摘要：日蒸发率是评价LNG储罐保冷性能的关键指标，对储罐蒸发率计算及调试技术研究有利于LNG储罐安全稳定运行及维护。通过对LNG全容储罐结构的研究分析，文章分别对罐顶漏热、罐壁漏热和罐底漏热进行计算分析，同时考虑太阳辐射温升对储罐蒸发率的影响，给出储罐蒸发率计算方法，并结合储罐蒸发率测试方法测试实际项目储罐蒸发率，对计算方法进行复核和验证。
关键词：LNG储罐,蒸发率,太阳辐射
0引言
LNG储罐作为储存LNG的大型关键容器，由于受到绝热材料性能的限制，罐内部分LNG会受热气化，如果漏热严重将会产生大量BOG，不仅增加了额外能耗，还将对储罐稳定运行带来巨大隐患。因此，对LNG储罐蒸发率进行研究对其正常安全稳定运行具有极其重要的意义[1-5]。受外界环境温度变化的影响，LNG储罐将通过空气对流和热传导方式进行热量传递，导致LNG储罐内BOG量增多，进而导致储罐压力上升。通常情况下，一般采用热平衡模型，根据储罐绝热结构，利用储罐各个区域的面积、保冷材料等参数计算出热量输入的量，再根据LNG介质的属性值计算出日蒸发率[6-7]。另外，储罐在投产后也需要进行蒸发率测试，验证储罐保冷性能是否能够达到设计及规范要求[8-10]。
1 LNG储罐结构分析
目前，LNG储罐可以同时收集泄漏的LNG和BOG，并且在外罐采用预应力混凝土钢筋结构，外罐的壁板通常为碳钢材质，内罐的壁板通常采用低温Ni9钢板，并且在内罐壁板外悬挂有3～4层100 mm厚的弹性毡，顶部铺设有12 000 mm厚(压缩后)的玻璃棉，在内罐顶外边缘不锈钢丝网外铺设玻璃布，以阻挡环形空间的膨胀珍珠岩。而在环形空间，通常通过珍珠岩填充口将膨胀珍珠岩填充到环形空间内，保证整个储罐内罐形成密闭的保冷空间。
2储罐蒸发率计算方法研究
2.1储罐蒸发率计算方法
LNG储罐的蒸发率通常是指静态日蒸发率，是指一天(24 h)内所蒸发液体质量与储罐原始LNG质量的比值，即：
式中：mzf为1 d内蒸发的液体质量(kg)；MLNG为储罐原LNG质量(满状态)(kg)。
2.2储罐结构漏热计算方法
根据传热学原理，储罐一天内总漏热量可以根据储罐保冷材料性能、储罐结构参数和储罐内外温度差值进行计算：
材料有效传热面积可以根据储罐内外罐结构参数计算获取。通常情况下，储罐外部温度指环境温度，一般采用极端最高温度，同时受太阳辐射所产生的温升影响，罐顶、罐壁和罐底温度也不尽相同，需要根据光热能量理论分别进行计算。储罐内部温度指储罐内LNG温度，即-165℃。有效传热系数由储罐材料厚度及对应的导热系数决定，由于储罐结构复杂，通常是多种材料进行组合得到的，故计算式为：
式中：λi为储罐保冷材料的导热系数(W/(m·K))；δi为储罐保冷材料的厚度(m)。
基于LNG储罐保冷结构，可对储罐罐底、储罐侧壁和储罐穹顶保冷结构分别进行分析计算。其中，罐底保冷结构包括中心区域、罐底环梁、罐底边缘部分，涉及混凝土承台、混凝土找平层、TCP下部混凝土、沥青毡、膨胀珍珠岩、Grade8和Grade24(或16)泡沫玻璃砖等。储罐侧壁保冷结构分为TCP上部保冷和TCP保冷，其中，TCP上部保冷结构涉及到混凝土外墙膨胀珍珠岩、弹性毡；TCP保冷结构还包括Grade8泡沫玻璃砖(阳面和阴面)。穹顶部分保冷结构涉及混凝土罐顶及玻璃棉。
2.3太阳辐射温升计算方法
太阳辐射至LNG储罐罐顶和罐壁时，将会通过吸收、传导和反射的方式使得温度升高，即辐射面热通量=吸收热量+表面传导-辐射热量，因此可得：
式(7)～式(9)中：ts为罐表温度(℃)；to为空气温度(℃)，项目实际应用中通常选取极端环境最高温度；α为辐射吸收系数，由被辐射表面的材质和颜色决定；It为单位时间内太阳辐射值(W/m2)；ε为反射系数，混凝土反射系数为0.95；ΔR为长波辐射值(W/m2)，通常水平方向长波辐射值约为63 W/m2，竖直方向长波辐射值为0；h0为储罐表面传热系数。
通过对储罐罐顶、罐壁、罐底漏热的计算，可以最终计算出LNG储罐静态蒸发率。通常情况下，可通过编程的方法编制一套储罐蒸发率计算软件，以提升计算效率和计算精度。
3储罐蒸发率测试方法探讨
3.1测试条件
通常情况下，BOG蒸发率测试在完成首船接卸30 d以后进行，以确保LNG储罐内部保温层及管道处于热平衡状态。测试时，应保证保冷循环LNG不进入储罐，测试液位接近高液位值，且在罐内低压泵停机后静置时间不少于4 d，其间不能进行卸船作业或加注气体。
在测试期间，LNG接收站BOG压缩机应处于正常工作状态，以保证储罐压力维持在恒定设计压力以内。测试人员需要通过储罐取样点完成取样分析工作，并将LNG实际组分数据用于蒸发率计算。
选择LNG储罐测温点共计13个，其中储罐外壁4个、穹顶外壁5个、罐底外壁4个，要求测温点分布均匀、方便测量。
3.2测试步骤
(1)检查确认
确认蒸发率测试所用到的仪表均已完成校核，所有测温点均已标记完成。LNG储罐液位处于高液位状态，并且完成罐内LNG取样分析。
(2)储罐隔离及静置
按照储罐蒸发率测试流程对现场阀位进行设置，调整BOG压缩机负荷，维持储罐气相空间压力平衡。储罐液位下降幅度稳定后完成静置作业。
(3)蒸发率测试
根据储罐仪表显示，每小时记录一次温度、液位数据，通常蒸发率连续测试时间以36～72 h为宜。
(4)阀位恢复
对低压泵进出口管线、卸船管线进行预冷和充压，按照隔离前的阀位状态进行设置恢复。
(5)蒸发率计算
将测试数据进行整理和分析，按照储罐蒸发率计算方法进行计算，测试值须满足标准规范要求。此外，针对储罐蒸发率计算过程，可以基于储罐基础结构编制相应程序软件，以便更准确快速计算出蒸发率结果。
4案例分析
以某地20万m3 LNG全容储罐为例，环境温度37℃,纯甲烷潜热505.96 kJ/kg，纯甲烷密度418.71 kg/m3，LNG温度-165℃。对储罐结构，内罐直径85 m，外罐内直径87 m，内罐高度42.72 m，穹顶高度13.227 m，穹顶半径87 m，TCP高度5 m，吊顶直径83 m，吊杆数量500个，底部中心直径84 m，底部环梁直径86 m。
基于本文计算方法编制计算软件，经输入基本参数及保冷材料参数，可以得到储罐各个区域漏热以及BOG蒸发率，如图1所示。
由图1可知，LNG储罐顶部、储罐罐壁和储罐罐底漏热占比分别约为15%、41%和44%，储罐总日蒸发率为0.046%，此计算结果与现场实际测试计算值(0.045%)基本一致，满足标准规范不超过0.05%的要求。
根据储罐不同结构位置漏热情况，通过合理设计关键保冷材料结构，包括罐顶玻璃棉、罐壁弹性毡、膨胀珍珠岩、罐底泡沫玻璃砖(Grade8&Grade24)，可以对储罐整体保冷系统进行优化设计，同时结合各种材料费用和施工费用，最终达到降低储罐蒸发率和储罐整体成本的效果。
5结语
本文以LNG储罐结构为基础，重点结合太阳辐射温升对储罐蒸发率的影响，分别对储罐罐顶、罐壁和罐底漏热进行分析，得出蒸发率计算方法，并对储罐蒸发率现场测试方法进行探讨，通过工程项目案例分析，验证了计算方法的可靠性，对其他LNG储罐项目推广应用具有一定参考意义。
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