大型液化天然气储罐的发展状况

张 月，王为民，李明鑫，郝 晶，曹彦青

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

1 前言

1.1 液化天然气的优点

液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称 LNG)作为目前世界公认的最洁净，最环保的能源在煤、石油等重要能源行列中有着不可小觑的位置。它的主要成分是甲烷，无色，无味，无毒，而且还没有腐蚀性。同时体积约为同量气态天然气体积的1/600。

天然气液化主要是便于其储存与运输，且节约成本。天然气在低温液化过程中已经脱除了硫等有害杂质，因此在燃烧过程中基本不排放二氧化硫和硫化氢等影响呼吸系统健康的气体及可吸入的悬浮微粒，其它有害气体的排放量也比石油和煤少很多。液化天然气的重量更是仅仅为同体积水的45%左右,其临界温度为 190.58 K，LNG储存在温度为 112 K(-161 ℃、压力为0.1 MPa左右的低温储罐内,其密度为标准状态下甲烷的600多倍,体积能量密度为汽油的72%。燃烧时对空气污染程度小，且释放出的热量大。所以说液化天然气是不可或缺的好能源。

1.2 大型液化天然气储罐简介

液化天然气的储存是液化天然气工业链中至关重要的一个环节，而液化天然气储罐是储存和运输LNG的一种重要的设备。随着各国LNG项目的逐

渐兴起,大型液化天然气储罐也得到了广泛的应用。世界上许多国家对大型常压 LNG储罐的设计与建造都非常重视。液化天然气储罐作为存储、运输液化天然气的装置,属于低温压力容器。LNG储罐的设计温度一般为-165 ℃左右，由于设计时需考虑到用氮气冷凝时可能出现的温度，所以设计温度范围在-165 ℃与-196 ℃之间。大型LNG储罐的属于低温常压下的设计，一般为 10～20 万m3。大型储罐具有节省钢材、投资小、占地少和方便管理和操作等优点。

2 大型液化天然气储罐的分类

2.1 按罐的安装位置分类

（1） 地上型：地上型又分为落地式和高架式。

（2） 地下型：地下型又分为半地下型、地下型和地下坑型。

2.2 按罐的形状分类

（1） 球形罐：一般用于中容量和小容量的储罐，很少用于大型液化天然气储罐。

（2） 圆柱形罐：各种容量储罐均可适用。

2.3 按罐的材料分类

（1） 双金属型：内罐和外壳均采用金属材料。内罐一般采用耐低温的不锈钢或铝合金外壳采用黑色金属。

（2） 预应力混凝土型：一般大型储罐采用预应力混凝土外壳，而内筒采用低温的金属材料。

（3） 薄膜型：指内筒采用厚度为0.8～1.2mm的 36Ni 钢（又称殷钢）。

2.4 按罐的容量分类

（1） 小型储罐容量5～50 m3：常用于民用燃气气化站，液化天然气汽车加注站等场合。

（2） 中型储罐容量50～100 m3：常用于卫星式液化装置，工业燃气气化站等场合。

（3） 大型储罐容量 100～40 000 m3：常用于LNG生产装置和调峰型液化装置等场合。

（4） 特大型储罐容量40 000～200 000 m3：常用于液化天然气进出口码头[1]。

2.5 按绝热结构分类

（1） 真空粉末绝热型：常用于小型LNG储罐。

（2） 正压堆积绝热型：广泛用于大中型储罐及储槽。

（3） 高真空多层绝热型：一般很少采用，限用于小型LNG储罐。

2.6 按罐的结构分类

（1） 单容式型：如图1所示，它的特点为在金属罐外侧有一个比罐高低很多的，容积与罐容积相等的混凝土围堰,主要是为了防止内容器发生事故时液化天然气外溢扩散。此类储罐的安全性能较差，同时造价很低，占地面积很大，在接收站储罐设计中很少应用。

（2）双容式型：如图2所示，它的特点是在它的金属罐外，设有 內一个储罐筒体高度相近，并与容器分开的圆柱形混凝土围护墙，设有它的目的是加强防止LNG的泄露。即便泄露，也不至于大面积泄露，只有少量LNG向上空扩散蒸发，它的安全性能较单容式储罐要好。

（3） 全容式型：如图3所示，它的特点是内外罐筒均由 9%镍钢经特殊加工和设计而制成，外罐设计为全封闭式，并加有混凝土材料。所以，LNG及其蒸发气被双重保护，不易外漏，少量泄漏的LNG也只能在混凝土外罐内，不至于外泄。并能抵抗外来荷载，子弹穿击和热辐射等[2]。

因为这三种容器各有利弊，所以如何选用这三种容器，应综合考虑技术、经济、安全性能、主要应该从安全方面、经济方面、地理位置、占地面积、以及周边环境等因素考虑。

图1 单容式储罐Fig.1 Single capacitance tank

图2 双容式储罐Fig.2 Double capacitance tank

图3 全容式储罐Fig.3 The capacitance tank

3 大型液化天然气储罐国内外现状

3.1 国外大型LNG储罐的设计发展现状

液化天然气储罐的设计与建造主要依靠外国技术，像美国，英国，日本等工业发的国家都先后制成LNG储罐，由于对天然气的需求量越来越大，尤其亚洲很多国家更是大量使用天然气。所以，LNG储罐的设计与建造得到了世界各国相关领域的重视与关注。1940年，俄亥俄天然气公司在克利夫兰建了处理量为1.13×l05 m3/d天然气工厂，制成3台直径为17.37 m的LNG球形储罐。1954年出现了第一台用于液氧的不锈钢双壁绝热平底低温储槽。1958年，在路易安美国芝加哥桥梁钢铁公司建造了第一座工业规模的LNG储罐，容积为5 550 m3[3]。

世界上建造大型 LNG储罐国家属日本设计最多。目前世界上最大的地下 LNG储罐容量已达到25万m3。在2001年，日本《配管技术》报道，目前世界上，建有 62 处液化天然气接受基地和液化基地，其中共有 309座 LNG 储罐，而日本就占有168 座，其它国家地区 141 座。接收终端要求 LNG储罐容量越来越大，20 世纪 70 年代以前，大部分储罐都在 6 万 m3以下；到了 90 年代后期，储罐的存储容量超过 10 万 m3，而其中 44%的储罐容量达到12 万 m3以上，日本的根岸 LNG 接收终端和扇岛 LNG 接收终端的地下储罐属于最大容量，其容量高达 20 万 m3。到 1992 年为止，只有日本建造了129台LNG储罐[4]。

3.2 国内大型LNG低温储罐设计发展现状

随着我国经济的迅速发展，对石油的需求量是日益增加，我国近年来要进口1.6亿t左右石油，以满足国民经济高速发展的需，加快发展大型储罐的建设，提高我国石油储备能力成为我国战略发展的方向。

我国拥有丰富的天然气资源，是世界天然气大国之一，但我国还没有大规模液化天然气系统工程实践，西部地区的天然气低成本走向东、南部沿海地区主要依靠天然气技术发展来实现。从而，改善了我国不均匀的天然气资源分布，同时东部沿海地区的能源紧缺问题也能得到相应的改善[5]。与世界发达国家相比，我国的大型 LNG 储罐设计技术还刚刚起步，正处于摸索阶段，目前我国还没有自主设计的大型常压LNG储罐，液化天然气核心技术还未完全掌握，但随着液化天然气的需求量逐渐正大，LNG贮存问题也越来越为国家的重视。目前，由法国/意大利STTS集团承建的广东深圳两台16万m3的 LNG储罐，美国CBI公司承建的福建湄州两台16万m3的LNG储罐，由法国索菲公司承建的上海浦东容量为 10万 m3的预应力钢筋混凝土 LNG储罐。由林德公司承建的新疆广汇容量为3万m3的圆筒双层壁LNG储罐；从20世纪80年代起，四川空分设备(集团)有限公司开始汲取国外的设计理念和先进的建造技术。最近几年来，独自研发了很多大型低温液体储罐。同时，许多沿海省市，如浙江省等部分也在积极准备研究LNG引进有关事项，并建设了储罐接收站。在大型低温液体储罐领域，如液氧、液氮储罐国内已有日益成熟的设计和建造技术[6]。

国内近几年已建造了不少小型 LNG 储罐，但基本上都是以压力罐的方式出现，如四川空分设备公司最早建造的用于中原油田的 600 m3子母罐。压力罐在容量小的情况 (600 m3以下) 是可行的，但随着容量的增大其投资成本会随之增大，因此发展大型常压 LNG 储罐，尤其是 10 万 m3以上 LNG 储罐已经是大势所趋。

4 液化天然气储罐设计和建造时需注意的问题

4.1 LNG的材料选择问题

LNG储罐中储罐材料的选择是设计中最重要的一个技术经济问题。由于 LNG储罐在超低温状态（-162 ℃）条件下工作，再由于LNG的可燃性和超低温性，选择LNG储罐材料时首要考虑材料在低温下的力学性能，主要是要求材料有足够的强度（包括疲劳强度）和在使用温度范围内具有足够大的韧性，以免发生脆性破坏。其次还要考虑LNG 储罐的保冷材料应满足导热系数小、化学性能稳定等特点。同时还要考虑良好的加工性和可焊性。此外，低温保冷对保冷材料还有一些特殊要求，主要包括吸湿性小、水蒸汽透湿系数低、低温线膨胀系数小和阻燃性能好等。最后也是实际问题，应该考虑材料的价格，和采购问题，要做到，价格低廉，采购方便。

4.2 LNG出现密度差的问题

在半充满的LNG储罐内，注入密度不同的LNG会产生分层，主要因为 LNG组分产地和温度的差异，以及LNG由于老化而使组分发生变化的原因。当储罐内发生密度差时会引起分层现象，上部较轻的液层可正常对流，并蒸发释放热量。但是，下层由于对流太弱，不能使下层较重液体到达上层，下层处于一种内部对流状态。上下两层对流独立进行，直到两层密度接近时发生快速混合，下层被抑制蒸发的液体将大量蒸发气化。同时，表面蒸发率剧增，从而导致压力增大，超过其安全设计压力，这给储罐的安全运行带来严重威胁，同时，大量的天然气排空，也造成了资源浪费。

4.3 储罐的腐蚀问题

由于设计计算时可能只考虑到了介质的均匀腐蚀，没有考虑LNG内还含有水，和其他杂质，它们大部分堆积在储罐底部，这样会造成底圈壁板局部腐蚀，所以，设计时应注意此类问题，可适当增加底圈壁板的厚度。

其它还有很多应注意的问题，像风载荷和地震载荷引起的罐体向上抬升，和罐体在罐壁底圈壁板和罐底边缘板上受力时，除了承受液体的静压力外，还承受着较大的边缘应力[7,8]。

5 结论与展望

液化天然气储罐大型化是必然趋势，主要因为大型LNG储罐占地面积小，投资较小，还可以节省所用钢材等很多优势的存在。

但大型化也要适中，安全合理的设计可以更多的节省所用的人力和物力。我国相关领域应该加大对LNG储罐的设计与建造技术的研究，争取早日研制出一台完全属于我们自主理念和技术的液化天然气储罐。

［1］李兆慈. 我国LNG储运设备的发展状况［J］.石油工业技术监督，2005(5):55-58.

［2］骆晓玲. 大型液化天然储罐的发展研究［J］.机械设计与制造，2009(9):255-257.

［3］王冰. 大型低温LNG储罐设计与建造技术的新进展［J］.天然气工业，2010,30（5）：108-112.

［4］吕昌海. 大型 LNG储罐结构与保冷性能研究［D］.青岛：青岛科技大学，2010.

［5］王振良. 大型 LNG低温储罐设计理论与方法研究［D］.西安：西安石油大学，2011.

［6］张抗. 世界液化天然气发展现状与展望[J ].当代石油石化,2006, 14(4) : 31-34.

［7］黄帆. 我国液化天然气现状及发展前景分析［J］.天然气技术，20 07（1）：68-71.

［8］ 郭揆常. LNG接受站建设［J］.上海电力，2009（6）：492-494.