引言

作為2l世紀(jì)最清潔高效的能源,天然氣被愈發(fā)廣泛地應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。天然氣密度小、體積大,運(yùn)輸存儲(chǔ)成本很高,所以國(guó)際間天然氣的運(yùn)輸很多都是先將天然氣液化,再采用液化天然氣(LiquefiedNaturalGas,簡(jiǎn)稱(chēng)LNG)船運(yùn)輸?shù)姆绞?。運(yùn)輸?shù)酱a頭的液化天然氣儲(chǔ)存在LNG儲(chǔ)罐中,然后往外輸送,以滿(mǎn)足生活和工業(yè)需求。

LNG在儲(chǔ)罐中的溫度在-l60℃左右,儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中,外界熱量傳入罐內(nèi),會(huì)引起LNG蒸發(fā),造成一定的經(jīng)濟(jì)損失,如果漏熱嚴(yán)重,還會(huì)帶來(lái)安全隱患?？梢?jiàn),絕熱保冷是LNG儲(chǔ)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(biāo)。

1儲(chǔ)罐的保冷系統(tǒng)

儲(chǔ)罐保冷分為罐底保冷、罐壁保冷以及罐頂保冷三部分,不同部分的保冷措施各不相同。影響儲(chǔ)罐保冷性能的因素主要有保冷材料的導(dǎo)熱率、保冷層厚度、環(huán)境溫度等等。下面針對(duì)不同的保冷部分分別進(jìn)行分析。

1.1罐底保冷

罐底保冷系統(tǒng)由罐底中心區(qū)域保冷、罐底環(huán)梁區(qū)域保冷和罐底邊緣保冷三部分組成。罐底保冷系統(tǒng)除了要起到保冷作用之外,還要對(duì)整個(gè)儲(chǔ)罐起支撐作用,所以要求罐底保冷材料有一定的承壓能力。泡沫玻璃磚是目前最常用的罐底保冷材料,根據(jù)鋪設(shè)位置的不同,要選用不同抗壓強(qiáng)度的玻璃磚,位于邊緣區(qū)域的采用高強(qiáng)度玻璃磚,中心區(qū)域采用普通玻璃磚。

1.2罐壁保冷

儲(chǔ)罐罐壁的保冷材料通常為膨脹珍珠巖和彈性氈,由于內(nèi)外罐受到溫度變化會(huì)產(chǎn)生收縮或膨脹,填充的珍珠巖會(huì)發(fā)生沉降,彈性氈可以緩解膨脹珍珠巖的沉降,還可以緩沖珍珠巖對(duì)儲(chǔ)罐的壓力。

1.3罐頂保冷

罐頂保冷材料為玻璃棉,玻璃棉覆蓋在內(nèi)罐頂部,將內(nèi)罐與罐頂?shù)目臻g隔離開(kāi),能有效減少熱對(duì)流,對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行隔熱。

2儲(chǔ)罐漏熱量計(jì)算

2.1罐底漏熱量計(jì)算

罐底的漏熱速率計(jì)算公式如下:

式中:Qbottom為罐底總漏熱速率(w):Qb-center為罐底中心區(qū)域的漏熱速率(w):Qb-edge為罐底邊緣區(qū)域的漏熱速率(w):Ab-center為罐底中心區(qū)域的換熱面積(m2):Ab-edge為罐底邊緣區(qū)域的換熱面積(m2):Ta為罐底溫度(℃),取極端最高氣溫:TLNG為L(zhǎng)NG的溫度(℃):入為保冷層保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)[w/(m·k)]:6為保冷層保冷材料的厚度(m)。

2.2罐壁漏熱量計(jì)算

罐壁上部的漏熱速率計(jì)算公式如下:

式中:Qgb為罐壁上部的漏熱速率(w):AsA為罐壁上部的換熱面積(m2):Ts為罐壁上部的外表面溫度(℃):TLNG為L(zhǎng)NG的溫度(℃):入為保冷層保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)[w/(m·k)]:6為保冷層保冷材料的厚度(m)。

罐壁下部的漏熱速率計(jì)算公式如下:

式中:QTCP為罐壁下部的漏熱速率(w):AsB為罐壁下部的換熱面積(m2):TTCP為罐壁下部的外表面溫度(℃):

TLNG為L(zhǎng)NG的溫度(℃):入為保冷層保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)[w/(m·k)]:6為保冷層保冷材料的厚度(m)。

2.3罐頂漏熱量計(jì)算

罐頂?shù)穆崴俾视?jì)算公式如下:

式中:Qgd為罐頂總漏熱速率(w):Qa為穹頂漏熱速率(w):Qb為罐頂拉桿、人孔、吊頂泄放孔的漏熱速率(w):Ar為穹頂?shù)膿Q熱面積(m2):Ab為拉桿、人孔、吊頂泄放孔的傳熱面積(m2):Ta為罐頂溫度(℃):TLNG為L(zhǎng)NG的溫度(℃):入為保冷層保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)[w/(m·k)]:6為保冷層保冷材料的厚度(m)。

3計(jì)算結(jié)果

根據(jù)LNG儲(chǔ)罐各部分漏熱量計(jì)算方法,以國(guó)內(nèi)某20萬(wàn)m3的儲(chǔ)罐為例,代入當(dāng)?shù)丨h(huán)境參數(shù)、儲(chǔ)存介質(zhì)參數(shù)以及儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)參數(shù),計(jì)算LNG儲(chǔ)罐各部分漏熱量的占比,探究對(duì)于LNG儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)哪一部分的漏熱量占比最大。

圖1所示為計(jì)算結(jié)果,可知整個(gè)儲(chǔ)罐的漏熱量集中在罐底和罐壁上,罐頂?shù)穆崃肯鄬?duì)較少。圖2為20萬(wàn)m3儲(chǔ)罐單位面積的漏熱量占比,可分析得知,儲(chǔ)罐整體上罐壁的漏熱量之所以能占據(jù)40%,是因?yàn)楣薇诘穆崦娣e較大,從單位面積漏熱量來(lái)看,主要漏熱還是發(fā)生在罐底部分。

圖1儲(chǔ)罐漏熱量占比

4經(jīng)濟(jì)性分析

同樣以某項(xiàng)目20萬(wàn)m3的儲(chǔ)罐為例,針對(duì)不同的保冷措施對(duì)儲(chǔ)罐的保冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,降低天然氣的蒸發(fā)率。

4.1罐頂保冷優(yōu)化

針對(duì)罐頂保冷方案進(jìn)行優(yōu)化,已知罐頂保冷主要依賴(lài)于玻璃棉對(duì)熱量的隔絕,因此增加玻璃棉的厚度,分析不同厚度的玻璃棉對(duì)整個(gè)儲(chǔ)罐保冷系統(tǒng)的影響。

圖2儲(chǔ)罐單位面積漏熱量占比

對(duì)20萬(wàn)m3儲(chǔ)罐罐頂玻璃棉分別加厚0.1m、0.2m,然后計(jì)算整個(gè)儲(chǔ)罐的漏熱量以及相關(guān)成本。

由圖3中數(shù)據(jù)可知,玻璃棉增厚0.1m后,單個(gè)儲(chǔ)罐每天將減少漏熱量199MJ,換算成質(zhì)量為每個(gè)儲(chǔ)罐每天將節(jié)省0.389t天然氣,按天然氣3000元/t的價(jià)格換算,每個(gè)儲(chǔ)罐每年將節(jié)省成本42.6萬(wàn)元,按照儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壽命50年計(jì)算,將節(jié)省2130萬(wàn)元。此外,增厚0.1m玻璃棉將增加成本8.28萬(wàn)元。玻璃棉增厚0.2m后,單個(gè)儲(chǔ)罐每天將減少漏熱量368MJ,換算成質(zhì)量為每個(gè)儲(chǔ)罐每天將節(jié)省0.722t天然氣,每個(gè)儲(chǔ)罐每年將節(jié)省成本79萬(wàn)元,按50年計(jì)將節(jié)省3950萬(wàn)元:另一方面,增厚0.2m玻璃棉將增加成本16.56萬(wàn)元。

4.2罐底保冷優(yōu)化

針對(duì)罐底保冷方案進(jìn)行優(yōu)化,已知罐底保冷主要依賴(lài)于玻璃磚對(duì)熱量的隔絕,因此增加玻璃磚的厚度,分析不同厚度的玻璃磚對(duì)整個(gè)儲(chǔ)罐保冷系統(tǒng)的影響。

對(duì)20萬(wàn)m3儲(chǔ)罐罐底玻璃磚分別加厚25、50、75、100mm,然后計(jì)算整個(gè)儲(chǔ)罐的漏熱量以及相關(guān)成本。

由圖4數(shù)據(jù)可知,玻璃磚增厚25mm后,每個(gè)儲(chǔ)罐每天將減少漏熱量375.8MJ,換算成質(zhì)量為每個(gè)儲(chǔ)罐每天將節(jié)省0.74t天然氣,每個(gè)儲(chǔ)罐一年將節(jié)省成本81.18萬(wàn)元,50年將節(jié)省4059萬(wàn)元,增厚25mm后玻璃磚將增加成本30.9萬(wàn)元:玻璃磚增厚50mm后,每個(gè)儲(chǔ)罐每天將減少漏熱量803.4MJ,換算成質(zhì)量為每個(gè)儲(chǔ)罐每天將節(jié)省1.58t天然氣,每個(gè)儲(chǔ)罐一年將節(jié)省成本173.5萬(wàn)元,50年將節(jié)省8675萬(wàn)元,增厚50mm玻璃棉將增加成本61.85萬(wàn)元:玻璃磚的厚度增75mm,每個(gè)儲(chǔ)罐每天將減少漏熱量1158.5MJ,換算成質(zhì)量為每個(gè)儲(chǔ)罐每日將節(jié)省2.28t天然氣,一年每個(gè)儲(chǔ)罐將節(jié)省成本250.2萬(wàn)元,50年將節(jié)省12510萬(wàn)元,增厚75mm玻璃棉將增加成本92.78萬(wàn)元:玻璃磚增厚100mm后,每個(gè)儲(chǔ)罐每天將減少漏熱量1489.6MJ,換算成質(zhì)量為每個(gè)儲(chǔ)罐每天將節(jié)省2.94t天然氣,每個(gè)儲(chǔ)罐一年將節(jié)省成本321.7萬(wàn)元,50年將節(jié)省16085萬(wàn)元,增厚100mm玻璃磚將增加成本123.7萬(wàn)元。

4.3罐壁保冷優(yōu)化

針對(duì)罐壁保冷方案進(jìn)行優(yōu)化,已知罐壁保冷主要依賴(lài)于彈性氈對(duì)熱量的隔絕,因此增加彈性氈的厚度,分析不同厚度的彈性氈對(duì)整個(gè)儲(chǔ)罐保冷系統(tǒng)的影響。

對(duì)20萬(wàn)m3的儲(chǔ)罐罐底彈性氈分別增厚20mm和50mm,計(jì)算整個(gè)儲(chǔ)罐的漏熱量以及相關(guān)成本。

由圖5數(shù)據(jù)可知,彈性氈增厚20mm后,單個(gè)儲(chǔ)罐一天將減少漏熱量29.2MJ,換算成質(zhì)量為單個(gè)儲(chǔ)罐每日將節(jié)省0.05t天然氣,一年四個(gè)儲(chǔ)罐將節(jié)省成本5.46萬(wàn)元,50年將節(jié)省273萬(wàn)元,增厚20mm彈性氈將增加成本102.2萬(wàn)元:彈性氈厚度增加50mm,單個(gè)儲(chǔ)罐一天將減少漏熱量66.9MJ,換算成質(zhì)量為單個(gè)儲(chǔ)罐每日將節(jié)省0.12t天然氣,一年每個(gè)儲(chǔ)罐將節(jié)省成本13.58萬(wàn)元,50年將節(jié)省679萬(wàn)元,增厚50mm彈性氈將增加成本255.5萬(wàn)元。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,分析投入成本回報(bào)率,分析結(jié)果如圖6所示。

分析圖6數(shù)據(jù)可知每多投入1元成本,不同保冷方案下的成本回報(bào)率。從數(shù)據(jù)可以看出,并不是保冷材料越厚,成本回報(bào)率越高。例如,在罐頂保冷中,玻璃棉增厚10mm比增厚20mm成本回報(bào)率更高:在罐底保冷中,玻璃磚增厚50mm的方案效益最高:在罐壁保冷中,0.32m彈性氈比0.35m彈性氈的成本回報(bào)率更好。

5結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)LNG儲(chǔ)罐漏熱量的計(jì)算,得出儲(chǔ)罐各部分漏熱量的占比,并針對(duì)不同的保冷措施分別對(duì)儲(chǔ)罐保冷進(jìn)行優(yōu)化,得到的一系列數(shù)據(jù)表明,并不是保冷材料用料越多儲(chǔ)罐帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益越高,而是要結(jié)合投入成本綜合對(duì)比,根據(jù)儲(chǔ)罐實(shí)際設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算,才能更好地提高儲(chǔ)罐帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。