LNG低温储罐绝热性能
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(修改回稿 2009 - 04 - 17)
3 结语
( 1 ) 通过对大型合成氨装置联压厂房的布
LNG领跑者(www.lng123.com) 邀您打造中国最权威、最专业的液化天然气行业技术论坛
18 α =
1
d1
CHEM ICAL ENG INEER ING D ES IGN
( 1)
化工设计 2010, 20 ( 2 )
置中设计问题和需要注意的事项的探讨 , 并结合 工程实例分析 , 总结联压厂房的布置的规律 , 在 考虑布置的时候 , 应分步骤地逐个确定有关内 容 , 优选方案 。 ( 2 ) 即使有这些设计规律 , 在设计中还有 工程的具体情况 , 要求我们灵活运用 , 综合考 虑 , 不仅要考虑设计标准规范的要求 , 还需要考 虑经济性和业主的要求 。 只有这样 , 才能设计出符合工程要求 , 经济 上可行 , 业主满意的装置 。
底部 顶部 侧面 传热量
18561 7632 29260 55453
环境温度 , ℃ 混凝土基础温度 , ℃ 平均太阳辐射强度 , W /m 2 内罐直径 , m 外罐直径 , m 辐射常数 , W /m 2 K4
最后计算得到当地最热气象条件下一天的
LNG气化率为 01075% , 符合要求 , 说明该 LNG
式中 , Q底 为底部总自然漏热量 , W ; q底 为罐底 单位面积传热量 ; W /m ; A底 为罐底面积 , m 。 值得注意的是由于绝热设计的不同漏热量计 算 , 应将底部分成中心部分和支撑圈部分 , 总量 应该是两部分总和 。
112 顶部自然漏热量计算
2 有辐射工况罐外壁温度计算
在 LNG储罐顶部和侧壁的自然漏热量计算 中均分成有无太阳辐射工况 , 如果不考虑太阳辐 射 , 储罐外壁温度可以取环境温度 ; 如果考虑太 阳辐射 , 外壁温度必然升高 , 与环境温度必然存 在温差 , 此时外壁温度应运用相关辐射理论及热 量衡算计算 。 总的太阳辐射可以表示为以下公式 :
Q总 = Q顶 + Q底 + Q侧
q = α ( t2 - t1 )
2
( 2)
式中 , q 为单位面积传热量 , W /m ; t1 为 LNG 储罐液体温度 , ℃; t2 为 LNG储罐混凝土基础的 维 持 温 度 , ℃。一 般 情 况 下 t1 为 - 162 ℃, t2 为 5 ℃。 底部总自然漏热量 :
周永春等 LNG低温储罐绝热性能的探究 表 4 LN G 储罐自然漏热量计算结果
无太阳辐射 数值
- 163 42 5 718 4115 4215 5167E - 08
19
(W )
计算基础数据见表 2。
表 2 LN G 储罐基础数据
名称
LNG温度 , ℃
有太阳辐射
18561 8125 29917 56603
113 侧面自然漏热量计算
2
Q c =α 对流
(壁 t - t 环 ) t 壁 + 273
4
ε× Q r = 5167 ×
100
2
2
t 环
+ 273
4
100
式中 , Q t 为总的太阳辐射 , W /m
2
(在没有具体
数值情况下 , 取 718 W /m ) ; Qb 为外壁对太阳 辐射的反射强度 , W /m ; Q i 为进入储罐的热流 强度 , W /m ; t1 为 BOG 气体温度 , ℃; t2 为吊 顶保温层上方气体温度 , ℃; Qc 为外壁和环境之 间的对流传热强度 , W /m ; Q r 为外壁与环境之 间的长波热辐射强度 , W /m ; 壁 t 为储罐外壁温 度 , ℃; 环 t 为环境温度 , ℃。 从式 ( 10 ) 可以试差求出 (没有太阳辐射 条件下 ) 外壁温度 壁 t 。
3
随着国家能源结构的调整和对环境保护要 求的提高 , 天然气的应用将越来越广泛 。作为清 洁能源的液化天然气 ( L iquefied Natural Gas, 简 称 LNG) 是经净化和液化处理形成的液态天然 气 , 主要成分为甲烷 。常压下 LNG 的体积约为 标准状况下气态体积的 1 /625, 温度在 - 162 ℃ 左右 , 通常被储存在 LNG 低温储罐中 。该种储 罐常为微正压低温状态 , 外部有绝热保温材料覆 盖 , 以减少外界环境与之热量传递 (自然漏热 ) 造成 LNG 气 化 , 在 设 计 时 必 须 考 虑 绝 热 保 冷 性能 。 LNG低温储罐的绝热保冷性能直接影响能 耗 。对于低温储罐 , 热量会通过传导 、对流 、辐 射等方式传入储罐 , 从而导致部分 LNG 的气化 产生 BOG气体 ( Boil - off Gas, 简称 BOG) 。对 于大型 LNG低温储罐 , 国际上通常要求的以满 罐为基准的每天罐内 LNG气化率见表 1。
参 考 文 献
1 杨世铭 1 传热学 [M ] 1 北京 : 高等教育出版社 , 1991. 2 陈敏恒 , 丛徳滋 , 方图南 , 齐鸣斋 1 化工原理 [M ] 1
北京 : 化学工业出版社 , 1999.
3 顾安忠 1 液化天然气技术 [M ] 1 北京 : 机械工业出版
社 , 20Βιβλιοθήκη Baidu3.
3
4 结语
通过对大型 LNG 低温储罐的绝热性能的分
(mm ) 50 500 20 550 20 800 800 200
厚度 s
析 , 给出了针对此类储罐自然漏热量的具体计算 3 方法 , 并对新疆广汇的一个 30000m LNG储罐进 行了绝热性能核算 , 证明该储罐的 LNG 日气化 率符合设计要求 。
表 1 LN G 低温储罐气化率控制要求
储罐容量 , m 3 气化率
> 50000 10000 ～50000
图 1 储罐漏热示意图
( 1 ) 低温储罐底部最主要通过传导的方式
进行热传递 , 绝热材料一般使用刚性泡沫玻璃 , 它的耐压强度足够承受液体与内罐的重量 。除了 泡沫玻璃以外 , 内罐壁下是一层珍珠岩混凝土支 撑圈 , 用以支撑整个内罐壁的重量 , 此外 , 底部 还使用沥青抹面层 、防潮铝箔等 , 同样需要考虑 其对传热的影响 。 ( 2 ) 储罐侧面的绝热材料主要用膨胀的珍 珠岩粉末 , 并且在内罐壁外侧安装纤维毡 , 用来 防止珍珠岩与内罐壁直接产生摩擦而损坏内罐 壁 。此外 , 由于侧面长期暴露在环境中 , 所以需 要考虑太阳辐射的影响 。 ( 3 ) 储罐顶部的绝热材料主要是安置在悬 浮甲板上的玻璃纤维毡 。对于顶部的传热 , 同样 需要考虑太阳辐射的影响 。
4 BS777 Flat - bottomed, Vertical, Cylindrical Storage Tanks for Low Temperature Service [ S ]. 5 NFPA 59A Standard Production Storage and Handing of L iquefied Nature Gas (LNG) - 2001 Edition [ S ]. (收稿日期 2009 - 11 - 03)
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2010, 20 ( 2 )
周永春等 LNG低温储罐绝热性能的探究
17
LNG低温储罐绝热性能的探究
周永春 刘 浩 中国石化集团上海工程有限公司 上海 200120
探讨 LNG低温储罐的绝热性能 , 详细分析影响 LNG低温储罐自然漏热量的各种因素 , 并给出 摘要 计算方法 , 为 LNG储罐的绝热保冷系统设计提供依据 。 漏热 低温储罐 BOG 关键词 LNG
侧面自然漏热量 :
Q侧 = q A侧 侧 ×
λ1
+
d2
λ2
+… +
dn
λn
( 7)
2 式中 , α为传热系数 , W / ( m ・ K) ; d1～n为不 同保冷层的厚度 , m; λ 1 ～n为不同保冷层的导热 系数 , W / (m ・K) 。 单位面积的传热量 :
式中 , Q侧 为侧面总自然漏热量 , W ; t1 为储罐 内介质温度 , ℃; t2 为外罐壁温度 , 分为有无太 阳辐射两种工况 , ℃。 通过对储罐三个不同部分的漏热量计算 , 最 后可以得到储罐总的自然漏热量 Q总 :
Q底 = q A底 底 ×
2
( 8)
由于考虑到太阳辐射的存在 , 以及辐射时间 的长短 , 以每天辐射时间 12h计算 , 并且储罐侧 壁的辐射面积取整个侧壁面积的 60% , 得到储 罐实际自然漏热量 Q实际 :
Q实际 =
( 3)
2
1 (Q + Q总无辐射 ) 2 总有辐射
[1] [2 ]
( 9)
111 底部自然漏热量计算
(% )
< 10000
≤0105
≤0108
≤0110
1 低温储罐绝热设计
外界热量漏入 LNG 低温储罐主要通过储罐 顶部 、侧面和底部 。对于大面积裸露区域 , 还应 考虑白天的太阳辐射因素 (以每天 12h 计算 ) 。 LNG低温储罐漏热示意见图 1。 本文以地上型的单包容 LNG 储罐为例 , 整 个储罐置于混凝土基础之上 , 为了防止混凝土在 低温下发生形变 , 故在基础内设电伴热系统 , 使 基础的温度不低于 5 ℃。
根据以上计算公式得到 30000m LNG储罐自 然漏热量的计算结果 , 见表 4。
Q总 = (12 × Q无辐射 + 12 × Q有辐射 ) /24 = 56028 W
最终得出蒸发量为 450kg / h。
(上接第 26 页 )
( 3 ) 压缩机的其他辅助设备分别露天布置 在厂房的前后 , 其中压缩机的入口分液罐 、各级 气液分离罐和冷却器均布置在压缩厂房与装置主 管廊间的空地 , 这样比较顺工艺流程 , 且不占用 厂房内的空间 , 油站布置在厂房后方 , 高位油箱 则悬挂于靠油站侧的厂房外 , 设置直爬梯可上其 平台 。 压缩厂房的布置全貌见图 5。
2 2 2
目前绝大部分大中型 LNG 低温储罐内外罐 之间填充的是珍珠岩 , 主要应用的公式如下 :
q 侧 =α 侧 ( t2 - t 1) = ( t2 - t1 ) d1 +… + dn
3 实例
以 30000m LNG单包容储罐为例 , 计算其自 然漏热量和每天的气化率 。
3
(6)
λ1
λn
Q顶 = q A顶 顶 ×
( 5)
2
式中 , q顶 为储罐顶部单位面积传热量 , W /m ; t1 为储罐液面上方 BOG气体温度 , ℃; t2 为储罐 吊顶上方气体温度 , 分为有无太阳辐射两种工 况 , ℃; λ 为玻 璃纤 维毛 毡层 的导 热系数 , W / (m ・℃) ; d 为玻璃纤维毛毡层的厚度 , m; Q顶 为顶部总自然漏热量 , W ; A顶 为储罐顶部绝热 层面积 , m 。 储罐液面上方 BOG气体温度根据实测数据 , 一般在 - 100 ℃左右 。外部环境会影响此数据 , 吊顶上方气体温度最好有实测数据 , 没有的情况 下 , 可用罐顶外部温度减去 20 ℃ 进行估算 。
58366600 - 2063。
总传热系数表达式 :
( 021 )
3 周永春 : 工程师 。 2005 年毕业于华东理工大学化学工程专业获硕士学位 。现从事化工工程设计工作 。联系电话 :
LNG领跑者(www.lng123.com) 邀您打造中国最权威、最专业的液化天然气行业技术论坛
2010, 20 ( 2 )
储罐的绝热保冷设计是符合要求的 。
储罐绝热保冷材料基础数据见表 3。
表 3 LN G 储罐绝热保冷材料基础数据
保冷材料 底部中心混凝土抹面层 底部中心泡沫玻璃 底部中心铝箔 底部支撑圈珍珠岩混凝土 底部支撑圈沥青层 顶部玻璃纤维毡 侧面珍珠岩 侧面纤维毡 导热系数 λ
(W / (m ・℃) ) 119 0104 017 01071 017 01037 01047 01037
Q t = (Q b + Q i + Q c + Q r ) Qb = ( 1 - α 吸 ) Qt Q i =α ( t2 - t1 )
储罐顶部的主要保温材料为玻璃纤维毛毡 层 , 主要应用公式如下 :
q 顶 ( t2 - t 顶 =α 1) =
λ
d
( t2 - t1 )
( 4)
( 10 )
顶部自然漏热量 :
3 结语
( 1 ) 通过对大型合成氨装置联压厂房的布
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18 α =
1
d1
CHEM ICAL ENG INEER ING D ES IGN
( 1)
化工设计 2010, 20 ( 2 )
置中设计问题和需要注意的事项的探讨 , 并结合 工程实例分析 , 总结联压厂房的布置的规律 , 在 考虑布置的时候 , 应分步骤地逐个确定有关内 容 , 优选方案 。 ( 2 ) 即使有这些设计规律 , 在设计中还有 工程的具体情况 , 要求我们灵活运用 , 综合考 虑 , 不仅要考虑设计标准规范的要求 , 还需要考 虑经济性和业主的要求 。 只有这样 , 才能设计出符合工程要求 , 经济 上可行 , 业主满意的装置 。
底部 顶部 侧面 传热量
18561 7632 29260 55453
环境温度 , ℃ 混凝土基础温度 , ℃ 平均太阳辐射强度 , W /m 2 内罐直径 , m 外罐直径 , m 辐射常数 , W /m 2 K4
最后计算得到当地最热气象条件下一天的
LNG气化率为 01075% , 符合要求 , 说明该 LNG
式中 , Q底 为底部总自然漏热量 , W ; q底 为罐底 单位面积传热量 ; W /m ; A底 为罐底面积 , m 。 值得注意的是由于绝热设计的不同漏热量计 算 , 应将底部分成中心部分和支撑圈部分 , 总量 应该是两部分总和 。
112 顶部自然漏热量计算
2 有辐射工况罐外壁温度计算
在 LNG储罐顶部和侧壁的自然漏热量计算 中均分成有无太阳辐射工况 , 如果不考虑太阳辐 射 , 储罐外壁温度可以取环境温度 ; 如果考虑太 阳辐射 , 外壁温度必然升高 , 与环境温度必然存 在温差 , 此时外壁温度应运用相关辐射理论及热 量衡算计算 。 总的太阳辐射可以表示为以下公式 :
Q总 = Q顶 + Q底 + Q侧
q = α ( t2 - t1 )
2
( 2)
式中 , q 为单位面积传热量 , W /m ; t1 为 LNG 储罐液体温度 , ℃; t2 为 LNG储罐混凝土基础的 维 持 温 度 , ℃。一 般 情 况 下 t1 为 - 162 ℃, t2 为 5 ℃。 底部总自然漏热量 :
周永春等 LNG低温储罐绝热性能的探究 表 4 LN G 储罐自然漏热量计算结果
无太阳辐射 数值
- 163 42 5 718 4115 4215 5167E - 08
19
(W )
计算基础数据见表 2。
表 2 LN G 储罐基础数据
名称
LNG温度 , ℃
有太阳辐射
18561 8125 29917 56603
113 侧面自然漏热量计算
2
Q c =α 对流
(壁 t - t 环 ) t 壁 + 273
4
ε× Q r = 5167 ×
100
2
2
t 环
+ 273
4
100
式中 , Q t 为总的太阳辐射 , W /m
2
(在没有具体
数值情况下 , 取 718 W /m ) ; Qb 为外壁对太阳 辐射的反射强度 , W /m ; Q i 为进入储罐的热流 强度 , W /m ; t1 为 BOG 气体温度 , ℃; t2 为吊 顶保温层上方气体温度 , ℃; Qc 为外壁和环境之 间的对流传热强度 , W /m ; Q r 为外壁与环境之 间的长波热辐射强度 , W /m ; 壁 t 为储罐外壁温 度 , ℃; 环 t 为环境温度 , ℃。 从式 ( 10 ) 可以试差求出 (没有太阳辐射 条件下 ) 外壁温度 壁 t 。
3
随着国家能源结构的调整和对环境保护要 求的提高 , 天然气的应用将越来越广泛 。作为清 洁能源的液化天然气 ( L iquefied Natural Gas, 简 称 LNG) 是经净化和液化处理形成的液态天然 气 , 主要成分为甲烷 。常压下 LNG 的体积约为 标准状况下气态体积的 1 /625, 温度在 - 162 ℃ 左右 , 通常被储存在 LNG 低温储罐中 。该种储 罐常为微正压低温状态 , 外部有绝热保温材料覆 盖 , 以减少外界环境与之热量传递 (自然漏热 ) 造成 LNG 气 化 , 在 设 计 时 必 须 考 虑 绝 热 保 冷 性能 。 LNG低温储罐的绝热保冷性能直接影响能 耗 。对于低温储罐 , 热量会通过传导 、对流 、辐 射等方式传入储罐 , 从而导致部分 LNG 的气化 产生 BOG气体 ( Boil - off Gas, 简称 BOG) 。对 于大型 LNG低温储罐 , 国际上通常要求的以满 罐为基准的每天罐内 LNG气化率见表 1。
参 考 文 献
1 杨世铭 1 传热学 [M ] 1 北京 : 高等教育出版社 , 1991. 2 陈敏恒 , 丛徳滋 , 方图南 , 齐鸣斋 1 化工原理 [M ] 1
北京 : 化学工业出版社 , 1999.
3 顾安忠 1 液化天然气技术 [M ] 1 北京 : 机械工业出版
社 , 20Βιβλιοθήκη Baidu3.
3
4 结语
通过对大型 LNG 低温储罐的绝热性能的分
(mm ) 50 500 20 550 20 800 800 200
厚度 s
析 , 给出了针对此类储罐自然漏热量的具体计算 3 方法 , 并对新疆广汇的一个 30000m LNG储罐进 行了绝热性能核算 , 证明该储罐的 LNG 日气化 率符合设计要求 。
表 1 LN G 低温储罐气化率控制要求
储罐容量 , m 3 气化率
> 50000 10000 ～50000
图 1 储罐漏热示意图
( 1 ) 低温储罐底部最主要通过传导的方式
进行热传递 , 绝热材料一般使用刚性泡沫玻璃 , 它的耐压强度足够承受液体与内罐的重量 。除了 泡沫玻璃以外 , 内罐壁下是一层珍珠岩混凝土支 撑圈 , 用以支撑整个内罐壁的重量 , 此外 , 底部 还使用沥青抹面层 、防潮铝箔等 , 同样需要考虑 其对传热的影响 。 ( 2 ) 储罐侧面的绝热材料主要用膨胀的珍 珠岩粉末 , 并且在内罐壁外侧安装纤维毡 , 用来 防止珍珠岩与内罐壁直接产生摩擦而损坏内罐 壁 。此外 , 由于侧面长期暴露在环境中 , 所以需 要考虑太阳辐射的影响 。 ( 3 ) 储罐顶部的绝热材料主要是安置在悬 浮甲板上的玻璃纤维毡 。对于顶部的传热 , 同样 需要考虑太阳辐射的影响 。
4 BS777 Flat - bottomed, Vertical, Cylindrical Storage Tanks for Low Temperature Service [ S ]. 5 NFPA 59A Standard Production Storage and Handing of L iquefied Nature Gas (LNG) - 2001 Edition [ S ]. (收稿日期 2009 - 11 - 03)
LNG领跑者(www.lng123.com) 邀您打造中国最权威、最专业的液化天然气行业技术论坛
2010, 20 ( 2 )
周永春等 LNG低温储罐绝热性能的探究
17
LNG低温储罐绝热性能的探究
周永春 刘 浩 中国石化集团上海工程有限公司 上海 200120
探讨 LNG低温储罐的绝热性能 , 详细分析影响 LNG低温储罐自然漏热量的各种因素 , 并给出 摘要 计算方法 , 为 LNG储罐的绝热保冷系统设计提供依据 。 漏热 低温储罐 BOG 关键词 LNG
侧面自然漏热量 :
Q侧 = q A侧 侧 ×
λ1
+
d2
λ2
+… +
dn
λn
( 7)
2 式中 , α为传热系数 , W / ( m ・ K) ; d1～n为不 同保冷层的厚度 , m; λ 1 ～n为不同保冷层的导热 系数 , W / (m ・K) 。 单位面积的传热量 :
式中 , Q侧 为侧面总自然漏热量 , W ; t1 为储罐 内介质温度 , ℃; t2 为外罐壁温度 , 分为有无太 阳辐射两种工况 , ℃。 通过对储罐三个不同部分的漏热量计算 , 最 后可以得到储罐总的自然漏热量 Q总 :
Q底 = q A底 底 ×
2
( 8)
由于考虑到太阳辐射的存在 , 以及辐射时间 的长短 , 以每天辐射时间 12h计算 , 并且储罐侧 壁的辐射面积取整个侧壁面积的 60% , 得到储 罐实际自然漏热量 Q实际 :
Q实际 =
( 3)
2
1 (Q + Q总无辐射 ) 2 总有辐射
[1] [2 ]
( 9)
111 底部自然漏热量计算
(% )
< 10000
≤0105
≤0108
≤0110
1 低温储罐绝热设计
外界热量漏入 LNG 低温储罐主要通过储罐 顶部 、侧面和底部 。对于大面积裸露区域 , 还应 考虑白天的太阳辐射因素 (以每天 12h 计算 ) 。 LNG低温储罐漏热示意见图 1。 本文以地上型的单包容 LNG 储罐为例 , 整 个储罐置于混凝土基础之上 , 为了防止混凝土在 低温下发生形变 , 故在基础内设电伴热系统 , 使 基础的温度不低于 5 ℃。
根据以上计算公式得到 30000m LNG储罐自 然漏热量的计算结果 , 见表 4。
Q总 = (12 × Q无辐射 + 12 × Q有辐射 ) /24 = 56028 W
最终得出蒸发量为 450kg / h。
(上接第 26 页 )
( 3 ) 压缩机的其他辅助设备分别露天布置 在厂房的前后 , 其中压缩机的入口分液罐 、各级 气液分离罐和冷却器均布置在压缩厂房与装置主 管廊间的空地 , 这样比较顺工艺流程 , 且不占用 厂房内的空间 , 油站布置在厂房后方 , 高位油箱 则悬挂于靠油站侧的厂房外 , 设置直爬梯可上其 平台 。 压缩厂房的布置全貌见图 5。
2 2 2
目前绝大部分大中型 LNG 低温储罐内外罐 之间填充的是珍珠岩 , 主要应用的公式如下 :
q 侧 =α 侧 ( t2 - t 1) = ( t2 - t1 ) d1 +… + dn
3 实例
以 30000m LNG单包容储罐为例 , 计算其自 然漏热量和每天的气化率 。
3
(6)
λ1
λn
Q顶 = q A顶 顶 ×
( 5)
2
式中 , q顶 为储罐顶部单位面积传热量 , W /m ; t1 为储罐液面上方 BOG气体温度 , ℃; t2 为储罐 吊顶上方气体温度 , 分为有无太阳辐射两种工 况 , ℃; λ 为玻 璃纤 维毛 毡层 的导 热系数 , W / (m ・℃) ; d 为玻璃纤维毛毡层的厚度 , m; Q顶 为顶部总自然漏热量 , W ; A顶 为储罐顶部绝热 层面积 , m 。 储罐液面上方 BOG气体温度根据实测数据 , 一般在 - 100 ℃左右 。外部环境会影响此数据 , 吊顶上方气体温度最好有实测数据 , 没有的情况 下 , 可用罐顶外部温度减去 20 ℃ 进行估算 。
58366600 - 2063。
总传热系数表达式 :
( 021 )
3 周永春 : 工程师 。 2005 年毕业于华东理工大学化学工程专业获硕士学位 。现从事化工工程设计工作 。联系电话 :
LNG领跑者(www.lng123.com) 邀您打造中国最权威、最专业的液化天然气行业技术论坛
2010, 20 ( 2 )
储罐的绝热保冷设计是符合要求的 。
储罐绝热保冷材料基础数据见表 3。
表 3 LN G 储罐绝热保冷材料基础数据
保冷材料 底部中心混凝土抹面层 底部中心泡沫玻璃 底部中心铝箔 底部支撑圈珍珠岩混凝土 底部支撑圈沥青层 顶部玻璃纤维毡 侧面珍珠岩 侧面纤维毡 导热系数 λ
(W / (m ・℃) ) 119 0104 017 01071 017 01037 01047 01037
Q t = (Q b + Q i + Q c + Q r ) Qb = ( 1 - α 吸 ) Qt Q i =α ( t2 - t1 )
储罐顶部的主要保温材料为玻璃纤维毛毡 层 , 主要应用公式如下 :
q 顶 ( t2 - t 顶 =α 1) =
λ
d
( t2 - t1 )
( 4)
( 10 )
顶部自然漏热量 :