LNG储罐综述

低温储罐综述

LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然气的英文缩写。天然气是在气田中自然开采出来的可燃气体，主要成分由甲烷组成。LNG是通过在常压下气态的天然气冷却至-162℃，使之凝结成液体。天然气液化后可以大大节约储运空间和成本，而且具有热值大、性能高等特点。

LNG是一种清洁、高效的能源。由于进口LNG有助于能源消费国实现能源供应多元化、保障能源安全，而出口LNG有助于天然气生产国有效开发天然气资源、增加外汇收入、促进国民经济发展，因而LNG贸易正成为全球能源市场的新热点。

天然气作为清洁能源越来越受到青睐，很多国家都将LNG列为首选燃料，天然气在能源供应中的比例迅速增加。液化天然气正以每年约12%的高速增长，成为全球增长最迅猛的能源行业之一。近年来全球LNG的生产和贸易日趋活跃，LNG已成为稀缺清洁资源，正在成为世界油气工业新的热点。为保证能源供应多元化和改善能源消费结构，一些能源消费大国越来越重视LNG的引进，日本、韩国、美国、欧洲都在大规模兴建LNG接收站。国际大石油公司也纷纷将其新的利润增长点转向LNG业务，LNG将成为石油之后下一个全球争夺的热门能源商品。

中国天然气利用极为不平衡，天然气在中国能源中的比重很小。从中国的天然气发展形势来看，天然气资源有限，天然气产量远远小于需求，供需缺口越来越大。尽管还没有形成规模，但是LNG的特点决定LNG发展非常迅速。可以预见，在未来10-20年的时间内，LNG将成为中国天然气市场的主力军。2007年中国进口291万吨LNG，2007年进口量是2006年进口量的3倍多。2008年1-12月，中国液化天然气进口总量为3,336,405吨。2009年1-12月，中国液化天然气进口总量为5,531,795吨。

在中国经济持续快速发展的同时，为保障经济的能源动力却极度紧缺。中

国的能源结构以煤炭为主，石油、天然气只占到很小的比例，远远低于世界平均水平。随着国家对能源需求的不断增长，引进LNG将对优化中国的能源结构，有效解决能源供应安全、生态环境保护的双重问题，实现经济和社会的可持续发展发挥重要作用。

中国对LNG产业的发展越来越重视，中国正在规划和实施的沿海LNG项目有：广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、辽宁等，这些项目将最终构成一个沿海LNG接收站与输送管网。

按照中国的LNG使用计划，2020年国内生产能力将达到2400亿立方米。而在进口天然气方面，发改委预计到2020年，中国要进口350亿立方米，相当于2500万吨/年，是广东省接收站的总量的7倍。

众所周知, 低温绝热储运容器是以保存低温液化气体的方式来储运气体的, 这种方式与用高压液化气体和高压压缩气体的方式比较, 具有储运压力低、安全性高、储运量大的特点。近年来随着国内气体市场的迅猛发展, 国家在低温绝热压力容器的安全技术方面也提出了更高的要求, 在2009 年版的《固定式压力容器安全技术监察规程》中, 将几何容积大于5m3的低温储存容器划归到第三类压力容器的安全监察范围。

CF、ZCF型低温液体贮槽采用双层壁真空粉末绝热，用于液氧、液氮，液氩等低温液体贮存。它取代了传统的气体高压贮存方式，具有效率高、安全可靠、介质不受污染、操作方便等许多优点。

1.1 低温液体贮运的概述

随着国民经济的快速发展，低温技术的普及和应用，低温液体的应用日趋广泛，如液氢、液氧、液氮、液氩、液氦、液化天然气等，低温液体的产生、低温液体的应用与研究，都需要低温液体的贮存与输送。许多重要的科研项目都需要在低温环境下迸行。各行各业对贮存和输送低温液体的低温容器的需求不断增长，尤其在工业、农业、国防科研和医疗方面更为明显。

由于低温液体的沸点低、汽化潜热小，获得低温液化气体需要付出较大的代价，因此低温液体的有效贮存与运输具有重要的经济价值。在低温技术的应用中，往往存在下面所述情况：

(1)集中生产，然后分配到各用户，例如液氧、液氮、液氩、液化天然气、液化石油气及液氦的集中生产与分配；

(2)短期生产的产品供较长时间使用，例如许多试验单位和医疗单位自备液氧机生产液氧的情况；

(3)较长时间的生产，供短期大量集中使用，例如大型低温试验或进行火箭发射时，均是采用这种方法提供液氦、液氢、液氧、液氮的。

为了适应以上的情况，必须进行低温液体的有效贮运，就是对于使用气体的部门，如果采用液体运输，也是比较经济的。例如一台3650 L的液氧贮槽所贮存的液氧。其总重量不超过1250kg，若气体贮运，需500只钢瓶，重量35500kg。又如一只175L的带汽化器的液氧贮槽，装在一辆小车上，携带方便，可代替20只氧气钢瓶供焊接使用。总之，几乎所有使用低温的场合，都离不开低温液体的贮运，自然也离不开贮存低温液体的设备。因此，低温液体的贮运是低温工程中一项最基本的工作，也是低温技术中近30年来发展最快的一项技术。

伴随低温液体贮运的发展，低温容器的绝热技术日趋完善。要保持低温液体的贮运以及低温制冷的温度等，都必须对低温环境采取绝热措施，只有在绝

热条件下才能够保持低温。通过绝燕，可以减少气化损失，或为长时间及远距离运送低温液体创造条件。

低温绝热方法可以分为普通绝热和真空绝热两大类：

(1)普通绝热是一种使用较早的传统的绝热方法，它是在设备、容器、管道的外侧敷设固体多孔性绝热材料，在绝热材料的空隙中充满着大气压力下的空气或其他气体；

(2)真空绝热有三种基本类型：高真空绝热，真空粉末绝热及真空多层绝热。自1890年杜瓦发明了杜瓦容器以来，低温容器的绝热性能有了很大的提高，从那以后所有的改进都是在杜瓦原先的概念上进行的，通常都是采用高反射率的表面或一个可以反射和遮挡辐射能量的中间屏来减少辐射传热的。真空粉末绝热是1910年以后出现的，而多层绝热的发展是最近三十年来的事情。现在低温绝热技术的发展已达到相当完善的程度，例如多层绝热的发展使液氦的输送发生了根本性变化，已可以实现三十天无损耗的陆上和海上运输。绝热结构的绝热性能可用其有效导热系数(或称表观导热系数，包括对流及辐射在内)来评定，它的数值越小，则绝热性能越好，图1．1示出各种绝热方式有效导热系数的变化范围。可以看出，真空多层绝热的效果最好。目前各种低温绝热技术已很成熟地应用于大、中、小型低温液体贮槽上。

随着低温液体的贮运迅猛发展，对低温容器的使用技术要求也越来越高。短短的几年时间，国内发展了许多生产厂家，但产品的使用情况尚不尽人意。国外同类产品说明书都配有储槽性能资料，例如关于贮存时间的升压曲线和升温曲线充满率和贮存时间，在保证安全的同时又保证最佳的经济性。而我国的生产企业和产品都未能做到这一点。

图 1.1 各种绝热方式有效导热系数的变化范围

Fig 1.1 variation ranges of effective heat conduction coefficients

1.2 国内外在粉末绝热方面的研究与发展现状

对于贵重、高纯度液化气体、易燃易爆液化气体以及罐车运输液化气体，为了保证经济性、安全性以及保证气体适用时的高纯度，必须采用无损(无排放)贮存。低温液体的无损贮存涉及到传热学、热力学、流体力学及压力容器等许多领域，很多学者从不同的方面进行过研究，有待进一步改进和完善。

1.2.1 国外研究现状

C．L．Tien等人对低温贮存过程中热传递机制进行了研究和分析。 Yu．A．Kirichenko和Zh．A．Suprunova考虑到系统内部热动力状态的改变，利用相似理论求解得到了描述传热流动过程中的使用关联式。

P．Kournetan发展了一个存在外热源的情况下，预测低温容器内液体性质变化的模型。该模型较为全面的考虑了热传递机制，计算结果较为接近实验数据，且能够预估给定条件下的无损贮存时间。C．M．Yu和N．U．Aydemirn对部分充满低温液体的卧式筒形贮罐和球罐在均匀外部受热作用下的热力响应做了分析。S．Gursun从热力学的角度提出了一个预测容器内压力变化的“等温\"模型，该模型思路简单清晰，且算法容易实现。对处于热力饱和状态的低温液体，漏入的热量能准确地预计。Q．S．Chen等人对车载LNG燃料罐内的压力变化和漏热进行了分析计算。加拿大学者Y．Rotenbergn提出了一个模拟小尺寸系统无

损存储过程的模型，利用能量守恒建立了传热过程的微分方程式以及描述容器内热力过程的微分方程式，但模型数值化后的计算结果与实验值有一定的偏差。C．Beduz、R．Rebiai和R．G．Scurlock等人对低温贮存过程中因为液体大量汽化导致罐内压力急剧上升的情况做了探讨。Neff指出密闭容器中压力的上升是低温安全贮液所面临的一个关键问题。并且实验证明了容器中的实际压力大于基于平均液体温度而计算的压力。Scrott等人研究了一个小型不锈钢液氦杜瓦瓶中温度的分布情况。Swim和Schmidt研究了容器中液体的自增压，通过不同的分析方法比较了实验得到的结果。

1.2.2国内研究现状

国内科研工作者在低温绝热方面也做了大量的研究，其中汪荣顺教授编制了真空粉末型绝热容器漏热量的计算程序，以6.5m3低温容器为例进行了传热计算|。汪顺华教授分析了低温液体存储时的传热规律，得出了反映贮罐内温度变化的微分方程式，利用数值差分法求解出了贮罐内液体的温度和压力的变化规律。徐烈教授提出了低温容器贮运最佳充满率的概念。给出了无损贮存的低温容器中压力升高和充满率的关系图。潘俊兴工程师通过对闭口低温容器内升压速度的研究，得出了保压状态下容器内温度、压力变化与时间的关系。顾安忠教授模拟分析了低温液体的热分层现象，并通过对比各种实验条件，得出了低温介质热分层设计计算方法。陈国邦教授针对无损贮存过程中的漏热问题进行了研究分析，给出了低温绝热过程中漏入热量的方式及计算公式。

2.1 低温结构设计

2.1.1 加液系统

加液分为上进液和下进液，有快速接头CN-1和一个四通接头分别连上进液阀V3和下进液阀V2，有管子和过渡接头连到内筒体。

管子选用φ28×2和φ45×3.5的。

2.1.2 排液系统

阀门V6可以直接排液，由筒体的下部接入；管子选用φ45×3.5的。V6选用32gDA25C，规格为DN40PN4.0。

2.1.3 真空度测量系统

VR真空硅管，用来测量贮罐夹层的真空度，与夹层的抽空管相连。当真空层的真空度大于3Pa时应重新对夹层进行抽空，以保证夹层的真空度，提高绝热效果。

2.1.4 夹层抽真空系统

VV抽空阀，选用CF-40其中DN为40，作用为抽空，当真空度达到要求时，关闭VV，使夹层真空度得以保持。

2.1.5 液位测量系统

由两条管路分别从筒体的上下两个部位引出，顶部为气相，下部为液相，由液位计阀连在一起。L1液位计阀PS×Z-1，气相连着压力表阀和压力表，液位计量程为0～6m水柱。

2.1.6 测满口

由设定的液面来安装管路，当液面达到设定值时，由管子向下流向测满阀MV，当充液时，此阀门打开，直到有液体流出时表示罐已充满，关闭此阀，选用32gDA10C的阀门，规格：DN20PN4.0。

2.1.7 自增压系统

由增压阀V1连到增压器PBC-1，它选用CFB03-00，将罐内流下的部分液体气化后，通入内罐，使罐内的压力升高，液体在压力作用下排出。

2.1.8 气体放空系统

当容器顶部压力升高时，由管路排出气体，经过放空阀E1，然后到一个单向阀CV，因为气体只能往外走，防止气体回流。因此，只能用单向阀，然后连接阻火器，因为气体放出和空气接触，有可能出现火花。阻火器就是为了防止火花随气体进入内罐而产生明火，引起爆炸。

2.2 贮罐各部分结构组成设计

2.2.1 基本结构介绍

液化天然气储罐的基本结构如图2.1所示。

图2.1LNG储罐的基本结构

天然气储罐的基本结构如图2.1所示，外管路及操作系统置于罐的下部，内筒体用来盛液化天然气,与其相连的各种管路通过夹层空间延伸到外管路系统。外筒体一方面与内筒体构成密闭的真空夹层绝热空间，同时对内筒体起保护和支承作用。内筒体与外筒体之间的支承采用绝热性能良好的玻璃钢材料，用于支持内筒体的轴向和径向载荷。以保证内筒体的稳定工作。 2.2.2贮罐工作流程原理

LNG贮罐的工作流程原理如图2.1所示。底部设有加排系统、自增压系统、安全系统、液面高度及压力指示系统。当向罐内加注液体时，打开上下进液阀V7、V2，并打开排气管路系统。液面经加液口a进入罐内，由液位计LI-1读出液位高度，当测满口c有液体流出时，结束加注。当需要排液时，打开自增压力系统，贮罐将保持稳压排液，液体由排液口流出，也可通过b口由低温泵将液体排出。

2.2.3低温容器的绝热结构设计

低温绝热的目的是设法减少通过对流，导热、辐射等途径漏入低温设备的热量，以维护低温装置能正常工作。

低温绝热和高温“保温”，虽然原理相同，但低温绝热在低温领域内有着特别重要的作用。首先，作为制冷的低温液体，沸点很低，汽化潜热小，室温环境相对于液体来说是一个很大的热源，另外为了获得这些低温液体，需要消耗很多的能量。因此，为了经济的获得这些低温液体，贮运和使用这些低温液体，必须有良好的绝热。

图 2.1LNG贮槽流程图

低温绝热可分为四种类型： 1、堆积绝热（容积绝热）； 2、高真空绝热； 3、真空-粉末绝热；

4、高真空多层绝热（包含多屏绝热。 下面以真空粉末绝热来说明。

这种绝热结构式是在绝热空间充填多孔性绝热材料（粉末或纤维），再将绝热空间抽到一定的真空度。研究与分析表明在绝热空间填充多孔粉末和纤维，只要在低真空的情况下，就可以使气体分子的平均自由程大于粉末粒子（或纤维）之间的间距，从而就可以消除气体的对流传热。而残余气体的热传导，也因为气压降低而显著下降。另外，由于多孔性材料对热射线的反射与吸收(包含散射)，也起到了削弱辐射传热的作用。特别是添加一定数量的阻光材料（铜粉或铝粉）后，更有利于减少辐射传热。由于上述几种因素，这种绝热型式的绝热性能，比单纯高真空绝热的更好，而且避免了获得和保持高真空所带来的许多困难。

影响绝热效果的因素除真空度外，还有粉末的粒度；容重、添加剂的种类与数量、界面温度等。真空-粉末（或纤维）绝热的优点是：绝热性能好，优于堆积绝热二个数量级，优于高真空绝热一个数量级，而且真空度要求不高，一般为1～0.1Pa即可。这种绝热的缺点是：要求夹层间距大，笨重。适用于大、中型低温贮槽和设备。

2.2.4 焊接结构的设计

低温容器一般都处于高真空、深低温的条件下工作，因此，对焊缝的气密性要求很高。根据构件的不同情况，合理选择焊接的形式是焊接结构设计中最主要的内容之一。

焊接结构设计的一般原则：

1、首先考虑接头的工作介质和工作条件，例如温度、振动、疲劳和腐蚀性等，以保证有足够的强度和气密性。

2、大型构件应尽可能减少焊接预热和焊后热处理工作。

3、尽量设法减少焊接件的变形和应力，如不同厚度的材料焊接时，尽量采用等厚度的接头形式（图2.2 b）。尽可能减少焊后加工工作量。

4、焊接方法应尽可能采用先进的半自动焊或自动焊。焊缝也应尽可能采用直线、圆形或其他规则的形状。

5、光洁度有严格要求的焊缝（如焊后不允许在加工的法兰密封面），设计时应考虑使焊缝避开有光洁度要求的位置。否则焊缝中偶尔存在的气孔、夹渣等缺陷，将导致整个工件报废。

6、焊接接头的连接，尽可能采用有较高静载荷及疲劳强度的型式（图2.2 b）避免采用图2.2 a所示的型式。

7、避免焊缝过于集中，减少应力集中和接头变形，最后采用图2.2 b,避免采用图2.2 a所示的型式。

8、两种膨胀系数不同的材料焊接时，为避免在低温下由于热胀冷缩程度不同而引起泄露，常把线膨胀系数大的材料包在外面。

9、应用在真空环境的焊接，其焊后的死角应在背离真空的一面，基体结构如图2.3。

为保证真空性能焊缝应尽可能处在真空内侧，以避免不利于抽空的“死空间”并严格禁止内外侧同时有焊缝的结构，但外层为进行定位和加固，可进行间断焊。

abc

图 2.2 接头连接形式

对焊大气搭接大气真空真空T性形接大气真空角形接真空大气

图2.3 真空环境下的几种焊接结构

2.2.5低温下的密封结构设计

低温容器中，为满足使用和检查的要求，常用到许多密封结构，大致可分成四大类：

1、低温静密封，往往与真空相关联，成为真空下的低温密封； 2、动密封，一些运动零部件之间的密封； 3、低温容器的窗口密封； 4、引线密封。

以上四种密封有的仅用在低温下，有的用在低温真空下。由于低温下材料的许多物性变化很大，如热胀冷缩、低温下变硬变脆等问题，会导致密封比压大大降低或完全消失。为此，低温下密封结构的设计，是低温容器设计中一项特殊的工作。

2.2.6低温液体运输管道设计

真空绝热管道适用于长时间连续输送液氮、液氧、液氢和液氦等。绝热空间的真空度优于0.01Pa，内、外管径之比为2~2.8。

各类真空型输液管基本上采用套管式的结构。外管常用铜管或不锈钢，内管常用不锈钢管。每隔一定的距离，要给内管加一个支承结构。支承结构常有三角形、正方形或球形等。

真空绝热输液管的冷缩补偿非常重要，一般金属管从室温到液氮温度约收缩2.9mm，到液氦温度约收缩3mm。常用波纹管补偿温度变形，或用特别低膨胀率的材料制作。

真空绝热输液管道冷耗少，预冷量也小，是最广泛使用一种输液管。

2.2.6．1低温液体泵

低温液体泵是用来输送低温液体，并提高其压力的机械。设计中注意事项： 1、为保证零件在低温下冷收缩，其结构应对称；

2、泵的进、出口管路必须-设有冷收缩的补偿，如金属波纹管等； 3、常温区和低温区之间的连接件选用低热导率的材料制造，以减少导热损失；

4、尽可能地减少低温区工作的零部件的热容量，以减少液体的汽化损失，缩短起动时间；

5、在低温工作且有相对运动的零件，应尽可能地选择线膨胀系数相接近的材料来制造；包括零件的线膨胀系数小于或等于被包括零件的线膨胀系数，以防止冷收缩时产生卡死现象；

6、对在低温下工作的重要零件，特别是那些配合要求很严格的运动零件在进行最后一道精加工之前，必须作冷处理。冷处理温度一般应低于或等于工作温度，处理时间为1至4h；

7、为防止低温液体的气化，特别要注意泵体及进口管道的绝热。一般用珠光砂或发泡材料，对温度很低的液氢泵和液氦本则采用真空绝热；

8、密封是低温泵设计中的关键问题之一。泵的密封采用封闭式或轴封式。轴封式有三种类型:机械密封、迷宫密封和填料函密封。对于低温液氧贮槽的低温泵，常采用机械密封。

2.2.6．2阀门

在低温液体的贮存与输送中，阀门是必可少的部件之一。本设计中所用到有低温阀、真空阀、防爆阀等。

低温阀用于气体液化与分离装置，低温液体的输送管道。在结果设计、材料选择和制作方面都有些特殊的要求：

1、为了减少阀杆的漏热，采用加长阀杆或将阀杆分成两段的方法； 2、设有防止异常升压的结构。对于弹性闸板的闸阀和进、出口端密封的固定式球阀，要在板或球的高压侧钻一孔或在阀体上装安全阀，以防积存在泵体内的低温液体突然气化而升压；

3、对于工作温度很低的阀，应该用真空绝热，以减少冷损； 4、低温阀的材料一般选用奥氏体不锈钢、铝合金或、铜合金等； 5、为了减少温度变形，应在精加工前，对影响低温密封性能的零件进行冷处理，冷处理的温度应低于或等于工作温度；

6、生产过程中应严格工艺要求进行加工，产品进行严格的检查 3. 结束语

结合国内已有的液氧低温液体高真空粉末绝热贮罐设计经验，来进行高真空粉末绝热LO2贮罐的设计。在流程和结构的设计上，充分考虑技术先进性和设备整体的安全、可靠性，并对高真空粉末绝热的总漏热进行了分析，对所设计的贮罐进行了热力性能的校核，尽可能使设计的高真空粉末绝热LO2贮罐达到最优。但在实际的设计过程中可能存在一些问题，还有待进一步改进。

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