摘要：LNG在储罐内的蒸发对LNG储罐的安全有着非常大的影响。为此，以3×104m3的LNG储罐为例，在分析研究的基础上，基于质量守恒及能量守恒原理，建立了预测LNG储罐内压力及蒸发率的模拟模型，经试验验证该模型的计算结果较为准确可靠。利用该模型分析了密闭LNG储罐内压力及蒸发率的影响因素。结果发现：密闭LNG储罐存在1个“最优直径”和“最优充满率”；LNG储罐保温层导热系数越大，LNG储罐内压力上升得越快，LNG安全储存时间就越短；环境温度越高，密闭LNG储罐的压力上升得越快，LNG安全储存时间越短；LNG含氮量、外界大气压对LNG储罐内的压力影响不大；LNG含氮量越高其的蒸发率越低，向LNG储罐内充注氮气可以有效地降低LNG储罐内液体的蒸发率。该项成果将为LNG储罐的设计及运行提供技术支持。
关键词：LNG储罐；蒸发率；影响因素；初始充满率；模拟；含氮量；大气压
0 前言
在LNG储运过程中，由于LNG的低温特性及LNG储罐隔热材料性能的局限性[1]，环境向LNG储罐内漏热会引起罐内低温介质的内能增加、温度上升、压力升高。当LNG储罐内压力达到安全极限值后，LNG储罐的安全阀必须打开，释放掉一部分蒸发气体，以保证LNG储罐的安全。把LNG储罐内的蒸发气体释放到空气中，不仅会增加储运成本，还可能会给环境带来安全隐患。这就需要对LNG储罐内的压力、温度及蒸发率特性加以分析研究，以便节约资源。
20世纪60年代，Neff首先指出：封闭储罐中压力的上升是低温液体安全储存所面临的一个关键问题，容器中压力可以通过储罐中的温度来计算[2]。然而实验证明，容器中的实际压力大于基于平均液体温度而计算的压力。Swim和Schmidt研究了容器中液体的自增压，并通过不同的分析方法来比较了试验结果[3～4]。Scott等人研究了一个小型不锈钢液氦杜瓦中温度分布情况，并在不考虑温度梯度时计算了容器中压力的上升并同实际情况作了比较[5]。C.Beduz、R.Rebiai和R.G.Scurlock等人对低温储存过程中突然发生液体大量气化，进而导致储罐内压力急剧上升的情况进行了探讨[6]。Yu.A.Kirichenk0和Zh.A.Suprunova等人考虑到系统内部热动力状态改变明显，利用相似理论通过实验求取了描述系统传热流动过程的实验关联式[7]。C.M.Yu和N.U.Aydemir对部分充满低温液体的卧式筒形储罐和球罐在均匀外部受力作用下的热力响应作了分析[8]。汪荣顺等人对饱和均质模型进行了修正[9]，并针对6m3液氧储罐进行了数值计算和实验研究，结果表明，修正后的饱和均质模型和实验结果较为相符。徐烈等人分析了充满率和环境温度对升压速率的影响，给出了不同充满率下储存压力与容器单位容积受热量的关系图，以及不同充满率下无损储存压力与时间的关系图，提出了最佳充满率的概念[10]，还分析了不同充满率下液体中温度分层的情况，并提出了减少这种分层的途径。汪顺华等人针对LNG汽车储罐的无损储存规律，提出了三区块计算模型，并编制程序进行了计算[11]。
由于商业价值的原因，国内外有关LNG蒸发率的数据及资料少之又少，为此，建立了计算模型并分析了各种影响密闭储罐内压力及蒸发率的因素。
1 LNG储罐蒸发率计算模型的建立
LNG储罐的蒸发率是指LNG储罐的静态日蒸发率，即储罐装有LNG时，静置达到热平衡后24h内自然蒸发损失的LNG液体质量和储罐内LNG液体质量的百分比。
1.1 模型的假设条件
模拟计算介质LNG的组分为甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、氮气，其摩尔分数分别为80.80%、15.20%、2.10%、0.28%、0.30%、0.01%、0.01%、及1.30%。在模拟计算中，作出如下假设：①在低温LNG储罐内，气、液相温度一致，且系统压力为液相工质的饱和压力；②无损LNG储罐内工质质量恒定；流体工质的平均密度为定值；③蒸发过程中，LNG储罐内气相部分和液相主体部分都是均匀温度场。
密闭LNG储罐大都为真空绝热类型，其结构由内筒、保温层、支撑构件和外筒等部分组成。为方便计算储罐的传热量，作出如下假设：①忽略LNG储罐保温层的侧向导热，认为整个LNG储罐的传热为一维的，其方向垂直于保温层。如是多层保温结构，可认为保温层是由多个保温薄层热阻的叠加；②因气液分界面处具有温度梯度的液层非常薄，假设其厚度hs≈0，环境漏入LNG储罐内的热量全部被气相和液相主体部分所吸收。
1.2 模型的建立
密闭LNG储罐为无损储存，没有质量损耗。根据质量守恒定律，减少的液体质量等于蒸发的气体质量。
1) 气相部分的质量守恒：
2) 液体的质量守恒方程：
根据能量守恒，传入LNG储罐的热量等于LNG储罐内流体内能的增加。通过高真空多层绝热体的综合漏热量为：
LNG储罐内流体内能的变化为：
式中V为LNG储罐体积，m3；ρ为储液密度，kg/m3；U为单位内能，J；ρ为气相密度；Vg为气相体积；ρ1为液相密度；Vl为液相体积；λeff为保温层导热系数，J/(m·℃)；Am为LNG储罐的传热面积，m3；△T为LNG储罐内外温差，℃；δ为保温层厚度，m；下标f代表末状态；下标i代表初始状态；l代表液态；g代表气态；ф为充满率；β为充满率因子。
2 试验验证
由于LNG的危险性，直接进行大容量LNG储罐的试验非常困难，而模拟的理论基础是气液相平衡原理，对于各种尺度LNG储罐都是适用的。因此本试验采用小型储罐，用C02介质代替LNG进行低温液体蒸发率试验，测试该低温液体储罐静态蒸发率，通过试验来验证模型的准确性，然后用研制并完善的模型来研究大尺度的LNG储罐内的蒸发规律[12]。
在相同初始充满率下，测试不同环境温度时储存压力及温度的变化情况。试验采用不锈钢小型储罐，运用自然升压法测定储罐内介质的蒸发量，利用恒温槽改变介质温度及环境温度，利用压力传感器得出储槽内压力变化。试验装置如图1所示，C02温度为-33℃，环境温度为-22℃时的试验结果与模拟结果对比见图2，CO2温度为-33℃，环境温度为-2℃时的试验结果与模拟结果对比见图3。
由图2、3可知，模拟计算结果与试验结果相差较小，模型的准确性较好，故对模型做出的假设成立，可通过模拟来计算LNG储罐内压力及蒸发率的大小。
3 模拟结果及分析
针对目前海上LNG的运输发展，选用大型LNG储罐进行了模拟研究。模拟的初始条件如下：选用LNG储罐体积为30000m3，直径为30m，总传热系数为0.852W/(m2·K)，环境温度为25℃，大气压力为101.3kPa，初始温度为-163℃，初始压力为101.325kPa，初始充满率为70%。
3.1 LNG储罐直径的影响
LNG储罐内压力、压差及蒸发率随储罐直径变化情况如图4所示。
根据LNG储罐直径对LNG储罐内压力及蒸发率的影响来看，必然存在某一极限值使得LNG储罐内压力及蒸发率最小。对于本研究而言，最优直径为30～40m。
3.2 初始充满率的影响
LNG储罐内压力、蒸发率及温差与充满率的关系，如图5所示。
由图5可知，LNG储罐中蒸发率随初始充满率的增大而减小，并且开始减小比较快。在初始蒸发率约为0.90时，蒸发率出现负值，即存在气体再液化的现象，这是因为通常所说的蒸发率是LNG储罐内液相蒸发和气相冷凝的综合，是有效蒸发率，LNG储罐内储液在蒸发的同时，气相部分也不断冷凝，在此过程中，蒸发速率与冷凝速率相互作用，影响着有效蒸发率的大小。在初始阶段，LNG储罐内的压力较低，LNG的沸点也较低，因气液相温差较小，所以液相的蒸发速率大于气相的冷凝速率，蒸发率为正值；随着LNG储罐内压力增大，LNG的沸点升高，部分储液处于过冷状态，这样环境漏热部分用于增加过冷储液的内能，而不是全部用于蒸发，所以液相的蒸发速度减小；同时，因为压力升高导致液相过冷，增大了气液相的温差，这样加快了过热气体在气液界面的冷凝速率，当LNG储罐内压力上升到一定程度后，LNG储罐内液相的蒸发速率开始小于气相的冷凝速率，此时有效蒸发率就开始变为负值；随着充满率的增加，温差变化趋于减小，升压速率越来越慢，当初始充满率接近92.7%时，LNG储罐内压力急剧下降，原因是过高的初始充满率易造成LNG储罐处于负压状态，对LNG储存极为不利。故合理的初始充满率对密闭LNG储罐的安全储存时间极为重要[13]，解决的办法是LNG储罐储存压力保持为0.1MPa。
运行时，打开增压器气相低温阀，当LNG储罐压力低于设定压力0.1MPa时，调节阀开启，LNG进入增压器，在增压器中与空气换热，气化为NG，进入罐内，使气相压力变大，从而将LNG储罐压力维持在0.1MPa。随着LNG的不断流出，罐内液位不断下降，气相空间不断变大，压力不断降低，这样，通过增压器不断气化LNG来补充罐内压力，以维持LNG储罐的压力不变。
3.3 环境温度的影响
LNG储罐内压力、储存时间及蒸发率随环境温度的变化情况如图6所示。
由图6可知，环境温度越高，LNG储罐内压力上升得越快，在一定的LNG储罐承压范围内，LNG的储存时间越短，蒸发率也就越大。
3.4 保温性能的影响
不同保温材质LNG储罐内压力及蒸发率的变化规律如图7所示。
保温材料性能越好，LNG储罐内升压及蒸发率就越小。合理选择保温材料对LNG的安全储存具有重要意义。
3.5 含氦量的影响
不同含氮量LNG储罐内压力及蒸发率的变化规律如图8所示。
含氮量越高LNG的蒸发率越低，对LNG储罐内压力影响不大，向LNG储罐内充注氮气可以有效地降低罐内液体的蒸发率。
4 结论
1) 其他条件不变时，随着储存时间的增大，LNG储罐的内部压力也随之增大；随着LNG储罐直径的增大，LNG储罐的内部压力先减小，而后压力增加，速率越来越快，这就必然存在一个最优直径使得舱内压力最小。
2) LNG密闭储存时，大型LNG储罐存在一个合理的充满率范围，一般为70.0%～92.7%，当初始充满率小于这个范围时，初始充满率越小，LNG储罐的安全储存时间也越短，并随着初始充满率增大而增大；当初始充满率大于这个范围时，LNG储罐的安全储存时间不稳定。
3) 环境温度越高，密闭LNG储罐内的压力上升越快，LNG储罐的安全储存时间越短，蒸发率越大。这和LNG密闭储存时冬季储存时间较长夏季储存时间较短相一致，为了安全起见，在实际应用时LNG储罐密闭储存时间应按照夏天的环境温度进行设计。
4) 密闭LNG储罐的保温性能越好，LNG储罐内的压力上升越慢，蒸发率越低，LNG安全密闭储存时间越长。
5) 含氮量、外界大气压对LNG储罐内的压力影响不大；含氮量越高罐内LNG的蒸发率越低，向LNG储罐内充注氮气可以有效降低罐内液体的蒸发率。
参考文献
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[10] 徐烈，朱卫东，汤晓英.低温绝热与贮运技术[M].北京：机械工业出版社，1999.
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[12] 吴玮.C02低温液态储存蒸发特性研究[D].东营：中国石油大学(华东)，2008.
[13] 王良军，刘扬.大型储罐内LNG翻滚机理和预防措施[J].天然气工业，2008，28(5)：97-99.
(本文作者：王武昌1 李玉星1 孙法峰2 臧垒垒1 1.中国石油大学(华东)；2.中国石油北京油气调控中心)
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