LNG槽车储罐绝热结构及施工方法设计

LNG法设计武汉中正化工设备有限公司武汉中正化工设备有限公司LNG槽车储罐绝热结构及施工方法设计摘要随着液化天然气（LNG）LNG40m3LNG槽车储罐绝热方式的基础上，提出槽车储罐适宜的绝热方式，并且进行了绝热传热计算。针关于高真空多层绝热结构设计了一套缠绕施工方案，最后，关于施工方法进行了详细的说明。关键词 ：液化天然气；槽车储罐；绝热；施工武汉中正化工设备有限公司武汉中正化工设备有限公司武汉中正化工设备有限公司11第5页1概论先必需根本解决利用与运输之间的矛盾。天然气洁燃料。分诱人的前途，发达国家都在竞相进行应用开发。我国的天然气资源比较丰富，据不完全统计，资源量约为3.8×1013m3。近年来，我国在勘探、开发和利用方面均有较大的进展。[1]液化天然气（liquefienaturalgas，简称LN，是指天然气原-162形成的低温液体混合物。LNG工厂生产的产品组成不同，这主要取决于生产工艺和气源气组成。依照欧洲标准EN116075%，氮含量应低于5%。LNG1-11-1等惰性组分。表1-1 商业LNG的基本组成组分组分甲烷%92~98乙烷1~6丙烷组分丁烷化合物%0~40~11~40~3LNGLNG为：在-162℃与0.1MPaLNG为无色无味的液体，其密度约为37.62MJ/m3,,在-162℃时的汽化510kJ/kg5%~150.740~0.820LNG的主要优点表现在以下方面。安全可靠 LNG的燃点比汽油高230℃，比柴更高爆炸极限比汽油高2.5~4.7倍的相关于密度0.470.7左右，它比空气轻，即使稍有泄露，也因此，LNG是一种安全的能源。清洁环保天然气在液化前必需经过严格的预净LNGLNG85%左右，其中CO97%NOx30%~40%CO290%40%是一种洁净的能源。便于输送和储存通常的液化天然气多储存在温度为、压力为0.1MPa左右的低温储罐内，其密度为标准状态下甲烷的60072%利于输送和储存。,性好,燃烧完全,污染小,与压缩天然气相比,LNG储存效率高,自重轻且建站不受供气管网的限制。不平衡LNG储罐能很好地起到削峰填谷的调节作用。低温容器19进步，在近30本国在压力容器方面的经验，人为划分开的。具体划分见下表：1-2国家国家美国德国日本英国中国规矩名称低温界限ASMEⅧ1<-30℃A规矩<-10℃JISB8207<-10℃BS5500<0℃GB150-1℃LNG车运发展趋势LNG的主要成分是甲烷,甲烷的正常沸点为-162℃,故储运LNG均LNG车载储气瓶。三种LNG输运容器的性能比较见下表。我国的LNG运输工具目前主要采用 LNG罐车，容积为 m3~45m3，车型均为半挂式运输罐车。[2]表1-3 LNG输运容器产品种类与特点LNG罐式集装箱船只、铁路、公路运转用途 LNG，也可做小型固定储罐用

LNG罐 LNG车车 储气瓶公路转运LNG汽LNG 用燃料箱规格或容积范围

204043尺三种

30~120m3

0.6m3以下主导的绝热方式工作压

高真空多层绝热为主

真空纤维绝热高真空多层绝热

高真空多层绝热力国际市场价格

1.6MPa15~25万美元

1.6MPa 1.6MPa15~30万 5000美美元 左右随着许多国家加速天然气汽车工业发展计划的实施，未来LNG燃料加注站等基础设施的大举发展为重型车辆使用LNG燃料创造了条件。由于汽车的耗油量并且不随载重量的增加而成比例地增加，汽车列车的耗油量与同功率的单车相比增加不多，因此单挂车LNG成本远小于单车，LNG罐车向大型化、列车化发展是必然趋势。1.4本论文主要研究内容LNGLNG槽车储罐适宜的绝热形式。然后根据拟定的储罐的绝热结构，进行结构设计并且计算绝热层厚度。设计一套高真空多层绝热结构缠绕施工方案，并且关于施工工艺设备进行初步设计。22LNG第10页2LNG低温绝热的类型低温绝热的目的是采用各种不同的绝热类型与结构,将经过关于流、传导和辐射等途径传递给低温体系的热量减少到尽可能低的程度,以维持低温系统正常工作。目前,常用的低温绝热犹如下类型:堆积绝热、高真空绝热、真空粉末(纤维)绝热、高真空多层绝热(含多屏绝热),它们的原理、性能见表2-1。2-1[3]序类型 原理号堆积绝热 体的表面上达到绝热目的。绝热空间抽

性能W/(m·K)纤 维 类0.035~0.05粉末类0.0185~0.064泡沫类0.028~0.064残余气体导热

成高真空后消除气体关于

热量约为0.1~0.2W/m2（300K~77K）

体导热。末（纤维）在不高的真绝热 空下即可除气体关于流传热。4层绝热 反射屏减少到高效绝热的目的。

10-3~10-210-5~10-6热的绝热效果较差。高真空绝热：即单纯真空绝热，一般要求在绝热空间保持以下压强的真空度，这样就可以消除气体关于流传热和绝大部分的残余气体导热，以达到良好的绝热效果。由于高真空绝热空间高真空度的获得与保持比较困难，一般在大型装置中很少应用。真空粉末（纤维）绝热：真空粉末绝热和真空纤维绝热均属于真1～10Pa左右,故在低温技术中得到大量应用。绝热材料多用珠光砂、玻璃棉、气凝胶等。高真空多层绝热：又称多层绝热，它是一种在绝热空间中安排许多层平行于冷壁的辐射屏以大幅度减少辐射热而达到高效绝热的结构，为目前绝热效果最好的一种绝热形式，其在低温技术中获得了广泛的应用。其中的反射屏材料为金属箔)隔材料多为无碱玻璃布、纤维纸、填碳纸等。关于于多层绝热的组合，目前使用最多的是铝箔与纤维纸的组合。高真空多层绝热优势真空多层绝热。而在发达国家已经普遍使用高真空多层绝热槽车。真空粉末绝热在绝热空间充填多孔性绝热材料，关于真空度的要求不夹层抽成高真空，反射材料通常采用铝箔或镀铝涤纶薄膜，间隔物一般采用玻璃纤维纸、植物纤维纸或尼龙网。由于高真空多层绝热能有效地克制热辐射的作用，因此具有优良的绝热性能。表2-2简单列出了在相同的边界温度条件下(80K、300K)两种绝热型式的主要技术参数以看出，高真空多层绝热结构的绝热性能要鲜明优于真空粉末绝热。2-2主要技术参数的比较绝热形式绝热形式绝热材料表观热导率／（mW/夹层真空度/Pa真空粉末绝热珍珠岩粉末，128kg/m3(190K)1.510-1高真空多层绝热50层0.065×10-3与真空粉末绝热相比，高真空多层绝热主要具有以下优势：20ISO罐式集装箱为例，若用真空粉末绝热，则夹层厚度为200mm，有效容积仅为13m3，而80mm，罐箱的有效容积可达18m327%以上。质量轻采用高真空多层绝热方式可使输运容器的空载质LNG运输成本降低。关于20m3左右的输运容器，采用高真空多层绝热可使空载质1500kg以上。防震性能好采用高真空多层绝热方式可避免因容器运输趋于一致。综合以上考虑，本文所设计的槽车储罐采取高真空多层绝热的形式。55第28页3高真空多层绝热传热机理固体导热、层间剩余气体导热。高真空多层绝热中的辐射传热多层绝热系统辐射屏采用铝箔或镀铝的聚酯薄膜，间隔物采用非α散射系数γ和厚度δs等。集肤效应。间隔物也可以衰减辐射热流。多层绝热的辐射传热比热流由下式表示： σ(T4T4) （1-1）q (α2 11 1s 12 ε ε1 21

—辐射屏两面的发射率；2δ —间隔物厚度；sσ —黑体辐射系数，为5.67108W/m2k4；bα—吸收系数；γ—散射系数；T和T—辐射屏温度。1 2如果多层绝热中没有间隔材料或者将辐射屏传导和间隔物关于辐射

1 ，则（1-1）变为effqσε (T2T2qbeff 1 2N

1 11 11 2nδnδ

—多层绝热的层密度；n—辐射层数；δ—多层的厚度。隔物的导热。高真空多层绝热中的固体导热的小，其次，是用热导率较小的材料来当作间隔物。为了减少间隔物与屏的接触面积，人们想了很多方法，如将多层大影响。料常和反射材料一起构成多层绝热结构。的增加而升高。因此在某一层密度（即最佳层密度）20～40层/cm[5]。5%[3]左右。高真空多层绝热中的残余气体导热是多层结构的层间气体压力关于气体导热的影响。60力和和真空腔中的压力是相等的，所以在高真空（10-2帕以下）时气最大的压力分布。通常情况下，层间残余气体的运动的平均自由程要比层间隙大得多。根据文献，空气分子在不同温度和压力下的分子自由程如表所式。3-1分子自由程平均自由程（平均自由程（cm）10-2温度（K）压力（Pa） 10-1177K/0.65/300K3.53.80.35由表可知，空气的分子自由程至少为几个毫米，有的甚至达到几百毫米。然而层与层之间的间隙一般小于0.5mm平均自由程远大于层间距。因此，残余气体是靠其分子与壁面碰撞而传热的。分子间的相互碰撞关于传热所引起的作用可忽略不计。高真空多层绝热的影响因素材料组成的间隔物材料，如玻璃纤维布、纤维纸、尼龙网、丝网等。[6]不同绝热材料关于绝热效果的影响不同多层绝热结构及其当量热导率如表3-2所示[7]。3-2材料双面镀铝涤纶膜

数/mm2

冷面热面温度温度/℃ /℃

当量热导率/（4.2kJ/m·h·K）5.39×+KT-231尼9龙网

9.4 -87.3 32.2

10-4双面镀铝 2涤纶膜+敷 8料纸10 厚双μm面镀铝涤 34隔

9.5 -77.1 27.52.9 -82.1 27.6

5.02×10-41.81×10-43GS-800双面镀铝 1涤纶膜+填 0炭纸多层铝膜+ 2

2.74.5—

-101.0—-194.

42.1—25.6

7.72×10-42.29×10-41.63×丝纤维 0 6

10-4多层铝膜+ 2玻璃纤维 0多层铝膜+

-192.— 4

28.8

4.42×10-41.29×手工填炭

9 2.8 — —

10-4纸纸10μm厚单面镀铝涤 3纶膜，无间0隔层2.224.3120.92.89×10-43-2用其高反射率来减少辐射传热。选择导热系数小的材料作为间隔物也很重要，目前主要的间隔物有尼龙网、玻璃纤维、二氧化碳纤维毡、经过以上分析，关于本文设计所用到的绝热材料进行选择。选择绝0.02mm厚铝箔+0.015mm厚玻璃布。经过提高层间真空度改善绝热效果由于多层绝热层间存在着很大的抽气阻力以及材料的不断放气，造成了绝热层内多层间的真空度远比腔内真空度低[8]真空度才是解决残余气体导热的根本途径。为了改善绝热效果，提高层间真空度，可以采取很多方法：1的流导，改善透气性，减少抽气阻力；2应采用较薄的隔垫材料和松软的多层缠绕结构；3[9]；4小于10-2Pa3-3给出了加入填炭纸前后绝热效果的关于比情况。试材层厚度试材层厚度真空度比热流当量热导率/W/mK8.7μm铝箔+机制0.00144填炭纸8.7μm铝箔+烘烤0.001070过的机制填炭纸8.7μm铝箔+机制0.00128填炭纸+吸气剂填炭纸+吸气剂0.00077数/mm/Pa/W/m2103.24410496.6104102.9810477.8104103.054104104103.24410451.7104铝箔+烘烤过机制填炭纸+吸气剂（只用机械泵抽真空）铝箔+验货标准的玻璃纤维纸铝箔+烘烤过的玻璃纤维纸

10 3.24 4104 104 0.0007610 2.85 104 173.4104 0.0022810 2.09 4104 187.2104 0.00179铝箔+验货标准的尼龙网 10 3.11 104 91.6104

0.00131试材层数试材层数厚度/mm/Pa比热流/μW/m2/μW/mK12μm镀铅网+机101.84104373.41040.003120.002150.003050.00150.0041制填炭纸2.167104216.710412μm镀铝膜102.679104248.2104多层铝膜+手工填炭粉102.80104116.3104多层铝膜+烘烤过的手工填分子筛10～3104298.5104纸多层铝膜+烘烤过的机制填氧化铝纸

10 ～3 104 253.2104 0.0035多层反射屏的层数及密度关于绝热效果的影响从理论上讲,反射屏层数越多,包的越密,将使辐射传热下降会提高绝热效果。但事实上不是这样。由于辐射传热不占传热的主要部分，层数及密度增大会造成抽真空阻力增大层数越多，层密度越大，抽气阻力就越大；表面积越大，则放气量也就越大。因此在多层中便造成了中间层压力最大的压力分布。同时包缠越密,层间接触面积大造成固体导热增加,都不利于绝热。10层左右时的增加,,10～30层左右是高真空多层绝热的最佳层数。层间压紧力关于于绝热效果的影响层间压紧力越小越有利于绝热,但压紧力过小会造成多层屏变松脱440m3槽车储罐计算参数3支撑漏热和多层绝热体漏热。1=2200mm；2=2400mm；内封头高：L2=550mm；内封头直边高度：h=25mm；储罐内胆容积：V=40m3；充装率： 90% ；43=200mm4=100mm；5=100mm；内筒筒体长：L1=10m；δ10。1支撑构件漏热量的计算玻璃钢的导热系数为： 0.28W/mkh

(2 2

)δ1

(24002200)102Aπ1 4

π0.1240.00785m2

90mm下支撑的截面积： AS S2 外环 内环

π2 π24 3 4 4π0.22 π0.12内胆中液化天然气的温度：-162℃外界大气温度：20℃

4 4根据圆筒壁热传导方程求单个上支承漏热量为：QA ΔT0.00785162204.45W1 1 δ 0.09上支承构件的漏热总量：

Q

4Q1

44.4517.8W单个下支承漏热量为：

QA2 2

ΔT1622013.33Wδ 0.09下支承构件的漏热总量：

Q下支撑

4Q2

413.3353.32W支承漏热总量为：Q支撑

Q上支撑

Q下支撑

17.853.3271.12W绝热体漏热量的计算0.02mm厚铝箔+0.015mm0.2%，所以以此来计算绝热体的漏热量。Q αVργ总 86400(5.9)式中，Q总

——整体漏热量，W；γ——LNG的汽化潜热，5.093105J/kg；V——储罐的容积，V40m3 ；ρ——LNG密度，ρ426kg/m3 ， ——充装率， 90%。

αVργ总 864000.2%4042690%5.09310586400180.8W多层绝热体的漏热量：Q Q绝 总

Q 180.8 71.12109.68W支撑绝热层厚度的计算绝热层厚度计算公式如下:mδλFΔTmQ绝式中:δ——多层绝热层厚度m；λ——104W/mKF ——多层绝热体的传热计算面积，m2；mΔT——传热温差，K；Q ——经过多层绝热体的漏热量,W。绝λ104W/mKΔT273111162K内筒筒体内表面面积：F筒体

πL1

π2.21069.08m2查表得椭圆封头内表面面积：F封头

5.5229m2内筒内表面积为：F Fm 筒体

2

封头πL1 1

25.5229π2.21025.522969.085.522922δ

λFΔTmQ

104162109.68

0.0297m

29.7mm绝所选保温材料的层密度为50层/mm，30故，保温层数为：5029.7 =49.5=50层305施工工艺设备初步设计主要设备（CA图转轴，电动机和皮带轮组成。其中，固定装置囊括轮子（可多向转动并且可固定，支架（采用型号为10/6.3(GB9788-88角钢，销子。转轴分为两段，全部位于支架上，一段固定在皮带轮上，可左右移动。电900毫米，长100米。附件剪刀，一把针，线（玻璃纤维丝）用于诀别缝合铝箔与玻璃布电吹风卷尺粘胶带记数器（记录包扎层数）施工前的准备工作卫Th要求初步设计,因此,中应注意如下三个方面：,层接触件均应采用四氟化碳进行严格的去油污清洗。,手套才能进行装配。缠绕施工时,环境应保持洁净,不得在灰尘大的环境中进行。初,,板再涂一层青漆,保证环境洁净。绝热材料的选择绝热材料的选择,既要考虑材料的性能是否满足设备的运行工艺要求,又要考虑绝热工程造价和绝热施工工艺等诸方面因素。关于于多层绝热材料的组合,目前使用最为理想的是玻璃纤维布或尼龙网布与能比较好,,增大绝热层内各铝屏间边界层的热阻δ0.02mm的铝箔加δ0.015mm的玻璃丝布（具体分析见3.2.。铝箔处理,,应经过500~600℃表面除油并且经退火处理空罐中保存待用（防止氧化变质。玻璃丝布处理0.015mm560℃温度下