張 月，王為民，李明鑫，郝 晶，曹彥青

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

1 前言

1.1 液化天然氣的優(yōu)點

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，簡稱 LNG)作為目前世界公認(rèn)的最潔凈，最環(huán)保的能源在煤、石油等重要能源行列中有著不可小覷的位置。它的主要成分是甲烷，無色，無味，無毒，而且還沒有腐蝕性。同時體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600。

天然氣液化主要是便于其儲存與運(yùn)輸，且節(jié)約成本。天然氣在低溫液化過程中已經(jīng)脫除了硫等有害雜質(zhì)，因此在燃燒過程中基本不排放二氧化硫和硫化氫等影響呼吸系統(tǒng)健康的氣體及可吸入的懸浮微粒，其它有害氣體的排放量也比石油和煤少很多。液化天然氣的重量更是僅僅為同體積水的45%左右,其臨界溫度為 190.58 K，LNG儲存在溫度為 112 K(-161 ℃、壓力為0.1 MPa左右的低溫儲罐內(nèi),其密度為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷的600多倍,體積能量密度為汽油的72%。燃燒時對空氣污染程度小，且釋放出的熱量大。所以說液化天然氣是不可或缺的好能源。

1.2 大型液化天然氣儲罐簡介

液化天然氣的儲存是液化天然氣工業(yè)鏈中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，而液化天然氣儲罐是儲存和運(yùn)輸LNG的一種重要的設(shè)備。隨著各國LNG項目的逐

漸興起,大型液化天然氣儲罐也得到了廣泛的應(yīng)用。世界上許多國家對大型常壓 LNG儲罐的設(shè)計與建造都非常重視。液化天然氣儲罐作為存儲、運(yùn)輸液化天然氣的裝置,屬于低溫壓力容器。LNG儲罐的設(shè)計溫度一般為-165 ℃左右，由于設(shè)計時需考慮到用氮氣冷凝時可能出現(xiàn)的溫度，所以設(shè)計溫度范圍在-165 ℃與-196 ℃之間。大型LNG儲罐的屬于低溫常壓下的設(shè)計，一般為 10～20 萬m3。大型儲罐具有節(jié)省鋼材、投資小、占地少和方便管理和操作等優(yōu)點。

2 大型液化天然氣儲罐的分類

2.1 按罐的安裝位置分類

（1） 地上型：地上型又分為落地式和高架式。

（2） 地下型：地下型又分為半地下型、地下型和地下坑型。

2.2 按罐的形狀分類

（1） 球形罐：一般用于中容量和小容量的儲罐，很少用于大型液化天然氣儲罐。

（2） 圓柱形罐：各種容量儲罐均可適用。

2.3 按罐的材料分類

（1） 雙金屬型：內(nèi)罐和外殼均采用金屬材料。內(nèi)罐一般采用耐低溫的不銹鋼或鋁合金外殼采用黑色金屬。

（2） 預(yù)應(yīng)力混凝土型：一般大型儲罐采用預(yù)應(yīng)力混凝土外殼，而內(nèi)筒采用低溫的金屬材料。

（3） 薄膜型：指內(nèi)筒采用厚度為0.8～1.2mm的 36Ni 鋼（又稱殷鋼）。

2.4 按罐的容量分類

（1） 小型儲罐容量5～50 m3：常用于民用燃?xì)鈿饣荆夯烊粴馄嚰幼⒄镜葓龊稀?/p>

（2） 中型儲罐容量50～100 m3：常用于衛(wèi)星式液化裝置，工業(yè)燃?xì)鈿饣镜葓龊稀?/p>

（3） 大型儲罐容量 100～40 000 m3：常用于LNG生產(chǎn)裝置和調(diào)峰型液化裝置等場合。

（4） 特大型儲罐容量40 000～200 000 m3：常用于液化天然氣進(jìn)出口碼頭[1]。

2.5 按絕熱結(jié)構(gòu)分類

（1） 真空粉末絕熱型：常用于小型LNG儲罐。

（2） 正壓堆積絕熱型：廣泛用于大中型儲罐及儲槽。

（3） 高真空多層絕熱型：一般很少采用，限用于小型LNG儲罐。

2.6 按罐的結(jié)構(gòu)分類

（1） 單容式型：如圖1所示，它的特點為在金屬罐外側(cè)有一個比罐高低很多的，容積與罐容積相等的混凝土圍堰,主要是為了防止內(nèi)容器發(fā)生事故時液化天然氣外溢擴(kuò)散。此類儲罐的安全性能較差，同時造價很低，占地面積很大，在接收站儲罐設(shè)計中很少應(yīng)用。

（2）雙容式型：如圖2所示，它的特點是在它的金屬罐外，設(shè)有 內(nèi)一個儲罐筒體高度相近，并與容器分開的圓柱形混凝土圍護(hù)墻，設(shè)有它的目的是加強(qiáng)防止LNG的泄露。即便泄露，也不至于大面積泄露，只有少量LNG向上空擴(kuò)散蒸發(fā)，它的安全性能較單容式儲罐要好。

（3） 全容式型：如圖3所示，它的特點是內(nèi)外罐筒均由 9%鎳鋼經(jīng)特殊加工和設(shè)計而制成，外罐設(shè)計為全封閉式，并加有混凝土材料。所以，LNG及其蒸發(fā)氣被雙重保護(hù)，不易外漏，少量泄漏的LNG也只能在混凝土外罐內(nèi)，不至于外泄。并能抵抗外來荷載，子彈穿擊和熱輻射等[2]。

因為這三種容器各有利弊，所以如何選用這三種容器，應(yīng)綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全性能、主要應(yīng)該從安全方面、經(jīng)濟(jì)方面、地理位置、占地面積、以及周邊環(huán)境等因素考慮。

圖1 單容式儲罐Fig.1 Single capacitance tank

圖2 雙容式儲罐Fig.2 Double capacitance tank

圖3 全容式儲罐Fig.3 The capacitance tank

3 大型液化天然氣儲罐國內(nèi)外現(xiàn)狀

3.1 國外大型LNG儲罐的設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀

液化天然氣儲罐的設(shè)計與建造主要依靠外國技術(shù)，像美國，英國，日本等工業(yè)發(fā)的國家都先后制成LNG儲罐，由于對天然氣的需求量越來越大，尤其亞洲很多國家更是大量使用天然氣。所以，LNG儲罐的設(shè)計與建造得到了世界各國相關(guān)領(lǐng)域的重視與關(guān)注。1940年，俄亥俄天然氣公司在克利夫蘭建了處理量為1.13×l05 m3/d天然氣工廠，制成3臺直徑為17.37 m的LNG球形儲罐。1954年出現(xiàn)了第一臺用于液氧的不銹鋼雙壁絕熱平底低溫儲槽。1958年，在路易安美國芝加哥橋梁鋼鐵公司建造了第一座工業(yè)規(guī)模的LNG儲罐，容積為5 550 m3[3]。

世界上建造大型 LNG儲罐國家屬日本設(shè)計最多。目前世界上最大的地下 LNG儲罐容量已達(dá)到25萬m3。在2001年，日本《配管技術(shù)》報道，目前世界上，建有 62 處液化天然氣接受基地和液化基地，其中共有 309座 LNG 儲罐，而日本就占有168 座，其它國家地區(qū) 141 座。接收終端要求 LNG儲罐容量越來越大，20 世紀(jì) 70 年代以前，大部分儲罐都在 6 萬 m3以下；到了 90 年代后期，儲罐的存儲容量超過 10 萬 m3，而其中 44%的儲罐容量達(dá)到12 萬 m3以上，日本的根岸 LNG 接收終端和扇島 LNG 接收終端的地下儲罐屬于最大容量，其容量高達(dá) 20 萬 m3。到 1992 年為止，只有日本建造了129臺LNG儲罐[4]。

3.2 國內(nèi)大型LNG低溫儲罐設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對石油的需求量是日益增加，我國近年來要進(jìn)口1.6億t左右石油，以滿足國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的需，加快發(fā)展大型儲罐的建設(shè)，提高我國石油儲備能力成為我國戰(zhàn)略發(fā)展的方向。

我國擁有豐富的天然氣資源，是世界天然氣大國之一，但我國還沒有大規(guī)模液化天然氣系統(tǒng)工程實踐，西部地區(qū)的天然氣低成本走向東、南部沿海地區(qū)主要依靠天然氣技術(shù)發(fā)展來實現(xiàn)。從而，改善了我國不均勻的天然氣資源分布，同時東部沿海地區(qū)的能源緊缺問題也能得到相應(yīng)的改善[5]。與世界發(fā)達(dá)國家相比，我國的大型 LNG 儲罐設(shè)計技術(shù)還剛剛起步，正處于摸索階段，目前我國還沒有自主設(shè)計的大型常壓LNG儲罐，液化天然氣核心技術(shù)還未完全掌握，但隨著液化天然氣的需求量逐漸正大，LNG貯存問題也越來越為國家的重視。目前，由法國/意大利STTS集團(tuán)承建的廣東深圳兩臺16萬m3的 LNG儲罐，美國CBI公司承建的福建湄州兩臺16萬m3的LNG儲罐，由法國索菲公司承建的上海浦東容量為 10萬 m3的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土 LNG儲罐。由林德公司承建的新疆廣匯容量為3萬m3的圓筒雙層壁LNG儲罐；從20世紀(jì)80年代起，四川空分設(shè)備(集團(tuán))有限公司開始汲取國外的設(shè)計理念和先進(jìn)的建造技術(shù)。最近幾年來，獨自研發(fā)了很多大型低溫液體儲罐。同時，許多沿海省市，如浙江省等部分也在積極準(zhǔn)備研究LNG引進(jìn)有關(guān)事項，并建設(shè)了儲罐接收站。在大型低溫液體儲罐領(lǐng)域，如液氧、液氮儲罐國內(nèi)已有日益成熟的設(shè)計和建造技術(shù)[6]。

國內(nèi)近幾年已建造了不少小型 LNG 儲罐，但基本上都是以壓力罐的方式出現(xiàn)，如四川空分設(shè)備公司最早建造的用于中原油田的 600 m3子母罐。壓力罐在容量小的情況 (600 m3以下) 是可行的，但隨著容量的增大其投資成本會隨之增大，因此發(fā)展大型常壓 LNG 儲罐，尤其是 10 萬 m3以上 LNG 儲罐已經(jīng)是大勢所趨。

4 液化天然氣儲罐設(shè)計和建造時需注意的問題

4.1 LNG的材料選擇問題

LNG儲罐中儲罐材料的選擇是設(shè)計中最重要的一個技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題。由于 LNG儲罐在超低溫狀態(tài)（-162 ℃）條件下工作，再由于LNG的可燃性和超低溫性，選擇LNG儲罐材料時首要考慮材料在低溫下的力學(xué)性能，主要是要求材料有足夠的強(qiáng)度（包括疲勞強(qiáng)度）和在使用溫度范圍內(nèi)具有足夠大的韌性，以免發(fā)生脆性破壞。其次還要考慮LNG 儲罐的保冷材料應(yīng)滿足導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點。同時還要考慮良好的加工性和可焊性。此外，低溫保冷對保冷材料還有一些特殊要求，主要包括吸濕性小、水蒸汽透濕系數(shù)低、低溫線膨脹系數(shù)小和阻燃性能好等。最后也是實際問題，應(yīng)該考慮材料的價格，和采購問題，要做到，價格低廉，采購方便。

4.2 LNG出現(xiàn)密度差的問題

在半充滿的LNG儲罐內(nèi)，注入密度不同的LNG會產(chǎn)生分層，主要因為 LNG組分產(chǎn)地和溫度的差異，以及LNG由于老化而使組分發(fā)生變化的原因。當(dāng)儲罐內(nèi)發(fā)生密度差時會引起分層現(xiàn)象，上部較輕的液層可正常對流，并蒸發(fā)釋放熱量。但是，下層由于對流太弱，不能使下層較重液體到達(dá)上層，下層處于一種內(nèi)部對流狀態(tài)。上下兩層對流獨立進(jìn)行，直到兩層密度接近時發(fā)生快速混合，下層被抑制蒸發(fā)的液體將大量蒸發(fā)氣化。同時，表面蒸發(fā)率劇增，從而導(dǎo)致壓力增大，超過其安全設(shè)計壓力，這給儲罐的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅，同時，大量的天然氣排空，也造成了資源浪費。

4.3 儲罐的腐蝕問題

由于設(shè)計計算時可能只考慮到了介質(zhì)的均勻腐蝕，沒有考慮LNG內(nèi)還含有水，和其他雜質(zhì)，它們大部分堆積在儲罐底部，這樣會造成底圈壁板局部腐蝕，所以，設(shè)計時應(yīng)注意此類問題，可適當(dāng)增加底圈壁板的厚度。

其它還有很多應(yīng)注意的問題，像風(fēng)載荷和地震載荷引起的罐體向上抬升，和罐體在罐壁底圈壁板和罐底邊緣板上受力時，除了承受液體的靜壓力外，還承受著較大的邊緣應(yīng)力[7,8]。

5 結(jié)論與展望

液化天然氣儲罐大型化是必然趨勢，主要因為大型LNG儲罐占地面積小，投資較小，還可以節(jié)省所用鋼材等很多優(yōu)勢的存在。

但大型化也要適中，安全合理的設(shè)計可以更多的節(jié)省所用的人力和物力。我國相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)該加大對LNG儲罐的設(shè)計與建造技術(shù)的研究，爭取早日研制出一臺完全屬于我們自主理念和技術(shù)的液化天然氣儲罐。

［1］李兆慈. 我國LNG儲運(yùn)設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r［J］.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2005(5):55-58.

［2］駱曉玲. 大型液化天然儲罐的發(fā)展研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2009(9):255-257.

［3］王冰. 大型低溫LNG儲罐設(shè)計與建造技術(shù)的新進(jìn)展［J］.天然氣工業(yè)，2010,30（5）：108-112.

［4］呂昌海. 大型 LNG儲罐結(jié)構(gòu)與保冷性能研究［D］.青島：青島科技大學(xué)，2010.

［5］王振良. 大型 LNG低溫儲罐設(shè)計理論與方法研究［D］.西安：西安石油大學(xué)，2011.

［6］張抗. 世界液化天然氣發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J ].當(dāng)代石油石化,2006, 14(4) : 31-34.

［7］黃帆. 我國液化天然氣現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析［J］.天然氣技術(shù)，20 07（1）：68-71.

［8］ 郭揆常. LNG接受站建設(shè)［J］.上海電力，2009（6）：492-494.