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中小型LNG立式储罐设计


中小型LNG立式储罐设计 中小型LNG立式储罐设计 LNG

双击自动滚屏 中小型LNG立式储罐设计 张 杰 毛雪东 王明富 周凯崧 (北京航天发射技术研究所 北京 100076)

作者:张 杰 毛雪东 王明富 周凯崧 【字体:大 中 小】

摘 要:从总体和局部结构、设计计算以及工程图纸等几个方面对LNG立式储罐的设计进行了介绍,总结了一些相关方面的设计要 点和注意事项,并对低温LNG立式储罐的设计和当前研究热点做了一定展望。 关键词:LNG储罐;设计计算;应力分析;结构设计 中图分类号:TE626.7 1 概述 天然气作为一种新兴燃料,其主要成分是甲烷,由于燃烧后对空气的污染非常小,而且燃烧热值大,被公认是地球上最干净的能源。 LNG(Liquefied Natural Gas,液化天然气)是将天然气净化深冷液化而成的液体,其体积约为气态时体积的 1/600。液化了的天然气更有利于进行远距离运输、储存,使天然气的应用方式更灵活、范围更广。尤其是在工业中心和人口稠密 地区,LNG的应用更具优越性,LNG也被称为最有前景的能源,日本等一些国家已将其作为进口能源的主要形式。 目前,LNG工业相关技术发展已经十分成熟,已形成稳定可靠的LNG工业链(见图1)。LNG工业链中无论是LNG液化工厂到 装船海运,还是LNG接收站到各中转站(LNG加注站或汽化站),基本都离不开低温储存设备—LNG储罐(槽)。虽然压力容器 在总体结构设计和技术实现方面已经非常成熟,但是在具体的设计计算和局部结构等细节方面还是有一些值得总结的地方,特别是LN G的低温、易燃易爆等危险性,决定了设计储存设备时考虑要更全面,笔者就此对用于储存LNG的立式储罐(中小型)在设计中经常 碰到的问题和容易忽视的细节作一个归纳,以期对相关设计有所帮助。 2 总体结构 2.1 外形 考虑到单位容积的表面积较小,能节省材料;在预冷时能减少冷量损失等优点,低温容器一般做成球形或者圆筒形。从制造工艺方面 考虑,球形只适用于杜瓦瓶和大型固定式储槽,因此中小型LNG贮罐选用圆筒形,外容器两端封头用碟形封头,内容器两端封头用椭 圆形封头,具体结构如图2所示。 2.2 材料选用 选用金属材料时应考虑材料在低温深冷条件下的强度和韧性, 内容器还须同时考虑材料与液化天然气的相容性。 奥氏体不锈钢0Cr 18Ni9(304)在低温条件下有较好的韧性和强度性能,且与天然气能很好相容,因此内容器和管路均可选用;外容器由于在常 温和真空条件下工作,故可选用质优价廉的碳钢。 2.3 绝热方式及材料选用 绝热方式和材料在选用时主要从以下几方面来考虑:绝热的效果、是否经济、结构是否牢固、重量和体积的影响、制作加工是否方便, 以及技术上是否能够实现等。目前比较常见的方式有以下几种: (1)高真空绝热:也称为单纯真空绝热。一般要求绝热的封闭空间(夹层中)保持1.33×10-3Pa以下压强的真空度,才 能消除对流换热和绝大部分的气体导热。但是要获得和保持这样的高真空是比较困难的,所以一般稍大型的装置很少使用。 (2)真空多孔介质绝热:是一种在真空空间充填多孔介质绝热材料的绝热形式,一般的多空介质材料为粉末和纤维,真空空间的真 空度一般维持在1~10 Pa。真空多孔介质的应用,不但克服了高真空不适宜制作大型容器的缺点,且绝热性能有所提高,要求的 真空度有所降低。 (3)真空多层绝热:绝热结构是由许多层辐射屏及其间的间隔物组成,将其置于夹套中,再将夹套空间抽至高真空。相比较于单纯 文献标识码:A

高真空绝热方式,由于辐射漏热的大大降低,真空多层绝热方式绝热性能有很大提高;而其绝热层厚度(夹套厚度)相对于真空多孔介 质方式降低很多,设备整体十分轻便,主要用于移动式低温液体设备和小型杜瓦容器。 综合考虑绝热性能、设备的制造成本以及加工难易程度等因素,立式LNG储罐(槽)绝热方式应选用真空多孔介质绝热方式。 常用的多孔介质材料有珠光砂、气凝胶、蛭石、硅胶粉等。根据填充、抽取真空等要求,综合考虑经济因素,装填珠光砂。好处主要 如下:①材料易于获得,价格低廉;②珠光砂本身具有一定能力的吸附性,能有效吸附夹套空间内剩余气体,同时珠光砂的存在能阻止 剩余气体的流动,保持真空度的同时能有效降低气体对流焕热;③珠光砂较好的反射作用能有效减弱辐射换热。 3 计算及结构设计要点 3.1 确定适当设计压力 根据GB150-1998《钢制压力容器》定义:名义厚度为设计厚度加负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度。处于以下两种 情况时,可在满足设计条件要求,且不提高设备成本的前提下(即不增加材料用量),可以适当提高设计压力,从而在总体上提高设计 要求。 (1) 有些尺寸在计算并圆整后提高很大的; 例如在设计50 m3 LNG立式储罐时, 给定设计条件为: 内容器工作压力Pw=0. 7 Mpa,安全阀开启压力Pz=0.75 MPa,内径Di=2 700 mm,内容器采用0Cr18Ni9,若取设计压力为P= 0.75 MPa(液重小于5%,忽略),则计算厚度为(Pc=P+0.1): δ=■=8.4 加上厚度附加量0.8后为 δ=9.2,向上圆整为n=10。此时若将设计压力提高至0.8 MPa,计算厚度为 δ=8.9,加上 厚度附加量0.8为9.7,圆整后仍为 δn=10。 (2)工作压力不高,材料的最小标准规格已经远远超过设计的名义厚度。 3.2 优化设计管路 LNG储罐的管路由于要直接与低温液体接触,如果形状设计不合理,就有可能出现以下问题:①管路由于骤冷而收缩,从而产生应 力集中或弯曲变形;②LNG液体能自行流入绝热结构管段中,因为漏热气化,再将汽化的蒸汽压回内容器中,也即所谓的“穿透”现象。 设计优化管路形状,就能解决以上问题。一般在设计时会将管路在夹套绝热层设计成U型、S型、环形或螺旋形。具体要考虑伸缩量大 小以及“气封”与否的实际情况进行设计。 3.3 合理布置放散管口 根据相关的设计规范和规定,易燃易爆物不能就地放散或放空,必须集中处理或引至高空进行集中排放。LNG作为易燃易爆物如果 就地放散就有可能遇明火而着火,或者聚集到一定浓度而引起爆炸。因此在设计安全阀的泄放口、放空口以及残液排放口等放散管口时 就要合理布置其位置和方位,将管口尽量相对集中布置在一起,便于放空气体集中排放或处理。 4 其他注意事项 (1)生产图纸对加工生产和产品质量起着重要的导向作用,在出图时应考虑加工工序问题、生产上能否实现等。有序地划分图纸部 件,以免在生产中产生误导。 (2)设计时考虑到进液口经常插拔,一般将进液口固定在其中一个支座上(见图3)。但同时也有可能会带来管路、管件和阀的布 置困难,特别是当罐体直径不大时,此时可以考虑将进液口用固定板固定在两支座之间的外下封头上(见图4)或其他方法。具体布置 应综合考虑进液口使用频率、罐体大小以及操作方便等因素。 (3)在运输和使用过程中,由于颠簸和振动等因素的影响,珠光砂会有沉降现象,从而影响夹套绝热性能。可以考虑将内外上封头 间距适当调大,使其略大于内外下封头间距以及筒体间距。 (4)当储罐容积较大、载重过大时,应对支座与外下封头连接处的局部应力进行分析,并考虑合理的局部加强。 5 结语与展望 LNG立式储罐在总体结构设计和加工工艺方面已经相对纯熟,局部结构设计以及相关功能实现方面也积累了许多成熟的经验。 目前LNG储罐的设计和研究热点主要集中在局部结构应力分析和结构优化设计等方面,特别是相关模拟分析软件的出现,为分析设计 提供了强大而有力的工具。LNG储罐的设计将朝着更科学、更严谨、更安全、更经济的方向发展。 参考文献 1 敬加强,梁光川,蒋宏业.液化天然气技术问答[M].北京:化学工业出版社,2007 2 顾安忠,鲁雪生,汪荣顺,等.液化天然气技术[M].北京:机械工业出版社,2006 3 徐成海,张世伟,谢元华等.真空低温技术与设备[M].北京:冶金工业出版社,2007

4 国家技术监督局.GB150-1998钢制压力容器[S].北京:中国标准出版社,1998 (责任编辑 杨 柳) Design of the Middle and Small Scale Low Temperature LNG Vertical Tank Abstract: The paper introduced the design of low temperature LNG vert ical storage tank from structure of the overall and the partial, the design calculation as well as project blueprint,and summariz ed some related design point and the matters needing attention, and made certain forecast to the design and research hot topic o f the low temperature LNG vertical storage tank. Key words: LNG storage tank, design calculation, stress analysis, struct ure design


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