研发的课题。为了更好的掌握设计LNG储罐的理论依据和设计精髓,本文根据以往的研究成果,进一步讨论了LNG储罐的蒸发规律,确定了储罐设计过程中考虑蒸发与LNG储罐直径、初始充装率、环境温度和保温材料性能有关。其中前两个因素要着重考虑,后两个因素作为设计输入。以60立方LNG储罐为例,根据确定的蒸发率主要影响因素,计算了储罐工艺设计的基本尺寸参数为最佳直径。

前言在低温工程中,液化天然气(Liquefied NaturalGas,LNG)的储运是非常重要的内容,我国国内对于LNG储运方面的技术和设备建造已经取得了比较优异的成绩。5000m3以下的LNG储罐已经有成熟的设备生产制造厂家,1～3万、5～8万m3的单容罐已有工程实例,大型LNG储罐(如16万m3)已有多台正在运行。随着我国LNG产量和消耗量的逐步递增,低温技术和设备的国产化脚步也将越来越快。从20世纪60年代开始,对于LNG储罐的低温储存特性的研究就一直没有中断过,其中,对LNG蒸发规律的研究也一直是储罐研究的根本内容。

60立方LNG储罐作为低温储存容器,其保温特性和设备本体的安全应得到保证。对于工艺设计,主要研究的就是LNG储罐的保温性能———即蒸发规律。本文将凭借已有的工程实例和设计建造图纸,从理论研究出发,与实际设计相结合,讨论蒸发规律在设计60立方LNG储罐过程中的应用。

2 蒸发规律LNG是一种多组分的混合物,常压下以液体存在时,一般储存温度在-165～-158℃,由于储罐内外温度差造成的漏热,导致罐内LNG的内能增加,其中较轻的组分极容易蒸发,气体不断增多,使罐内压力升高。一方面对储罐本体安全产生威胁,另一方面泄放气体会增加损失(继而增加储运成本),并有可能导致气体遇到明火后引起火灾。因此,对于LNG蒸发规律的研究历来是低温工程学术界讨论的重点[1-4]。等建立了密闭LNG储罐内蒸发率计算模型,并采用小型试验的方法进行了验证[4]。2.1蒸发率模型简介在密闭LNG储罐中,根据质量守恒定律,减少的液体质量等于蒸发的气体。(1)(2)根据能量守恒定律,漏热量用于LNG内能的增加和气化。

(3)而储罐的漏热量可根据以下计算公式:(4)上述各式中,V为储罐体积,m3;ρ为密度,kg/m3;U为单位内能,J;mν为单位质量;β为充满率因子,无量纲;φ为充满率,无量纲;下标g为气相,l为液相,e为结束状态,s为初始状态;λeff为保温层导热系数,J/m·K;Am为LNG储罐传热面积,m2;△T为内外罐之间的温差,℃。

2.2蒸发规律

2.2.1蒸发率影响因素在对LNG蒸发规律的理论研究中,讨论的影响因素主要是LNG储罐直径、初始充满(装)率、环境温度、保温性能及含氮量。在这些影响因素中,有些在大罐的设计中是作为主要因素考虑的,有些只作为设计输入,不进行优化和讨论。另外,还有一些影响蒸发率的因素在储罐的设计中不作为设计输入值,比如外界大气压变化率。

2.2.2蒸发率影响计算与分析(1)LNG储罐直径的影响在大型LNG储罐的设计中,最基本的工艺设计是确定内外罐的直径,这就要考虑LNG储罐直径对其内部低温介质LNG蒸发率的影响。根据以往的研究结果,LNG储罐直径存在一个极限值使得LNG储罐内压力和蒸发率最小。比如对于3万m3储罐来讲,根据之前计算最优直径在30～40m之间。实际上,在设计中,3万m3储罐其容积指的是有效容积,是不含罐内泵最低吸入液位以下的部分和防止溢流的充装预留空间的。如果按照全部容积来考虑,最优直径则与上述有误差。LNG储罐的直径与蒸发率有关主要是因为不同直径在一定的容积下所对应的传热面积不同。在大型LNG储罐中,内罐上部通过柔性连接一个带绝热层的吊顶将内罐与外罐顶部气相空间隔开,吊顶下部气相与液相均为低温。由于气相传热系数远远小于液相,在计算表面积时仅考虑罐壁和罐底与液相接触的表面积。图1即为设计过程中考虑了最低和最高操作液位以外部分后,LNG储罐直径与液态传热面积的关系曲线。图1 3万m3LNG储罐直径与液态传热面积关系曲线因此,从图1可以看到,仅考虑储罐直径的影响时,有效容积为3万m3的储罐其最佳的内罐直径应为42～46m,相关系数R的平方为0.9969,相关系数R为0.9984,相关性极强。在储罐设计中,径高比由工程造价上多因素来确定的,也即经济性,当储罐表面积最小的时候,低温9%Ni钢耗材最少,焊接材料、人工等等均较少,可确保理论上经济性也最好。(2)初始充满率的影响提到初始充满率,则表明随时时间推移,充满率发生变化,也就是该因素考虑的是充装的动态过程。在文献[3]的讨论中,认为LNG储罐中蒸发率随初始充满率的增大而减小,并且在初始充满较小时(0～0.2)减小比较快(图2)。在初始充满率约为0.90时,蒸发率出现负值,即存在气体再液化的现象。LNG储罐内的蒸发率是液相蒸发与气象冷凝综合的有效蒸发率。在充装过程中,由LNG带入罐内的过冷冷量逐渐增多,与由于漏热而导致的气化处于热量不断传递的动态变化中,当充装到一定的液位时,可能发生冷量较多,气相再冷凝速率大于其漏热蒸发的情况,因此,在充装过程中储罐压力的监控非常重要。大型LNG储罐的操作压力范围一般都比较小,约为-0.5～29kPa(G),超压和负压都会对储罐的操作运行产生安全隐患。考虑到初始充装率对蒸发率的影响规律,在设计过程中,合理确定储罐压力报警和连锁取值,以防充装过程中压力过高或者过低延时控制造成不必要的损害。而在储罐使用运行过程中,一方面卸料时,根据来船LNG容量和即时LNG储罐的充满率,合理选择将LNG卸到哪个储罐和卸料先后顺序;另一方面,外输LNG时尽量使罐内LNG的充满率不低于0.2。

图2 LNG日蒸发率与初始充满率的关系(3)环境温度的影响环境温度主要是用于计算内外罐介质与环境之间的温差,环境温度对于大罐的蒸发率有较大的影响,特别是罐顶的表面温度昼夜的温差变化较大,使得储罐蒸发率在昼夜相差较大。对于保温层厚度的计算来说,环境温度是典型的设计输入条件,当项目地址选定时,其气象数据基本确定,因此在设计时仅考虑昼夜的变化影响,以昼夜的环境极端最高温度为设计环境温度。

(4)保温材料的影响在大罐的设计中,保温层的计算属于工艺内容。而大型储罐通常采用的保温材料是比较固定的,即泡沫玻璃、珍珠岩、玻璃纤维毯等,这些保温材料既能绝热保冷、还有吸声、防潮、防火、轻质、强度高等各种优良的性能,使用温度范围为-196～450℃,A级不燃,透湿系数几乎为0,导热系数在使用温度范围内约为0.0271～0.058W/(m·℃)。毫无疑问,保温材料的导热系数越小,对于大罐来说其保冷性能越好。因此,在设计过程中,不探讨保温材料性能,而是将其作为设计输入。由公式(4)可知,计算漏热量,要确定有效传热系数储罐传热面积,内外罐之间的温差。具体的计算方法可参见文献[7]。

(5)含氮量的影响LNG是以甲烷为主要成分的烃类混合物,其中还含有少量的乙烷、丙烷及氮等成分。在自然蒸发条件下,由于氮的泡点温度(-196℃)低于甲烷的泡点温度(-160℃),氮气优先于甲烷蒸发。根据欧洲标准(EN 1160-96)和经验,LNG产品中的N2含量(摩尔分数)应小于5%,且只要控制LNG中氮气含量小于1%,并加强蒸发气的监测,就可以避免LNG储运过程中的翻滚现象[8]。在密闭容器中当以氮含量分别为0.3%、1.3%、2.3%、3.3%、4.3%为例,以上述蒸发率模型进行计算时,发现LNG储罐内的蒸发率随着氮含量的增大而减小,这可能是因为氮含量越高时,氮气从LNG中首先蒸发出来,密闭罐内压力快速上升。压力升高使得LNG沸点升高,蒸发率减小。但是在实际工程中,大型储罐与外界是互通的,氮含量如果增大,氮气蒸发的越多,导致气液相界面处液相的密度发生变化的几率和幅度越大,界面处液相层与其下层液相的密度差也越大,分层情况越严重,对储罐安全储存不利。但是对于大型LNG储罐的设计来讲,一般不考虑LNG的组分,因其在前端工艺净化液化时已经考虑。LNG组分通常在罐内泵选型及确定储罐最低液位时作为设计基础条件之一。另外,考虑LNG接收站内其他设备如BOG压缩机选型时,在分析相应组分LNG的蒸发后,可更好的选择合适的压缩机能力。总的来说,在储罐设计中LNG组成作为设计输入,不详加讨论。

(6)风速的影响风速对于储罐蒸发率的影响主要来自于对储罐表面传热的影响。低温储罐表面与空气之间的换热为强迫对流换热,风速的大小可以直接影响储罐表面的传热能力,即风速对储罐总传热系数K的影响(见图3)。图3风速对总传热系数的影响从图3中可以看到,储罐总传热系数随着风速的增加而增大,但增大速率逐渐减小。在风速为0～5m/s范围内,储罐总传热系数K的增大速率(增长率,见图4)约在0.2%～2%,当风速超过5m/s时,K的增长率均小于0.2%。但是总的来讲,储罐的总传热系数均在相同的量级上,风速对其影响很小,因此在储罐设计过程中,风速主要用于设备、结构、土建等载荷计算,很少用于工艺上保冷设计方面,可以忽略不计。图4总传热系数K随风速的增长率(7)大气压变化率的影响在理论研究中,很少将大气压变化率作为储罐本体设计蒸发率影响因素来分析,但是在工程项目中,会经常根据大气压变化率计算LNG自蒸发气量(BOG)。这部分计算结果大致对储罐本体设计无明显影响,但是对LNG接收站其他设备和设施的选型、配置和布置有较大的影响,这主要是因为在对储罐进行蒸发率研究时,一般以密闭储罐为研究对象,而实际工程中,储罐与其他部分是相互联系、相互作用的有机的整体,进出皆有控制。因此,对储罐本体设计时,不考虑大气压变化率的影响。2.2.3小结从以上对LNG储罐蒸发率影响因素及其对储罐设计的分析,可以了解到影响蒸发率的因素中,有些是设计中需要着重考虑并优化的;有些是基本的设计输入,在设计之前根据项目即可确定的;还有一些对接收站设备计算很重要,但由于对储罐本体设计无明显影响,因此在设计过程中可以不考虑。3结论本文根据已建立的蒸发率模型,深入讨论了LNG储罐内蒸发率的影响因素,并以工程项目经验为参考,阐述了各种影响因素在储罐设计中的作用,总结如下:(1)在容积一定的前提下,LNG储罐的直径是影响传热面积和蒸发率的重要因素,存在一个最佳直径,使得传热面积和蒸发率最小,在工艺设计中,最重要的一项即是确定LNG储罐的直径。(2)初始充装率不同,同一储罐内LNG的蒸发率不同,充装率很小时(≤0.2),在静态过程中蒸发率较大;随着充装率的增大(动态过程),LNG储罐的蒸发率逐渐减小,且罐内压力逐渐减小,甚至负压。因此,在工艺设计中,合理设置压力监控、报警和联锁值。(3)环境温度和保温材料物性参数均作为项目中大型LNG储罐的设计输入。(4)含氮量、风速和大气压变化率在储罐设计中可忽略不考虑。根据以上结论,可知3万m3LNG储罐设计时,主要考虑LNG直径确定其最小的蒸发率,内罐直径最优值落在40～50m范围内。