大型LNG储罐罐顶管嘴保冷设计

明红芳（中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028）

1 概述

随着绿色低排放需求不断上升，液化天然气（LNG）已成为我国能源发展战略中的重要支柱。在LNG接收站中，LNG以超低温（-165℃）液态常压的形式储存于LNG 储罐中。为减少LNG 气化量，储罐的保冷措施至关重要[1]。LNG 储罐保冷主要包括吊顶保冷、罐壁保冷、罐底保冷、热角保护保冷以及管嘴保冷。本文将对LNG储罐罐顶管嘴保冷绝热设计进行探讨。

2 管嘴结构介绍

在LNG 储罐中，罐顶管嘴是连接储罐与外部工艺管道、仪表阀门等的重要途径。由于LNG储罐主要承受液体的静压力，储罐罐壁受力由下往上逐渐减小。为避免发生储罐泄漏等事故，所有管嘴都布置在储罐罐顶。对于应用于冷液体（LNG）或冷蒸发气（BOG）的储罐罐顶上的管嘴，为确保正常的工艺操作条件，避免对人员/管道的损伤，管嘴的保冷性能至关重要。以进料管线为例，管嘴结构如下图所示，需要设置穹顶套筒保冷、吊顶套筒保冷以及管道保冷。

图1 管嘴保冷结构图

3 套筒位置保冷计算

由于低温LNG/BOG 在冷管内流动，温度较低，为减少冷量损失，在管嘴穿过储罐穹顶的位置设置保冷套筒，内部填充保冷材料。为防止保冷层及套筒表面出现冷凝，必须要保证在环境温度下，保冷层与套筒表面的温度高于空气露点温度。

3.1 保冷材料选取

LNG储罐的保冷材料应同时具备良好的抗吸水吸湿性、良好的抗水蒸气渗透性、较小的低温热膨胀系数以及良好的阻燃性[2]。LNG 项目建设中，一般选取玻璃棉或者弹性毡作为穹顶隔热套筒位置保冷材料。实际施工时，玻璃棉/弹性毡切割成适应管嘴管道与套筒厚度的圆环形状，将其压缩厚度至原有厚度的50%进行填充。

3.2 保冷厚度计算

在忽略管道金属的热阻的情况下，依据国标GB/T 8175-2008《设备及管道绝热设计导则》进行低温管道的保冷计算。根据标准中第6.1.2条中的要求，管嘴保冷表面须防止凝露，采用表面温度法计算保冷层厚度。根据标准中第6.1.5 条中的要求，在同一管道或设备上采用一种保冷材料保冷时，按单层绝热计算公式计算[3]。

对于圆筒面保冷层的冷量损失，按照标准中方程(28)计算，如下：

对于圆筒面保冷层外表面温度，按照标准中方程(36)计算，如下：

以国内南方某LNG 接收站项目设计基础为例，设计依据如下：

表1 保冷绝热计算设计依据

备注：

1.根据标准6.6.2章节。

2.由于管道尺寸、保温层材质、平均温度、使用时间、使用方法等诸多因素，管道保冷材料可能与其材料参数产生偏差。因此，实际运行中保温材料的导热系数，考虑设置多出10%的设计余量。

3.选取某厂家弹性毡在-165℃时的导热系数。

根据保冷层表面温度计算方法，利用不同的保冷层厚度S1，得出相应的Δt，Δt＞1 则验证通过，由此来判断保冷层厚度的设计取值。

3.3 保冷厚度计算校核

采用最大冷量损失法，校核保冷层表面温度法计算结果是否满足冷量损失基准。

单位保冷层表面冷量损失：

Q=qL/(π·D1)

根据CINI绝热设计手册中保冷要求，绝热系统外表面的冷量损失应小于25 W/m2。同时参考GB 50264中5.4.2章节[4]：

当Ta-Td≤4.5时，[ Q ]= ( Ta-Td)αs

当Ta-Td>4.5时，[Q ]=4.5αs

该项目Ta-Td≤4.5，取[ Q ]= ( Ta-Td)αs，得28.49 W/m2。取25 W/m2与28.49 W/m2中较小值最为基准，即25 W/m2，利用冷量损失进行校核。

3.4 保冷厚度计算结果

保冷层表面温度和冷量损失计算结果如下，假设取相同的保温厚度，同时满足两种计算校核，则计算满足要求。

表2 保冷厚度计算结果

上表中保冷厚度为常规应用管嘴外径允许的最小值，实际设计中可根据项目需要保留一定余量。根据保冷材料的厚度，选取保冷套筒的内径，从而确定保冷套筒的尺寸参数。

4 套筒以下位置绝热计算

由于储罐吊顶以上位置铺设保温玻璃棉，因此，穹顶以下吊顶以上空间温度接近穹顶外部环境温度。但考虑吊顶套筒开孔的冷量，以及管道内LNG介质的超低温，穹顶以下、吊顶以上管道也须进行保冷。根据工程经验，在贴近吊顶套筒的位置设置保冷支撑环，其内径尺寸与穹顶套筒一致，高度为150，保证冷支撑环内部至穹顶套筒之间保冷层厚度与第3章节计算结果相同。

图2 保冷支撑环位置保冷详图

5 穹顶套筒以上位置绝热计算

穹顶套筒以上位置的保冷，与穹顶套筒部分计算方法一致。不同的是管道保温材料多为聚氨酯泡沫（PIR/PUR）、泡沫玻璃（FG）以及丁腈橡胶和二烯烃泡沫（LT+LTD）[5]等，外部敷设防潮层以及金属保护层等。

6 结语

为保证LNG储罐运行期间的正常工艺操作条件，罐顶管嘴保冷设计是相当重要的一个环节。根据冷管不同结构位置，分别给出了穹顶套筒位置、套筒以下位置以及穹顶套筒以上位置的保冷计算方法，并对国内某LNG项目储罐的管嘴设计参数选取进行了分析。下一步设计中，应综合考虑新型材料等影响因素，做到保冷设计优化、施工便利、成本降低。