揚 帆，張 超，陳銳瑩，范嘉堃，張博超，劉 洋

（中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028）

在國內(nèi)“煤改氣”以及能源消費升級的帶動下，我國天然氣消費量近幾年迎來爆發(fā)式增長，LNG儲存設(shè)施建設(shè)將進入快通道[1]。預(yù)計未來幾年，國內(nèi)三大石油公司、國家管網(wǎng)公司等將在沿海城市新建或擴建多座LNG接收站，處理規(guī)模一般在200～300萬t/a及以上，同時會配套大量160000 m3、200000 m3及更大容積的LNG儲罐。此外，為了滿足地方政府天然氣調(diào)峰和儲備要求，地方城市燃氣企業(yè)及民營企業(yè)也將在內(nèi)陸、江河及部分沿海地區(qū)建設(shè)大量LNG轉(zhuǎn)運站[2]，其LNG處理規(guī)模一般在100～200萬t/a左右，轉(zhuǎn)運站配套的LNG儲罐容積一般選擇為30000～100000 m3。

LNG儲罐作為LNG轉(zhuǎn)運站儲存環(huán)節(jié)的重要設(shè)備，操作壓力為-1.0～29.0 kPa，內(nèi)罐設(shè)計溫度為-162℃。由于LNG儲罐內(nèi)外側(cè)溫差產(chǎn)生熱輸入，受保冷材料保溫效果的限制，其內(nèi)低溫LNG會受熱氣化，如果漏熱嚴重，蒸發(fā)氣體（BOG）產(chǎn)生量將急劇增大，導(dǎo)致壓縮機處理能耗增加，同時也帶來安全隱患。可見，絕熱保冷是LNG儲罐的重要特性，而最大日蒸發(fā)率則是衡量其效果的重要指標。目前，對于160000 m3、200000 m3甚至更大容積的LNG儲罐，其日蒸發(fā)率的設(shè)計都比較成熟，一般沿用國外LNG接收站項目的要求，為工作容積換算為等效質(zhì)量后算得 （0.04～0.05%/d）。但是，對于轉(zhuǎn)運站配套的30000～100000 m3容積LNG儲罐，其日蒸發(fā)率國內(nèi)暫無統(tǒng)一要求，一般由業(yè)主和設(shè)計方協(xié)商后確定[3]。本文以國內(nèi)某LNG轉(zhuǎn)運站項目30000 m3LNG儲罐為例，探討日蒸發(fā)率設(shè)計時需考慮的因素，通過綜合分析得出較優(yōu)的日蒸發(fā)率取值。

1 LNG蒸發(fā)與儲罐保冷

1.1 蒸發(fā)機理

天然氣主要成分為甲烷（CH4），其熱力學(xué)三相點在0℃以下，常溫下不能像LPG等通過加壓的方式進行“液化”，只能通過降低溫度到-162℃使其液化。因此，LNG不同于汽柴油、LPG等烴類通過加壓方式可以減少其揮發(fā)。LNG儲罐內(nèi)部低溫液體處于-162℃的熱力學(xué)“飽和沸騰狀態(tài)”，雖然儲罐四周通過保冷絕熱材料控制其輸入熱量，但仍然源源不斷地有BOG產(chǎn)生[4,5]。產(chǎn)生的BOG通過壓縮機直接加壓外輸，或者送入再冷凝器與具有一定過冷度的LNG混合后再通過高壓泵增壓送至氣化器，氣化后通過管網(wǎng)外輸[6]。

1.2 保冷結(jié)構(gòu)

保冷的主要作用在于最大限度降低儲罐熱量輸入，控制儲罐蒸發(fā)率，以實現(xiàn)LNG長期存儲。同時，保冷結(jié)構(gòu)需要保護儲罐的非低溫部件（主要是儲罐外部），使其處于所要求的環(huán)境溫度，限制儲罐底部的基礎(chǔ)或土壤因凍脹而損壞，防止或減少儲罐外表面的水蒸氣冷凝和結(jié)冰等現(xiàn)象[7]。圖1為國內(nèi)某LNG轉(zhuǎn)運站30000 m3LNG儲罐結(jié)構(gòu)示意圖。該LNG儲罐類型為全容罐，外罐高度25.3 m、直徑45 m；外罐為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)罐為9%Ni低溫鋼，內(nèi)外罐四周填充保冷絕熱材料[8]；罐底保冷材料為450 mm厚的泡沫玻璃磚材料，具有一定承壓強度，除了起到保冷作用外，還起到承受上部內(nèi)罐與LNG液體重量的作用[9]；罐壁保冷由300 mm彈性氈和700 mm膨脹珍珠巖粉末內(nèi)外兩層保冷材料組成，彈性氈緊貼內(nèi)罐壁板，具有一定的回彈性，用來吸收內(nèi)罐運行時珍珠巖對內(nèi)罐的擠壓力；罐頂?shù)蹴敱＠洳牧嫌?.0～1.2 m玻璃棉保冷材料構(gòu)成。

圖1 LNG儲罐（全容罐）結(jié)構(gòu)簡圖

2 LNG儲罐日蒸發(fā)率設(shè)計

2.1 日蒸發(fā)率取值原則與范圍

按照低溫儲罐保冷設(shè)計經(jīng)驗，儲罐容積越大，單位體積LNG分攤換熱面積越小[10]，因此同樣保冷厚度設(shè)計下，儲罐容積越大，則日蒸發(fā)率越小。根據(jù)國內(nèi)已建的大部分小液化工廠、調(diào)峰站配套的1000～20000 m3容積LNG儲罐建設(shè)經(jīng)驗，一般日蒸發(fā)率要求為0.10～0.15%/d；而LNG接收站配套的160000 m3容積以上LNG儲罐日蒸發(fā)率一般要求為0.04～0.05%/d。根據(jù)上述罐容與日蒸發(fā)率關(guān)系趨勢，初步設(shè)定30000 m3LNG儲罐日蒸發(fā)率為0.05～0.10%/d，同時還需考慮建設(shè)期保冷材料投入、低壓BOG壓縮機配置及運行費用等多方面因素。

2.2 日蒸發(fā)率對保冷費用的影響

參考圖1中30000 m3容積LNG儲罐結(jié)構(gòu)尺寸，當儲罐日蒸發(fā)率取值分別為0.05、0.07、0.08、0.10時，對保冷材料費用進行計算。保冷材料尺寸、用量、費用分別如表1、表2和表3所示。

表1 不同日蒸發(fā)率下LNG儲罐各部分保冷厚度

表2 不同日蒸發(fā)率下LNG儲罐保冷材料用量

表3 不同日蒸發(fā)率下LNG儲罐保冷材料費用

2.3 日蒸發(fā)率對其他費用的影響

2.3.1低溫BOG壓縮機費用

低溫BOG壓縮機的選型主要考慮BOG設(shè)計量。BOG產(chǎn)生因素包括：儲罐、管線漏熱、裝槽車、裝船、卸料及泵的熱輸入、大氣壓變化；BOG減少因素主要是由于氣態(tài)物質(zhì)外輸引起。BOG產(chǎn)生量與減少量的差值即為其設(shè)計量。而在BOG設(shè)計量中，一座30000 m3LNG儲罐日蒸發(fā)產(chǎn)生的BOG僅占LNG轉(zhuǎn)運站全場BOG產(chǎn)生量的5%左右，可推斷儲罐日蒸發(fā)量對于低壓BOG壓縮機的選型無直接影響，基本不會造成相關(guān)建設(shè)費或使用費用的增加。

2.3.2 停供及檢修期間的放空損失

根據(jù)近期LNG轉(zhuǎn)運站建設(shè)特點，經(jīng)常會出現(xiàn)前期資源市場不能落實或者LNG轉(zhuǎn)運站配套建設(shè)周期大于儲罐建設(shè)周期的現(xiàn)象，存在開車調(diào)試期間全場BOG放空的情況。同時考慮儲罐運行壽命25年內(nèi)一次大修，也存在BOG放空處理，對比不同日蒸發(fā)率下BOG放空一個月造成的損失，見表4。

表4 不同日蒸發(fā)率下儲罐蒸發(fā)量放空損失折算

2.4 日蒸發(fā)率綜合取值

對于30000 m3LNG儲罐，考慮建造期保冷材料費用、運行期BOG放空損耗等因素，計算綜合費用如表5所示。

表5 不同日蒸發(fā)率下綜合費用對比

對比后，可選取儲罐日蒸發(fā)率最大設(shè)計值為0.08%/d，此時綜合費用最小。同時，該日蒸發(fā)率設(shè)計中儲罐保冷材料成本約占儲罐成本的5.2%，符合一般LNG儲罐保冷材料成本占比。

3 結(jié)論

本文從LNG轉(zhuǎn)運站項目核心設(shè)備—LNG儲罐的蒸發(fā)機理、保冷結(jié)構(gòu)出發(fā)，說明了合理設(shè)置日蒸發(fā)率的重要性。以國內(nèi)某LNG轉(zhuǎn)運站30000 m3容積LNG儲罐為例，分析了日蒸發(fā)率設(shè)計時需考慮的因素及不同日蒸發(fā)率對LNG儲罐保冷材料費用、運行費用的影響。

（1）對于30000 m3LNG儲罐設(shè)計，可選取0.08%/d作為允許最大日蒸發(fā)率。

（2）對于30000～100000 m3容積范圍的LNG儲罐，設(shè)計允許最大日蒸發(fā)率時可參考上文取值過程。

（3）對于調(diào)峰型LNG轉(zhuǎn)運站，除了冬季保供期外，可能長期無外輸，應(yīng)考慮日蒸發(fā)率相對低一些，雖然一定程度增加了保冷材料費用，但對降低長期運行成本是有利的。