LNG储罐绝热系统设计及经济性分析

时间：2023-07-24 03:52:15

关键字： LNG 漏热量储罐

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[导读]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。

引言

作为2l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(LiquefiedNaturalGas,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。

LNG在储罐中的温度在-l60℃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。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。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。

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。

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:

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热速率(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(℃):入为保冷层保冷材料的导热系数[w/(m·k)]:6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(℃):入为保冷层保冷材料的导热系数[w/(m·k)]:6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(℃):入为保冷层保冷材料的导热系数[w/(m·k)]:6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(℃):入为保冷层保冷材料的导热系数[w/(m·k)]:6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。

图1储罐漏热量占比

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。

图2储罐单位面积漏热量占比

对20万m3储罐罐顶玻璃棉分别加厚0.1m、0.2m,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0.1m后,单个储罐每天将减少漏热量199MJ,换算成质量为每个储罐每天将节省0.389t天然气,按天然气3000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2130万元。此外,增厚0.1m玻璃棉将增加成本8.28万元。玻璃棉增厚0.2m后,单个储罐每天将减少漏热量368MJ,换算成质量为每个储罐每天将节省0.722t天然气,每个储罐每年将节省成本79万元,按50年计将节省3950万元:另一方面,增厚0.2m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、100mm,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25mm后,每个储罐每天将减少漏热量375.8MJ,换算成质量为每个储罐每天将节省0.74t天然气,每个储罐一年将节省成本81.18万元,50年将节省4059万元,增厚25mm后玻璃砖将增加成本30.9万元:玻璃砖增厚50mm后,每个储罐每天将减少漏热量803.4MJ,换算成质量为每个储罐每天将节省1.58t天然气,每个储罐一年将节省成本173.5万元,50年将节省8675万元,增厚50mm玻璃棉将增加成本61.85万元:玻璃砖的厚度增75mm,每个储罐每天将减少漏热量1158.5MJ,换算成质量为每个储罐每日将节省2.28t天然气,一年每个储罐将节省成本250.2万元,50年将节省12510万元,增厚75mm玻璃棉将增加成本92.78万元:玻璃砖增厚100mm后,每个储罐每天将减少漏热量1489.6MJ,换算成质量为每个储罐每天将节省2.94t天然气,每个储罐一年将节省成本321.7万元,50年将节省16085万元,增厚100mm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20mm和50mm,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20mm后,单个储罐一天将减少漏热量29.2MJ,换算成质量为单个储罐每日将节省0.05t天然气,一年四个储罐将节省成本5.46万元,50年将节省273万元,增厚20mm弹性毡将增加成本102.2万元:弹性毡厚度增加50mm,单个储罐一天将减少漏热量66.9MJ,换算成质量为单个储罐每日将节省0.12t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50mm弹性毡将增加成本255.5万元。