上海液化天然氣有限責任公司 金 罕 王 春

中海石油氣電集團有限責任公司 揚 帆

隨著“煤改氣”的進一步推進，國內對清潔能源的需求迅猛增長，2018 年初開始，國家發(fā)改委先后出臺了加快天然氣儲備基礎設施建設、管網互聯(lián)互通等政策，十三五期間，LNG 接收站新建、擴建項目建設步入空前的快車道。為應對新形勢，儲罐大型化成為國內LNG 行業(yè)技術發(fā)展的趨勢。

目前國內已投產及在建的最大LNG 儲罐罐容為20 萬m3，本文以上海某20 萬m3大型LNG 儲罐建設為例，對該儲罐罐底保冷設計進行相應的分析和探討。

1 儲罐結構

該LNG 儲罐為全容罐結構，內罐為頂部敞開結構，材料為X7Ni9 鋼，內罐直徑為84 m，常溫下高度為40.82 m。內罐頂部吊頂材質為鋁合金板，與罐頂拱頂梁通過不銹鋼拉桿連接，見圖1。

圖1 某20 萬m3 大型LNG 儲全容罐結構示意

混凝土外罐由鋼筋混凝土承臺、后張拉式混凝土罐壁、鋼筋混凝土罐頂組成，罐底承臺與罐壁、罐壁與罐頂均采用剛性連接。外罐壁內徑86 m，承臺中心區(qū)域厚度0.8 m，邊緣厚度1.3 m。

2 儲罐保冷設計

由于LNG 的低溫特性及LNG 儲罐保冷材料性能的局限性，外界環(huán)境不可避免的會向儲罐內漏熱，從而引起罐內LNG 內能增加，溫度上升，其中的輕組分逐漸揮發(fā)出來，成為蒸發(fā)氣。氣體不斷增多，會引起儲罐內壓力升高，當壓力達到安全閥值后，就會開啟安全閥排氣。

為減少儲罐漏熱、儲罐BOG 產生，LNG 儲罐必須設置完善的保冷系統(tǒng)，內罐和外罐間的環(huán)狀空間及懸掛的內吊頂都必須用絕熱材料進行填充保冷，日蒸發(fā)率為一般為0.05 %/d(以純甲烷計，質量百分濃度)。

一般來說，儲罐保冷系統(tǒng)應根據LNG 儲罐結構和熱工要求進行設計。此外，還應考慮安裝方法、試運行及停運(置換、氣體排除)的要求。

不同類型的儲罐及儲罐不同部位(罐底、罐壁、罐頂)的保冷設計截然不同。罐底保冷設計一般為難點，一方面因為LNG 全容儲罐底部保冷材料應能承受上部LNG 產品或儲罐本體的荷載，保溫層應具有足夠的抗壓強度，另外罐底部保冷材料可能受到橫向力作用(如地震力)，保冷層應具有足夠的抗拉強度和剪切性能同時需要考慮底部保冷。另外一方面，由于罐底保冷材料導熱系數(shù)一般較大，相對于罐壁、罐頂保冷，常規(guī)情況下罐底及附近熱角保護區(qū)域附近最容易漏冷而結霜或結露，更嚴重的時候底部表面可能會出現(xiàn)結冰現(xiàn)象，因此本文重點對罐底的保冷設計進行若干探討。

3 罐底保冷材料選擇

泡沫玻璃磚為玻璃發(fā)泡無機材料制品，是目前行業(yè)內性能最為穩(wěn)定的保冷材料，在LNG 行業(yè)中常用于LNG 儲罐罐底保冷、LNG 管道及容器保冷。

3.1 罐底保冷結構及材料

目前用在LNG 儲罐保冷的泡沫玻璃磚主要有3 種型號，包括Grade 24(即2400 型)、Grade 16(即1600 型)和Grade 8(即800 型)(Grade 是美標ASTM定義型式，后面的數(shù)字為抗壓強度平均值，如Grade 24 表示抗壓強度平均值為不小于2.4 MPa)，其典型結構見圖2。

圖2 預應力混凝土外罐全容罐罐底絕熱系統(tǒng)典型結構示意

圖2 中，Grade 8 用在罐底中心區(qū)域以及熱角保護系統(tǒng)(TCP)墻體背部中。Grade 24 或Grade 16一般用于儲罐底部邊緣，用于承受較大的內罐壁板重量荷載。對于地震力較小區(qū)域一般Grade 16 就能能夠滿足強度要求，對于地震力較大地區(qū)一般邊緣選用承壓強度較大的Grade 24 泡沫玻璃磚。上海某20萬m3大型LNG 儲罐底部邊緣保冷材料由于承壓強度要求較高，選用Grade 24 泡沫玻璃磚。

國內LNG 項目罐底絕熱泡沫玻璃一般為3～4層，之間錯縫要求至少100 mm，避免存在貫穿縫隙，每層泡沫玻璃之間均要求一層瀝青氈防潮層。瀝青氈用在罐底泡沫玻璃磚保冷層之間用作防潮層和緩沖層，瀝青氈上下層泡沫玻璃磚由于低溫運行溫度不同，低溫收縮量也不同，瀝青氈用來緩沖上下兩層泡沫玻璃磚低溫收縮量不同帶來的摩擦滑動。瀝青氈同時可以使每一層的泡沫玻璃磚層都能達到最佳抗壓強度和長久使用過程中不出現(xiàn)裂紋。

3.2 材料性能要求

泡沫玻璃磚的密度、抗壓強度、導熱率要求見表1、表2，其中密度為名義批量平均密度，其公差為±15%。

其它性能要求：尺寸為457 mm×610 mm 或450 mm×600 mm(長×寬)或買方認可的其他尺寸的泡沫玻璃隔熱塊；長度、寬度和厚度公差的批量平均值應分別不超過規(guī)定尺寸2.0 mm、2.0 mm 和1.0 mm；外觀方面：盤紋、未被加工的表面或過燒表面面積不超過96.5 cm2(15 inch2)和深度不超過1.6 mm(0.063 inch)，面積和深度兩個指標分別執(zhí)行，任一指標超限則視為泡沫玻璃磚外觀不合格。

表1 泡沫玻璃磚密度和抗壓強度要求

表2 泡沫玻璃磚導熱系數(shù)要求

4 儲罐熱工計算

一般來說，儲罐罐底保冷系統(tǒng)根據結構和熱工要求進行設計。此外，還應考慮安裝方法、試運行及停運(置換、氣體排除)因素的要求。

罐底熱工設計中，除絕熱系統(tǒng)的熱阻之外，還應考慮儲罐其它部件的熱阻，如建造構件(混凝土)或儲罐內部的蒸發(fā)氣空間，應盡可能計算各構件在罐中各自位置和相應的溫度范圍內的熱阻。

罐底保冷結構、熱工設計應考慮以下幾方面：

(1)基礎底板的平整度，如內襯鋼板可能會發(fā)生扭曲變形；

(2)各保冷層的平整度；

(3)使用輔助材料來提高承載以及荷載傳遞能力，如在保冷材料層間設置夾層；

(4)防水層和隔氣層；

(5)如果有規(guī)定，應考慮置換裝置。

罐底按照保冷布置不同，分為中心區(qū)域、邊緣A 區(qū)域、邊緣B 區(qū)域，如圖3 所示。

圖3 罐底保冷熱工計算漏熱區(qū)域劃分

罐底某小時的漏熱量計算公式如下：

式中：

Q底——罐底小時漏熱量，W；

Qb——罐底中心區(qū)域小時漏熱量，W；

QbA——罐底A 區(qū)域漏熱量，W；

QbB——罐底B 區(qū)域漏熱量，W；

Ab——罐底中心區(qū)域的傳熱面積，m2；

AbA——罐底A 區(qū)域的傳熱面積，m2；

AbB——罐底B 區(qū)域的傳熱面積，m2。

5 復核驗算

對于高架空承臺基礎，罐底保冷層的厚度應根據規(guī)定的總的最大熱滲入量和盡可能少冷凝/結冰的要求來確定，需要熱工校核環(huán)境濕度下儲罐底部、熱角保護系統(tǒng)不出現(xiàn)結霜、結露現(xiàn)象。

對于坐地式LNG 儲罐，如上海某20 萬m3大型LNG 儲罐，由于底部配備加熱系統(tǒng)，一般只需考慮邊緣熱角保護系統(tǒng)在各類季節(jié)濕度環(huán)境中不出現(xiàn)結霜結露現(xiàn)象，但應結合罐壁和罐頂?shù)谋＠渎?lián)合設計以保證儲罐蒸發(fā)率滿足建設單位合同要求。

為了驗算環(huán)境最大月平均濕度下，底部不出現(xiàn)結霜或結露現(xiàn)象，選取的露點溫度Td應根據夏季空氣調節(jié)室外計算干球溫度和最熱月月平均相對濕度￠的數(shù)值并查現(xiàn)行中國國家標準GB 50264—2013《工業(yè)設備及管道絕熱工程設計規(guī)范》中相關數(shù)據表。絕熱厚度計算的絕熱層外表面溫Ta應為露點溫度Td加0.3 ℃，驗算最新保冷厚度公式如下：

式中：[Q]——罐底蒸發(fā)率計算時的熱流量，W；αs——綜合換熱系數(shù)。

也可以采用有限元計算軟件進行復核，如上海某LNG 項目中的坐地式基礎儲罐，只需要校核熱角保護是否存在結露現(xiàn)象。該項目月平均最高溫度31.2 ℃，對應空氣濕度平均最大為85%，空氣露點溫度為27 ℃，通過有限元建模計算，結果表明局部外側溫度約為27.4 ℃，不會出現(xiàn)結露結霜現(xiàn)象。

6 結語

本文以上海某20 萬m3大型LNG 儲罐為例，介紹了其罐底保冷結構，簡單探討了熱工設計流程、校核計算方法，對其材料選擇原則給出了參考意見。

該項目罐底保冷在設計參數(shù)下，熱工校核顯示其滿足要求。該方法對國內類似LNG 儲罐項目設計具有一定的借鑒意義。