一種零放散LNG罐箱的設計研究

張小雪， 唐曉偉， 汪 洋， 王海衛(wèi)， 張 健

(1.華港集團(上海)石油天然氣有限公司，上海200120；2.江蘇鼎程新能源科技有限公司，江蘇南通226000)

1 概述

LNG罐箱作為LNG運輸和儲存的主要設備之一[1]，在LNG產業(yè)鏈中占據重要位置[2-3]。一般情況下，由于LNG的低溫特性和罐箱隔熱材料的局限性[4-6]，LNG罐箱在運輸和儲存過程中會因熱傳導、熱對流和熱輻射導致罐箱壓力上升[7-10]，當超過限值時，為保證運輸安全，多采用放散方式降低罐箱壓力，通過安全閥將BOG放散到大氣環(huán)境中。此種處理方式，一方面造成能源的浪費，另一方面也會增加氣體排放過程中的危險，同時造成環(huán)境污染。

為解決LNG罐箱的BOG放散問題，我們提出以大功率斯特林制冷機為冷源，對現有罐箱進行改造，研制出了一種零放散的LNG罐箱。本文分別對罐箱在有無制冷機情況下壓力隨時間的變化進行了計算，同時對零放散罐箱的經濟效益進行了分析。

2 零放散LNG罐箱的設計

2.1 罐箱和制冷機參數

零放散LNG罐箱主要包括罐箱和大功率斯特林制冷機，此設計選用的LNG罐箱和制冷機技術參數分別見表1、2。

表1 LNG罐箱技術參數

表2 制冷機技術參數

2.2 結構與原理

零放散LNG罐箱的結構見圖1，包括罐箱框架、LNG儲罐、制冷裝置、散熱系統。通過在LNG儲罐的頂端設置制冷裝置，制冷裝置的冷端位于儲罐內部，熱端位于儲罐外部，通過冷端的不斷制冷以維持儲罐低溫狀態(tài)，同時儲罐中產生的BOG遇制冷裝置冷端后降溫液化，依靠重力作用沿冷端下的鋁制散熱板回流，從而實現LNG的零放散。

圖1 零放散LNG罐箱的結構1.制冷裝置 2.散熱系統 3.鋁制散熱板 4.制冷裝置的熱端5.制冷裝置的冷端

3 零放散LNG罐箱的計算

3.1 不啟動制冷機時罐箱升壓計算

受外界環(huán)境影響，罐箱內逐漸產生BOG，導致罐箱壓力上升。計算罐箱的升壓過程，符合以下假設[11-12]：罐箱吸收的熱量全部來自環(huán)境熱傳遞，熱輻射忽略不計，傳熱熱流量計算中對流換熱熱阻忽略不計；環(huán)境溫度取江蘇南通四季平均溫度，具體見表3；罐箱兩側熱傳導符合多層平壁熱傳導規(guī)律，罐箱的圓筒段熱傳遞符合多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導規(guī)律；罐箱中的LNG與BOG溫度、壓力相等，均處于飽和相態(tài)。LNG取中石油江蘇如東LNG接收站的LNG組成，見表4。LNG溫度為-156 ℃。

表3 江蘇南通的四季平均溫度

表4 LNG組成

① 罐箱吸收熱量計算

如前所述，假設罐箱內容器與環(huán)境的熱傳遞符合多層平壁熱傳導和多層圓筒壁穩(wěn)定熱傳導規(guī)律，則計算公式[13]分別為：

(1)

(2)

Φ=Φ1+Φ2

(3)

式中Φ1——環(huán)境通過罐箱兩個封頭向罐箱傳遞的熱流量，W

θn——環(huán)境溫度，℃

θ1——罐箱內LNG的溫度，℃

n——罐箱的材料層數

δi——第i層罐箱材料的厚度，m

λi——第i層罐箱材料的熱導率，W/(m·K)

A——罐箱兩個橢圓封頭的傳熱面積，m2

Φ2——環(huán)境通過罐箱圓筒段向罐箱傳遞的熱流量，W

L——罐箱圓筒段長度，m

di——第i層罐箱材料的圓筒段外直徑，m

di-1——第i-1層罐箱材料的圓筒段外直徑，m

Φ——環(huán)境向罐箱熱傳遞的熱流量，W

假設儲罐封頭為橢圓標準封頭，每個橢圓封頭表面積計算公式[4]為：

(4)

式中A1——罐箱每個橢圓封頭表面積，m2

df——罐箱橢圓封頭外直徑，m

假設每天日間和夜間的時間各12 h，則儲罐每天吸收的熱量計算結果見表5，儲罐全天吸收的熱量為17 745.88 kJ。

表5 儲罐每天吸收的熱量計算結果

② 罐箱儲罐升壓情況計算

假設罐箱的初始充裝率為0.9，利用PROⅡ軟件模擬計算得到罐箱內LNG的不同壓力所對應的溫度和焓值，計算得到單位壓力變化所對應的焓值變化及所需時間，同時繪制充裝率為0.9時罐箱的溫度-時間曲線和壓力-時間曲線，見圖2。

圖2 充裝率為0.9時罐箱的溫度-時間曲線和壓力-時間曲線

由圖2可以看出，隨著時間的推移，罐箱內溫度和壓力會逐漸上升，罐箱初始充裝率為0.9時，經過114 d罐箱內壓力會升高至罐箱的設計壓力0.79 MPa，如果壓力進一步增加，罐箱上的安全閥會自動開啟，釋放壓力，保證罐箱內壓力不高于設計壓力。

3.2 啟動制冷機時罐箱升壓計算

根據3.1節(jié)計算可知，罐箱儲罐平均吸收熱流量為205 W，為達到零放散的目的，每個罐箱選用2臺大功率斯特林制冷機，制冷量為400 W。

理想狀態(tài)下，假設制冷機冷損為零，即制冷機冷端產生的所有冷量均被飽和狀態(tài)下的LNG與BOG吸收，此時罐箱中的BOG既要吸收外界環(huán)境熱傳導的熱量，又要吸收制冷機的冷量。假設制冷機產生的冷量優(yōu)先用于中和環(huán)境熱傳遞的熱量，剩余冷量全部被LNG與BOG吸收。利用PROⅡ軟件可以計算出不同壓力條件下儲罐中LNG與BOG的焓值變化，可進一步計算出開啟制冷機條件下罐箱儲罐的壓力-時間曲線，假定制冷機的啟動壓力為0.79 MPa，停機壓力為0.70 MPa，罐箱的初始充裝率為0.9，得到此時罐箱的壓力-時間曲線，見圖3。

圖3 啟動制冷機后罐箱的壓力-時間曲線

由圖3可以看出，未啟動制冷機情況下，隨著時間增加，罐箱儲罐的壓力呈近似指數增長的趨勢，制冷機啟動后，罐箱壓力呈規(guī)律波動，每一個壓力升降周期約為19 d，其中壓力從0.79 MPa下降至0.70 MPa所需時間為10 d，壓力從0.70 MPa上升至0.79 MPa所需時間為9 d，如此循環(huán)。

3.3 罐箱升壓的影響因素分析

① 制冷機停機壓力對罐箱升壓速度的影響

參照3.2節(jié)的假設及計算方法，分別計算罐箱初始充裝率為0.9，制冷機啟動壓力為0.79 MPa時，停機壓力分別為0.75、0.70、0.60、0.50、0.40 MPa時罐箱的升壓情況，繪制罐箱壓力-時間曲線，見圖4。由圖4可以看出，當啟動壓力相同，不同停機壓力下，罐箱壓力均會周期性變化，啟停壓差越小，罐箱壓力的變化周期越短。

圖4 制冷機相同啟動壓力、不同停機壓力時罐箱的壓力-時間曲線

進一步繪制不同停機壓力下(啟動壓力為0.79 MPa)，在一個壓力變化周期內，罐箱壓力的升壓時間、降壓時間、制冷機運轉時間占比的對比圖，見圖5。由圖5可以看出，不同停機壓力下，在一個壓力變化周期內，隨停機壓力的減小，升壓時間和降壓時間均增加，制冷機運轉時間占整個壓力變化周期的比例先減小后增大。在啟、停壓力為0.79、0.70 MPa時，一個壓力變化周期內，制冷機運轉時間占比最小，制冷機運轉更為節(jié)能。

圖5 制冷機不同停機壓力下，一個壓力變化周期內罐箱壓力的升、降壓時間和運轉時間占比

② 初始充裝率對罐箱升壓速度的影響

參照3.2節(jié)的假設及計算方法，計算制冷機啟、停壓力為0.79、0.70 MPa時，罐箱初始充裝率分別為0.6、0.7、0.8、0.9時罐箱的升壓情況，繪制罐箱壓力-時間曲線，見圖6。由圖6可以看出，初始充裝率越大，罐箱的升壓速度越慢，制冷機的啟停周期越長。

圖6 不同初始充裝率時罐箱的壓力-時間曲線

3.4 零放散LNG罐箱的經濟性分析

① 罐箱改造總費用

每個零放散LNG罐箱安裝斯特林制冷機2臺，每臺制冷機費用4×104元，每個罐箱改造費用1×104元，則每個罐箱的改造總費用為9×104元。

② BOG回收效益

理想狀態(tài)下，假設罐箱吸收的環(huán)境熱量均被飽和狀態(tài)下的LNG吸收，氣化為BOG。罐箱壓力達到設計壓力時即開啟安全閥放散，利用PROⅡ軟件，計算罐箱初始充裝率為0.9，壓力達到0.79 MPa時，罐箱中LNG的氣化潛熱為406.13 kJ/kg。根據前述計算可知，罐箱全天吸收熱量約為17 745.88 kJ，則平均每天罐箱放散的BOG質量為43.7 kg，即該罐箱平均每天回收的LNG質量為43.7 kg。取2018年江蘇如東LNG接收站的LNG平均零售價格為5.2 元/kg，則每天回收效益為227.24元/d。

③ 零放散罐箱運行費用

假設該罐箱的制冷機啟、停壓力為0.79、0.70 MPa，此時罐箱的一個壓力升降周期為19 d，其中降壓10 d，即制冷機運行10 d，則一個周期內制冷機平均每天的運行時間為0.53 d，取電費為0.7 元/(kW·h)，每臺制冷機功率為800 W，則2臺制冷機平均每天運行的電費為14.25 元/d。

④ 零放散罐箱改造的靜態(tài)投資回收期

靜態(tài)投資回收期是在不考慮資金時間價值的條件下，以項目的凈收益回收其全部投資所需要的時間。

零放散罐箱改造的總費用為9×104元，改造投產后每天的凈收益為每天的BOG回收效益扣除制冷機運行電費，即212.99元/d，則零放散罐箱改造項目的靜態(tài)投資回收期為423 d。后期運行每年的凈收益約為7.77×104元/a。

4 結論

① 應用制冷機的LNG罐箱能有效實現BOG液化回收，避免BOG放散。

② 當不啟動制冷機時，隨著時間的推移，罐箱內溫度和壓力逐漸上升。當啟動制冷機后，罐箱壓力呈先降后升的周期性波動。

③ 當啟動壓力相同時，不同停機壓力下，罐箱壓力均會周期性變化，啟停壓差越小，罐箱壓力的變化周期越短。在制冷機啟、停壓力為0.79、0.70 MPa時運行成本最低。初始充裝率越大，罐箱的升壓速度越慢，制冷機的啟停周期越長。

④ 該零放散罐箱改造項目的靜態(tài)投資回收期為423 d，后期運行每年的凈收益約為7.77×104元/a。