张蓬菲 王康 刘志乾 张洲
摘 要：为了探究LNG储罐的最佳经济效益，从罐底、罐壁和罐顶三个方面对储罐的保冷系统进行优化，分析每种保冷材料对储罐漏热量的影响。以国内某20万m3的LNG储罐为基础，计算不同保冷方案下节约的成本，为LNG储罐的保冷设计优化提供了依据。
关键词：保冷；
LNG；
漏热量；
储罐
中图分类号：TE821 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2023）09-0066-03
DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.019
0 引言
作为21世纪最清洁高效的能源，天然气被愈发广泛地应用在各个工业领域。天然气密度小、体积大，运输存储成本很高，所以国际间天然气的运输很多都是先将天然气液化，再采用液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）船运输的方式。运输到码头的液化天然气储存在LNG储罐中，然后往外输送，以满足生活和工业需求[1]。
LNG在储罐中的温度在-160 ℃左右，储运过程中，外界热量传入罐内，会引起LNG蒸发，造成一定的经济损失，如果漏热严重，还会带来安全隐患。可见，绝热保冷是LNG储罐的重要特性，而最大日蒸发率则是衡量其效果的重要指标。
1 储罐的保冷系统
储罐保冷分为罐底保冷、罐壁保冷以及罐顶保冷三部分，不同部分的保冷措施各不相同。影响储罐保冷性能的因素主要有保冷材料的导热率、保冷层厚度、环境温度等等[2]。下面针对不同的保冷部分分别进行分析。
1.1 罐底保冷
罐底保冷系统由罐底中心区域保冷、罐底环梁区域保冷和罐底边缘保冷三部分组成[3]。罐底保冷系统除了要起到保冷作用之外，还要对整个储罐起支撑作用，所以要求罐底保冷材料有一定的承压能力。泡沫玻璃砖是目前最常用的罐底保冷材料，根据铺设位置的不同，要选用不同抗压强度的玻璃砖，位于边缘区域的采用高强度玻璃砖，中心区域采用普通玻璃砖。
1.2 罐壁保冷
储罐罐壁的保冷材料通常为膨胀珍珠岩和弹性毡，由于内外罐受到温度变化会产生收缩或膨胀，填充的珍珠岩会发生沉降，弹性毡可以缓解膨胀珍珠岩的沉降，还可以缓冲珍珠岩对储罐的压力[4]。
1.3 罐顶保冷
罐顶保冷材料为玻璃棉，玻璃棉覆盖在内罐顶部，将内罐与罐顶的空间隔离开，能有效减少热对流，对储罐进行隔热[5]。
2 储罐漏热量计算
2.1 罐底漏热量计算
罐底的漏热速率计算公式如下[6]：
式中：Qbottom为罐底总漏热速率（W）；
Qb-center为罐底中心区域的漏热速率（W）；
Qb-edge为罐底边缘区域的漏熱速率（W）；
Ab-center为罐底中心区域的换热面积（m2）；
Ab-edge为罐底边缘区域的换热面积（m2）；
Ta为罐底温度（℃），取极端最高气温；
TLNG为LNG的温度（℃）；
λ为保冷层保冷材料的导热系数[W/（m·k）]；
δ为保冷层保冷材料的厚度（m）。
2.2 罐壁漏热量计算
罐壁上部的漏热速率计算公式如下：
式中：Qgb为罐壁上部的漏热速率（W）；
AsA为罐壁上部的换热面积（m2）；
Ts为罐壁上部的外表面温度（℃）；
TLNG为LNG的温度（℃）；
λ为保冷层保冷材料的导热系数[W/（m·k）]；
δ为保冷层保冷材料的厚度（m）。
罐壁下部的漏热速率计算公式如下：
式中：QTCP为罐壁下部的漏热速率（W）；
AsB为罐壁下部的换热面积（m2）；
TTCP为罐壁下部的外表面温度（℃）；
TLNG为LNG的温度（℃）；
λ为保冷层保冷材料的导热系数[W/（m·k）]；
δ为保冷层保冷材料的厚度（m）。
2.3 罐顶漏热量计算
罐顶的漏热速率计算公式如下：
式中：Qgd为罐顶总漏热速率（W）；
Qa为穹顶漏热速率（W）；
Qb为罐顶拉杆、人孔、吊顶泄放孔的漏热速率（W）；
Ar为穹顶的换热面积（m2）；
Ab为拉杆、人孔、吊顶泄放孔的传热面积（m2）；
Ta为罐顶温度（℃）；
TLNG为LNG的温度（℃）；
λ为保冷层保冷材料的导热系数[W/（m·k）]；
δ为保冷层保冷材料的厚度（m）。
3 计算结果
根据LNG储罐各部分漏热量计算方法，以国内某20万m3的储罐为例，代入当地环境参数、储存介质参数以及储罐结构参数，计算LNG储罐各部分漏热量的占比，探究对于LNG储罐来说哪一部分的漏热量占比最大。
图1所示为计算结果，可知整个储罐的漏热量集中在罐底和罐壁上，罐顶的漏热量相对较少。图2为20万m3储罐单位面积的漏热量占比，可分析得知，储罐整体上罐壁的漏热量之所以能占据40%，是因为罐壁的漏热面积较大，从单位面积漏热量来看，主要漏热还是发生在罐底部分。
4 经济性分析
同样以某项目20万m3的储罐为例，针对不同的保冷措施对储罐的保冷结构进行优化，降低天然气的蒸发率。
4.1 罐顶保冷优化
针对罐顶保冷方案进行优化，已知罐顶保冷主要依赖于玻璃棉对热量的隔绝，因此增加玻璃棉的厚度，分析不同厚度的玻璃棉对整个储罐保冷系统的影响。
对20万m3储罐罐顶玻璃棉分别加厚0.1 m、0.2 m，然后计算整个储罐的漏热量以及相关成本。
由图3中数据可知，玻璃棉增厚0.1 m后，单个储罐每天将减少漏热量199 MJ，换算成质量为每个储罐每天将节省0.389 t天然气，按天然气3 000元/t的价格换算，每个储罐每年将节省成本42.6万元，按照储罐的设计寿命50年计算，将节省2 130万元。此外，增厚0.1 m玻璃棉将增加成本8.28万元。玻璃棉增厚0.2 m后，单个储罐每天将减少漏热量368 MJ，换算成质量为每个储罐每天将节省0.722 t天然气，每个储罐每年将节省成本79万元，按50年计将节省3 950万元；
另一方面，增厚0.2 m玻璃棉将增加成本16.56万元。
4.2 罐底保冷优化
针对罐底保冷方案进行优化，已知罐底保冷主要依赖于玻璃砖对热量的隔绝，因此增加玻璃砖的厚度，分析不同厚度的玻璃砖对整个储罐保冷系统的影响。
对20万m3储罐罐底玻璃砖分别加厚25、50、75、100 mm，然后计算整个储罐的漏热量以及相关成本。
由图4数据可知，玻璃砖增厚25 mm后，每个储罐每天将减少漏热量375.8 MJ，换算成质量为每个储罐每天将节省0.74 t天然气，每个储罐一年将节省成本81.18万元，50年将节省4 059万元，增厚25 mm后玻璃砖将增加成本30.9万元；
玻璃砖增厚50 mm后，每个储罐每天将减少漏热量803.4 MJ，换算成质量为每个储罐每天将节省1.58 t天然气，每个储罐一年将节省成本173.5万元，50年将节省8 675万元，增厚50 mm玻璃棉将增加成本61.85万元；
玻璃砖的厚度增75 mm，每个储罐每天将减少漏热量1 158.5 MJ，换算成质量为每个储罐每日将节省2.28 t天然气，一年每个储罐将节省成本250.2万元，50年将节省12 510万元，增厚75 mm玻璃棉将增加成本92.78万元；
玻璃砖增厚100 mm后，每个储罐每天将减少漏热量1 489.6 MJ，换算成质量为每个储罐每天将节省2.94 t天然气，每个储罐一年将节省成本321.7万元，50年将节省16 085万元，增厚100 mm玻璃砖将增加成本123.7万元。
4.3 罐壁保冷优化
针对罐壁保冷方案进行优化，已知罐壁保冷主要依赖于弹性毡对热量的隔绝，因此增加弹性毡的厚度，分析不同厚度的弹性毡对整个储罐保冷系统的影响。
对20万m3的储罐罐底弹性毡分别增厚20 mm和50 mm，计算整个储罐的漏热量以及相关成本。
由图5数据可知，弹性毡增厚20 mm后，单个储罐一天将减少漏热量29.2 MJ，换算成质量为单个储罐每日将节省0.05 t天然气，一年四个储罐將节省成本5.46万元，50年将节省273万元，增厚20 mm弹性毡将增加成本102.2万元；
弹性毡厚度增加50 mm，单个储罐一天将减少漏热量66.9 MJ，换算成质量为单个储罐每日将节省0.12 t天然气，一年每个储罐将节省成本13.58万元，50年将节省679万元，增厚50 mm弹性毡将增加成本255.5万元。
根据计算结果，分析投入成本回报率，分析结果如图6所示。
分析图6数据可知每多投入1元成本，不同保冷方案下的成本回报率。从数据可以看出，并不是保冷材料越厚，成本回报率越高。例如，在罐顶保冷中，玻璃棉增厚10 mm比增厚20 mm成本回报率更高；
在罐底保冷中，玻璃砖增厚50 mm的方案效益最高；
在罐壁保冷中，0.32 m弹性毡比0.35 m弹性毡的成本回报率更好。
5 结论
本文通过对LNG储罐漏热量的计算，得出储罐各部分漏热量的占比，并针对不同的保冷措施分别对储罐保冷进行优化，得到的一系列数据表明，并不是保冷材料用料越多储罐带来的经济效益越高，而是要结合投入成本综合对比，根据储罐实际设计方案进行计算，才能更好地提高储罐带来的经济效益。
[参考文献]
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[2] 邢志祥，陈浩鹏，杨亚苹，等.大型LNG储罐罐壁漏热与保冷层的优化研究[J].消防科学与技术，2019，38（10）：1374-1377.
[3] 杨丝桑，相华.LNG全容储罐保冷系统及其性能探究[J].天然气与石油，2016，34（4）：65-69.
[4] 扬帆，张超，陈锐莹，等.LNG转运站储罐日蒸发率设计探究[J].天然气化工（C1化学与化工），2020，45（5）：103-105.
[5] 杜利顺，曹岩，许学斌，等.大型低温储罐漏热分析及计算方法[J].化工设计，2021，31（2）：6-9.
[6] 彭明，丁乙.全容式LNG储罐绝热性能及保冷系统研究[J].天然气工业，2012，32（3）：94-97.
收稿日期：2023-02-08
作者简介：张蓬菲（1993—），女，天津人，机械工程师，从事LNG接收站及储罐的低温设备相关领域工作。
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