LNG接收站储罐温度场及其参数优化研究

佟姝茜

摘要：在目前能源综合利用发展的背景下，LNG接收站的应用覆盖面积逐渐扩大。文章通过对LNG接收站进行分析，研究了LNG储罐散热情况，并对相关的参数进行优化，为相关行业人员提供参考。

关键词：液化天然气储罐;保冷层厚度;参数优化

1LNG接收站

LNG接收站是清洁能源的提供者，但同时也要消耗部分能源，主要是电能和少量的燃料。LNG接收站在设计、采购、施工和操作等方面都应充分体现节能理念，采用节能技术和节能设备。针对目前LNG接收站的设备、工艺、管理进行更深一步的分析，提高设备的效率，降低单位外输量的耗电量，使运行成本控制达到或接近国际先进水平。

2LNG储罐散热分析

2.1LNG储罐的结构与相关参数

本文研究对象是罐容积约为8×104m3的LNG全容式双壁金属罐，储罐内直径约为58m、外直径约为60.0m、外罐高约36.5m、内罐高约34.3m。内壁与外壁之间采用堆积绝热的方式，外界环境温度为296K，LNG的密度为436.3kg/m3，LNG的汽化潜热为510kJ/kg，8×104m3LNG储罐结构示意图见图1，储罐绝热材料参数见表1。

2.2漏热理论分析

2.2.1罐顶漏热量计算

罐顶的漏热主要是由3部分组成，穹顶外壁向内壁的热传导Q11，由内罐穹顶向吊顶上表面的热辐射Q12，吊顶上表面向内罐顶的热传导Q13;为穹顶下表面的发射率，为吊顶上表面的发射率;A1为穹顶下表面的面积，A2为吊顶上表面的面积;X1，2为吊顶上表面对穹顶下表面的角系数;Tw为外界环境温度，T1为穹顶下表面温度，T2为吊顶上表面温度，Tn为储罐内部LNG液体温度;为黑体辐射常数，=5.67×10-8W/（m2·K4）;为穹顶低碳钢的导热系数，为玻璃纤维的导热系数，为铝箔的导热系数;为穹顶的厚度，为吊顶玻璃纤维层的厚度，为铝箔的厚度。

穹顶热阻R1，1和外界环境向穹顶的热传导Q11分别为：

穹顶向吊顶上表面进行热辐射的热阻R1，2和穹顶向吊顶上表面的热辐射Q12分别为：

吊顶热阻R1，3和通过吊顶的热传导Q13为：

根据传热学原理，Q11=Q12=Q13：

2.2.2罐壁漏热量计算

外界热量透过储罐罐壁传入罐内的传热过程可以看作多层圆筒壁的稳态导热。储罐内罐的半径为r1，到9%Ni钢板的半径为r2，到弹性毡的半径为r3，到珍珠岩的半径为r4，到外罐壁钢板的半径为r5;为9%Ni钢板的导热系数，为弹性毡的导热系数，为珍珠岩的导热系数，为16MnDR钢板的导热系数。

罐壁材料的导热热阻R2为：

外界环境通过储罐罐壁向内罐传递的热量Q2为：

3参数优化

3.1设计参数下漏热量

根据理论计算和数值模拟的计算结果，储罐罐底的漏热量约占储罐总体漏热量的40.7%，而储罐罐底的漏热量与罐底的保冷层的厚度具有显著的关系。为减少储罐整体的漏热量，研究罐底的保冷层参数具有显著的意义。

罐内储存的介质为111K的液化天然气，在正常情况下，罐内的液体处于静止状态，根据传热学的公式可知，内罐底部与天然气的对流换热系数hn=103.25W/（m2·K），外罐底与外界空气的对流换热系数hd=22.10W/（m2·K）。

根据设计条件，LNG储罐底部单位面积的漏热量Q：

得出Q=16.98W，与数值模拟的结果相近。

3.2储罐罐底最大允许漏热量

由本地气象局提供的信息可知，某地LNG接收站的夏季温度最高为308K，相对湿度η=80%，则露点温度Td=304K，外界环境温度Tw=296K，那么Tw-Td=-8.0K<-4.5K，LNG储罐的单位面积最大允许漏热量Qmax：

得出Qmax=176.8W。当储罐在设计条件下，即罐底的保冷层的厚度为520mm时，罐底单位面积的漏热量为16.98W，计算可得，罐底单位面积的漏热占单位面积最大允许漏热量的9.6%。

3.3LNG儲罐底部参数优化

使用有限元方法进行传热分析，由传热学公式可知，由于罐底漏热量与泡沫玻璃砖的厚度呈连续函数关系，假设泡沫玻璃砖的厚度为θ，分析θ=0、100、200、300、400、500（单位mm），这几种工况下罐底的热流密度，进而求出相对应罐底的漏热量。泡沫玻璃砖厚度与热流密度和漏热量的关系见表2。

根据表2做出罐底漏热量与泡沫玻璃砖厚度的关系曲线如图2所示，可得出以下结论。

1）当罐底不加保冷层时，即θ=0，罐底的漏热量占最大允许漏热量的367.8%;当θ=100mm，罐底的漏热量占最大允许漏热量的45%，说明加入保冷层能有效地阻止储罐的漏热。

2）当罐底保冷层厚度为设计值θ=520mm时，罐底的漏热量占最大允许漏热量的9.6%，罐底的漏热量占储罐整体漏热量的41%，说明此厚度下罐底的保冷效果已经非常显著。

3）当继续增大保冷层厚度，θ=1200mm时，罐底的漏热量占最大允许漏热量的4.2%，罐底的漏热量占储罐整体漏热量的23%，保冷层增加700mm，漏热量比例减少5.8%，说明在此区间范围内增加保冷层厚度具有一定的效果。

4）继续增加保冷层厚度，当θ=1600mm时，罐底的漏热量占最大允许漏热量的3.18%，保冷层增加400mm，漏热量仅减少1%，说明继续增加保冷层厚度对储罐保冷性的优化意义不大。

结语：总之，在分析LNG储罐罐体温度场的计算结果后发现，保温层之间的温度相差较大，由此可见，通过保冷层能够对储罐的漏热进行有效的阻止，对保温的性能进行提升。

参考文献：

[1]李红霞，姜春霞.LNG接收站建造过程中的造价管理[J].化工管理，2021（28）：9-10.DOI：10.19900/j.cnki.ISSN1008-4800.2021.28.005.

[2]庄天天.基于三维模型的LNG接收站完整性管理平台分析[J].科技经济导刊，2021，29（24）：81-82.

[3]吴家健.CFD分析在LNG接收站仪表控制设计中的应用[J].中国高新科技，2021（16）：94-95.DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2021.16.39.

[4]姜良，张文国，李志权，邵晨，范吉全.整体齿轮式压缩机在LNG接收站中的适用性分析[J].天然气与石油，2021，39（01）：42-48.

[5]付海泉，仇山珊.LNG接收站BOG处理工艺综合对比分析[J].油气田地面工程，2021，40（02）：32-37.