20 万m3大型LNG 储罐罐底保冷设计浅析

上海液化天然气有限责任公司 金 罕 王 春

中海石油气电集团有限责任公司 扬 帆

随着“煤改气”的进一步推进，国内对清洁能源的需求迅猛增长，2018 年初开始，国家发改委先后出台了加快天然气储备基础设施建设、管网互联互通等政策，十三五期间，LNG 接收站新建、扩建项目建设步入空前的快车道。为应对新形势，储罐大型化成为国内LNG 行业技术发展的趋势。

目前国内已投产及在建的最大LNG 储罐罐容为20 万m3，本文以上海某20 万m3大型LNG 储罐建设为例，对该储罐罐底保冷设计进行相应的分析和探讨。

1 储罐结构

该LNG 储罐为全容罐结构，内罐为顶部敞开结构，材料为X7Ni9 钢，内罐直径为84 m，常温下高度为40.82 m。内罐顶部吊顶材质为铝合金板，与罐顶拱顶梁通过不锈钢拉杆连接，见图1。

图1 某20 万m3 大型LNG 储全容罐结构示意

混凝土外罐由钢筋混凝土承台、后张拉式混凝土罐壁、钢筋混凝土罐顶组成，罐底承台与罐壁、罐壁与罐顶均采用刚性连接。外罐壁内径86 m，承台中心区域厚度0.8 m，边缘厚度1.3 m。

2 储罐保冷设计

由于LNG 的低温特性及LNG 储罐保冷材料性能的局限性，外界环境不可避免的会向储罐内漏热，从而引起罐内LNG 内能增加，温度上升，其中的轻组分逐渐挥发出来，成为蒸发气。气体不断增多，会引起储罐内压力升高，当压力达到安全阀值后，就会开启安全阀排气。

为减少储罐漏热、储罐BOG 产生，LNG 储罐必须设置完善的保冷系统，内罐和外罐间的环状空间及悬挂的内吊顶都必须用绝热材料进行填充保冷，日蒸发率为一般为0.05 %/d(以纯甲烷计，质量百分浓度)。

一般来说，储罐保冷系统应根据LNG 储罐结构和热工要求进行设计。此外，还应考虑安装方法、试运行及停运(置换、气体排除)的要求。

不同类型的储罐及储罐不同部位(罐底、罐壁、罐顶)的保冷设计截然不同。罐底保冷设计一般为难点，一方面因为LNG 全容储罐底部保冷材料应能承受上部LNG 产品或储罐本体的荷载，保温层应具有足够的抗压强度，另外罐底部保冷材料可能受到横向力作用(如地震力)，保冷层应具有足够的抗拉强度和剪切性能同时需要考虑底部保冷。另外一方面，由于罐底保冷材料导热系数一般较大，相对于罐壁、罐顶保冷，常规情况下罐底及附近热角保护区域附近最容易漏冷而结霜或结露，更严重的时候底部表面可能会出现结冰现象，因此本文重点对罐底的保冷设计进行若干探讨。

3 罐底保冷材料选择

泡沫玻璃砖为玻璃发泡无机材料制品，是目前行业内性能最为稳定的保冷材料，在LNG 行业中常用于LNG 储罐罐底保冷、LNG 管道及容器保冷。

3.1 罐底保冷结构及材料

目前用在LNG 储罐保冷的泡沫玻璃砖主要有3 种型号，包括Grade 24(即2400 型)、Grade 16(即1600 型)和Grade 8(即800 型)(Grade 是美标ASTM定义型式，后面的数字为抗压强度平均值，如Grade 24 表示抗压强度平均值为不小于2.4 MPa)，其典型结构见图2。

图2 预应力混凝土外罐全容罐罐底绝热系统典型结构示意

图2 中，Grade 8 用在罐底中心区域以及热角保护系统(TCP)墙体背部中。Grade 24 或Grade 16一般用于储罐底部边缘，用于承受较大的内罐壁板重量荷载。对于地震力较小区域一般Grade 16 就能能够满足强度要求，对于地震力较大地区一般边缘选用承压强度较大的Grade 24 泡沫玻璃砖。上海某20万m3大型LNG 储罐底部边缘保冷材料由于承压强度要求较高，选用Grade 24 泡沫玻璃砖。

国内LNG 项目罐底绝热泡沫玻璃一般为3～4层，之间错缝要求至少100 mm，避免存在贯穿缝隙，每层泡沫玻璃之间均要求一层沥青毡防潮层。沥青毡用在罐底泡沫玻璃砖保冷层之间用作防潮层和缓冲层，沥青毡上下层泡沫玻璃砖由于低温运行温度不同，低温收缩量也不同，沥青毡用来缓冲上下两层泡沫玻璃砖低温收缩量不同带来的摩擦滑动。沥青毡同时可以使每一层的泡沫玻璃砖层都能达到最佳抗压强度和长久使用过程中不出现裂纹。

3.2 材料性能要求

泡沫玻璃砖的密度、抗压强度、导热率要求见表1、表2，其中密度为名义批量平均密度，其公差为±15%。

其它性能要求：尺寸为457 mm×610 mm 或450 mm×600 mm(长×宽)或买方认可的其他尺寸的泡沫玻璃隔热块；长度、宽度和厚度公差的批量平均值应分别不超过规定尺寸2.0 mm、2.0 mm 和1.0 mm；外观方面：盘纹、未被加工的表面或过烧表面面积不超过96.5 cm²(15 inch²)和深度不超过1.6 mm(0.063 inch)，面积和深度两个指标分别执行，任一指标超限则视为泡沫玻璃砖外观不合格。

表1 泡沫玻璃砖密度和抗压强度要求

表2 泡沫玻璃砖导热系数要求

4 储罐热工计算

一般来说，储罐罐底保冷系统根据结构和热工要求进行设计。此外，还应考虑安装方法、试运行及停运(置换、气体排除)因素的要求。

罐底热工设计中，除绝热系统的热阻之外，还应考虑储罐其它部件的热阻，如建造构件(混凝土)或储罐内部的蒸发气空间，应尽可能计算各构件在罐中各自位置和相应的温度范围内的热阻。

罐底保冷结构、热工设计应考虑以下几方面：

(1)基础底板的平整度，如内衬钢板可能会发生扭曲变形；

(2)各保冷层的平整度；

(3)使用辅助材料来提高承载以及荷载传递能力，如在保冷材料层间设置夹层；

(4)防水层和隔气层；

(5)如果有规定，应考虑置换装置。

罐底按照保冷布置不同，分为中心区域、边缘A 区域、边缘B 区域，如图3 所示。

图3 罐底保冷热工计算漏热区域划分

罐底某小时的漏热量计算公式如下：

式中：

Q底——罐底小时漏热量，W；

Qb——罐底中心区域小时漏热量，W；

QbA——罐底A 区域漏热量，W；

QbB——罐底B 区域漏热量，W；

Ab——罐底中心区域的传热面积，m2；

AbA——罐底A 区域的传热面积，m2；

AbB——罐底B 区域的传热面积，m2。

5 复核验算

对于高架空承台基础，罐底保冷层的厚度应根据规定的总的最大热渗入量和尽可能少冷凝/结冰的要求来确定，需要热工校核环境湿度下储罐底部、热角保护系统不出现结霜、结露现象。

对于坐地式LNG 储罐，如上海某20 万m3大型LNG 储罐，由于底部配备加热系统，一般只需考虑边缘热角保护系统在各类季节湿度环境中不出现结霜结露现象，但应结合罐壁和罐顶的保冷联合设计以保证储罐蒸发率满足建设单位合同要求。

为了验算环境最大月平均湿度下，底部不出现结霜或结露现象，选取的露点温度Td应根据夏季空气调节室外计算干球温度和最热月月平均相对湿度￠的数值并查现行中国国家标准GB 50264—2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》中相关数据表。绝热厚度计算的绝热层外表面温Ta应为露点温度Td加0.3 ℃，验算最新保冷厚度公式如下：

式中：[Q]——罐底蒸发率计算时的热流量，W；αs——综合换热系数。

也可以采用有限元计算软件进行复核，如上海某LNG 项目中的坐地式基础储罐，只需要校核热角保护是否存在结露现象。该项目月平均最高温度31.2 ℃，对应空气湿度平均最大为85%，空气露点温度为27 ℃，通过有限元建模计算，结果表明局部外侧温度约为27.4 ℃，不会出现结露结霜现象。

6 结语

本文以上海某20 万m3大型LNG 储罐为例，介绍了其罐底保冷结构，简单探讨了热工设计流程、校核计算方法，对其材料选择原则给出了参考意见。

该项目罐底保冷在设计参数下，热工校核显示其满足要求。该方法对国内类似LNG 储罐项目设计具有一定的借鉴意义。