单包容型LNG储罐预冷热力计算优化方法

本节以国内液化天然气工厂常见的20000m³单包容型LNG储罐为例介绍该型储罐的预冷计算。

1.典型结构和基本几何尺寸

图2-33所示为单包容型LNG储罐的典型结构。其通常由碳钢外罐及9%Ni不锈钢或304不锈钢内罐组成；内外罐之间的环形空间内填充有现场膨化的珍珠岩保冷材料；内罐顶部悬有不锈钢或是铝制吊顶。其基本几何尺寸见表2-17。

图2-33 单包容型LNG储罐的典型结构

表2-17 20000m³单包容LNG储罐基本几何尺寸

此外，单包容储罐系统还包括内罐平台及管道、罐底保冷材料、内罐底混凝土找平层、珍珠岩混凝土砌块制环梁等部件，这些部分的冷容量也都将在储罐预冷的热力计算中被考虑在内。

2.预冷介质特性

国内工厂中通常用到的LNG储罐预冷介质有液氮或是LNG，其中LNG由于液体温度合适、汽化热大及不需要气相置换等原因为首选使用。有关介质特性可以参看表2-18，其计算分别以LNG和液氮为例来说明。

表2-18 常用预冷介质的特性数据^[3]

3.预冷过程的热力学计算

（1）单包容型LNG储罐系统的热力学基本模型 真实的预冷过程是一个非定常问题[40]，为了简化模型，在研究中采用集总参数法，即忽略内罐及保冷材料的空间温度分布，而集中研究温度随预冷进行时间的变化规律。由此可根据普通堆积绝热储罐模型列出以下基本热力学方程式，该模型在LNG等低温槽车的热力计算中得到了广泛的应用^{[1，41，42]}。

1）储罐内外壁系统热流方程：

式中，Q₁为热流（W）；t_a为外壁环境温度（℃）；t_i为罐内侧温度（℃）；L为高度（m）；d_i+1为各绝热层外径（m）；d_i为各绝热层内径（m）；α_a为空气与储罐外表面的传热系数[W/（m²·K）]，λ_i为各层材料的热导率[W/（m·K）]。

式（2-26）为稳定传热条件，圆柱形储罐假设。

式（2-26）中的自然表面传热系数计算取文献[43]中的计算式，即

10⁴＜Gr·Pr＜10⁹时自然对流为层流，有

10⁹＜Gr·Pr时自然对流为湍流，有

2）储罐系统固体构件及相关保冷材料热流方程为

式中，Δt_i为各固体构件的计算导热温差（℃）；δ_i为各固体构件的有效导热长度或厚度（m）；A_i各固体构件的有效导热面积（m²）；λ_i为各固体构件的热导率[W/（m·K）]。

3）内罐内能变化方程为

式中，E₁为内罐内能变化（kJ）；G_i为内罐质量（kg）；c_i为内罐材料比热容[kJ/（kg·K）]dt_i/dτ为内罐温度随时间的变化率。

4）其他构件内能变化方程为

式中，E₂为除内罐外的各构件内能变化（kJ），G_ic为各构件材料质量（kg）；c_ic为各构件材料比热容[kJ/（kg·K）]；dt_i/dτ为内罐温度随时间的变化率。

根据以上4个基本方程式即可求解储罐系统本身的热力学平衡；而根据式（2-30）、式（2-31）及漏热计算即可求得储罐预冷所需的热负荷及需要的预冷介质的量。以下仍以图2-33所示的单包容储罐为例来进行计算说明。(www.xing528.com)

（2）20000m³单包容LNG储罐预冷热负荷计算算例

1）基本假设：

①计算中非金属材料的物性数据源于文献[8，9]及进口绝热材料的厂家资料。

②算例中得现场条件选取为我国四川省。

③考虑到冷却过程中热变形造成的热应力等问题，通常LNG储罐要求每小时的温降控制在3℃以内，计算均以2.5℃/h为依据来计算预冷的热负荷。

④环境漏热计算以小时为基础，根据最热月份日环境温度分布统计数据（当地气象资料）及太阳辐射小时数据（按典型地区及极限值条件生成曲线）计算小时漏热量，之后取最大小时漏热量。

2）热负荷计算结果（见表2-19）。

表2-19 20000m³单包容型LNG储罐预冷计算结果

3）预冷时间及所需LNG或LN2量计算（见表2-20）。

表2-20 20000m³单包容型LNG储罐预冷时间及预冷介质用量计算结果

（续）

（3）单包容型LNG储罐预冷过程的热力学模型 进行预冷热负荷计算，准确估算需要的冷却介质的数量是预冷准备工作的基本要求。此外，工厂预冷操作人员还需要了解预冷各个阶段储罐温度在特定喷淋量下随时间的变化规律及时调整喷淋量，即需要了解一定的预冷过程的动态特性。为此建立罐内预冷介质的热力学方程式如下。

1）预冷介质与储罐内壁的换热热流量

式中，t_i为罐内侧温度（℃）；t_s为气化吸热后预冷介质温度（℃）；A_T为罐内侧换热面积（m²）；α_s为预冷介质与储罐内表面的传热系数[W/（m²·K）]。

2）预冷介质汽化热吸热：

式中，m_s为预冷介质喷射量（kg/h）；F_L为预冷介质液态质量分数（%）；h_L为预冷介质液态汽化热（kJ/kg）。

3）预冷介质显热吸热：

式中，c_s为预冷介质比热容[kJ/（kg·K）]，t_b为预冷介质在罐内压力下的饱和温度（℃）。

4）预冷介质内能变化：

分别对储罐系统及预冷介质列热平衡方程，可得以下两式。

5）储罐系统热平衡方程：

6）预冷介质热平衡方程：

联立以上各式及气体状态方程，且列出预冷开始时的初始条件方程，就可以通过有限差分的数值方法求得储罐预冷的动态模型。