LNG槽車(chē)儲(chǔ)罐絕熱結(jié)構(gòu)及施工方法設(shè)計(jì)

LNG法設(shè)計(jì)武漢中正化工設(shè)備有限公司武漢中正化工設(shè)備有限公司LNG槽車(chē)儲(chǔ)罐絕熱結(jié)構(gòu)及施工方法設(shè)計(jì)摘要隨著液化天然氣（LNG）LNG40m3LNG槽車(chē)儲(chǔ)罐絕熱方式的基礎(chǔ)上，提出槽車(chē)儲(chǔ)罐適宜的絕熱方式，并且進(jìn)行了絕熱傳熱計(jì)算。針關(guān)于高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一套纏繞施工方案，最后，關(guān)于施工方法進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。關(guān)鍵詞 ：液化天然氣；槽車(chē)儲(chǔ)罐；絕熱；施工武漢中正化工設(shè)備有限公司武漢中正化工設(shè)備有限公司武漢中正化工設(shè)備有限公司11第5頁(yè)1概論先必需根本解決利用與運(yùn)輸之間的矛盾。天然氣潔燃料。分誘人的前途，發(fā)達(dá)國(guó)家都在競(jìng)相進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)。我國(guó)的天然氣資源比較豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，資源量約為3.8×1013m3。近年來(lái)，我國(guó)在勘探、開(kāi)發(fā)和利用方面均有較大的進(jìn)展。[1]液化天然氣（liquefienaturalgas，簡(jiǎn)稱(chēng)LN，是指天然氣原-162形成的低溫液體混合物。LNG工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品組成不同，這主要取決于生產(chǎn)工藝和氣源氣組成。依照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN116075%，氮含量應(yīng)低于5%。LNG1-11-1等惰性組分。表1-1 商業(yè)LNG的基本組成組分組分甲烷%92~98乙烷1~6丙烷組分丁烷化合物%0~40~11~40~3LNGLNG為：在-162℃與0.1MPaLNG為無(wú)色無(wú)味的液體，其密度約為37.62MJ/m3,,在-162℃時(shí)的汽化510kJ/kg5%~150.740~0.820LNG的主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面。安全可靠 LNG的燃點(diǎn)比汽油高230℃，比柴更高爆炸極限比汽油高2.5~4.7倍的相關(guān)于密度0.470.7左右，它比空氣輕，即使稍有泄露，也因此，LNG是一種安全的能源。清潔環(huán)保天然氣在液化前必需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的預(yù)凈LNGLNG85%左右，其中CO97%NOx30%~40%CO290%40%是一種潔凈的能源。便于輸送和儲(chǔ)存通常的液化天然氣多儲(chǔ)存在溫度為、壓力為0.1MPa左右的低溫儲(chǔ)罐內(nèi)，其密度為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷的60072%利于輸送和儲(chǔ)存。,性好,燃燒完全,污染小,與壓縮天然氣相比,LNG儲(chǔ)存效率高,自重輕且建站不受供氣管網(wǎng)的限制。不平衡LNG儲(chǔ)罐能很好地起到削峰填谷的調(diào)節(jié)作用。低溫容器19進(jìn)步，在近30本國(guó)在壓力容器方面的經(jīng)驗(yàn)，人為劃分開(kāi)的。具體劃分見(jiàn)下表：1-2國(guó)家國(guó)家美國(guó)德國(guó)日本英國(guó)中國(guó)規(guī)矩名稱(chēng)低溫界限ASMEⅧ1<-30℃A規(guī)矩<-10℃JISB8207<-10℃BS5500<0℃GB150-1℃LNG車(chē)運(yùn)發(fā)展趨勢(shì)LNG的主要成分是甲烷,甲烷的正常沸點(diǎn)為-162℃,故儲(chǔ)運(yùn)LNG均LNG車(chē)載儲(chǔ)氣瓶。三種LNG輸運(yùn)容器的性能比較見(jiàn)下表。我國(guó)的LNG運(yùn)輸工具目前主要采用 LNG罐車(chē)，容積為 m3~45m3，車(chē)型均為半掛式運(yùn)輸罐車(chē)。[2]表1-3 LNG輸運(yùn)容器產(chǎn)品種類(lèi)與特點(diǎn)LNG罐式集裝箱船只、鐵路、公路運(yùn)轉(zhuǎn)用途 LNG，也可做小型固定儲(chǔ)罐用

LNG罐 LNG車(chē)車(chē) 儲(chǔ)氣瓶公路轉(zhuǎn)運(yùn)LNG汽LNG 用燃料箱規(guī)格或容積范圍

204043尺三種

30~120m3

0.6m3以下主導(dǎo)的絕熱方式工作壓

高真空多層絕熱為主

真空纖維絕熱高真空多層絕熱

高真空多層絕熱力國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格

1.6MPa15~25萬(wàn)美元

1.6MPa 1.6MPa15~30萬(wàn) 5000美美元 左右隨著許多國(guó)家加速天然氣汽車(chē)工業(yè)發(fā)展計(jì)劃的實(shí)施，未來(lái)LNG燃料加注站等基礎(chǔ)設(shè)施的大舉發(fā)展為重型車(chē)輛使用LNG燃料創(chuàng)造了條件。由于汽車(chē)的耗油量并且不隨載重量的增加而成比例地增加，汽車(chē)列車(chē)的耗油量與同功率的單車(chē)相比增加不多，因此單掛車(chē)LNG成本遠(yuǎn)小于單車(chē)，LNG罐車(chē)向大型化、列車(chē)化發(fā)展是必然趨勢(shì)。1.4本論文主要研究?jī)?nèi)容LNGLNG槽車(chē)儲(chǔ)罐適宜的絕熱形式。然后根據(jù)擬定的儲(chǔ)罐的絕熱結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并且計(jì)算絕熱層厚度。設(shè)計(jì)一套高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)纏繞施工方案，并且關(guān)于施工工藝設(shè)備進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。22LNG第10頁(yè)2LNG低溫絕熱的類(lèi)型低溫絕熱的目的是采用各種不同的絕熱類(lèi)型與結(jié)構(gòu),將經(jīng)過(guò)關(guān)于流、傳導(dǎo)和輻射等途徑傳遞給低溫體系的熱量減少到盡可能低的程度,以維持低溫系統(tǒng)正常工作。目前,常用的低溫絕熱猶如下類(lèi)型:堆積絕熱、高真空絕熱、真空粉末(纖維)絕熱、高真空多層絕熱(含多屏絕熱),它們的原理、性能見(jiàn)表2-1。2-1[3]序類(lèi)型 原理號(hào)堆積絕熱 體的表面上達(dá)到絕熱目的。絕熱空間抽

性能W/(m·K)纖 維 類(lèi)0.035~0.05粉末類(lèi)0.0185~0.064泡沫類(lèi)0.028~0.064殘余氣體導(dǎo)熱

成高真空后消除氣體關(guān)于

熱量約為0.1~0.2W/m2（300K~77K）

體導(dǎo)熱。末（纖維）在不高的真絕熱 空下即可除氣體關(guān)于流傳熱。4層絕熱 反射屏減少到高效絕熱的目的。

10-3~10-210-5~10-6熱的絕熱效果較差。高真空絕熱：即單純真空絕熱，一般要求在絕熱空間保持以下壓強(qiáng)的真空度，這樣就可以消除氣體關(guān)于流傳熱和絕大部分的殘余氣體導(dǎo)熱，以達(dá)到良好的絕熱效果。由于高真空絕熱空間高真空度的獲得與保持比較困難，一般在大型裝置中很少應(yīng)用。真空粉末（纖維）絕熱：真空粉末絕熱和真空纖維絕熱均屬于真1～10Pa左右,故在低溫技術(shù)中得到大量應(yīng)用。絕熱材料多用珠光砂、玻璃棉、氣凝膠等。高真空多層絕熱：又稱(chēng)多層絕熱，它是一種在絕熱空間中安排許多層平行于冷壁的輻射屏以大幅度減少輻射熱而達(dá)到高效絕熱的結(jié)構(gòu)，為目前絕熱效果最好的一種絕熱形式，其在低溫技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用。其中的反射屏材料為金屬箔)隔材料多為無(wú)堿玻璃布、纖維紙、填碳紙等。關(guān)于于多層絕熱的組合，目前使用最多的是鋁箔與纖維紙的組合。高真空多層絕熱優(yōu)勢(shì)真空多層絕熱。而在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)普遍使用高真空多層絕熱槽車(chē)。真空粉末絕熱在絕熱空間充填多孔性絕熱材料，關(guān)于真空度的要求不夾層抽成高真空，反射材料通常采用鋁箔或鍍鋁滌綸薄膜，間隔物一般采用玻璃纖維紙、植物纖維紙或尼龍網(wǎng)。由于高真空多層絕熱能有效地克制熱輻射的作用，因此具有優(yōu)良的絕熱性能。表2-2簡(jiǎn)單列出了在相同的邊界溫度條件下(80K、300K)兩種絕熱型式的主要技術(shù)參數(shù)以看出，高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)的絕熱性能要鮮明優(yōu)于真空粉末絕熱。2-2主要技術(shù)參數(shù)的比較絕熱形式絕熱形式絕熱材料表觀熱導(dǎo)率／（mW/夾層真空度/Pa真空粉末絕熱珍珠巖粉末，128kg/m3(190K)1.510-1高真空多層絕熱50層0.065×10-3與真空粉末絕熱相比，高真空多層絕熱主要具有以下優(yōu)勢(shì)：20ISO罐式集裝箱為例，若用真空粉末絕熱，則夾層厚度為200mm，有效容積僅為13m3，而80mm，罐箱的有效容積可達(dá)18m327%以上。質(zhì)量輕采用高真空多層絕熱方式可使輸運(yùn)容器的空載質(zhì)LNG運(yùn)輸成本降低。關(guān)于20m3左右的輸運(yùn)容器，采用高真空多層絕熱可使空載質(zhì)1500kg以上。防震性能好采用高真空多層絕熱方式可避免因容器運(yùn)輸趨于一致。綜合以上考慮，本文所設(shè)計(jì)的槽車(chē)儲(chǔ)罐采取高真空多層絕熱的形式。55第28頁(yè)3高真空多層絕熱傳熱機(jī)理固體導(dǎo)熱、層間剩余氣體導(dǎo)熱。高真空多層絕熱中的輻射傳熱多層絕熱系統(tǒng)輻射屏采用鋁箔或鍍鋁的聚酯薄膜，間隔物采用非α散射系數(shù)γ和厚度δs等。集膚效應(yīng)。間隔物也可以衰減輻射熱流。多層絕熱的輻射傳熱比熱流由下式表示： σ(T4T4) （1-1）q (α2 11 1s 12 ε ε1 21

—輻射屏兩面的發(fā)射率；2δ —間隔物厚度；sσ —黑體輻射系數(shù)，為5.67108W/m2k4；bα—吸收系數(shù)；γ—散射系數(shù)；T和T—輻射屏溫度。1 2如果多層絕熱中沒(méi)有間隔材料或者將輻射屏傳導(dǎo)和間隔物關(guān)于輻射

1 ，則（1-1）變?yōu)閑ffqσε (T2T2qbeff 1 2N

1 11 11 2nδnδ

—多層絕熱的層密度；n—輻射層數(shù)；δ—多層的厚度。隔物的導(dǎo)熱。高真空多層絕熱中的固體導(dǎo)熱的小，其次，是用熱導(dǎo)率較小的材料來(lái)當(dāng)作間隔物。為了減少間隔物與屏的接觸面積，人們想了很多方法，如將多層大影響。料常和反射材料一起構(gòu)成多層絕熱結(jié)構(gòu)。的增加而升高。因此在某一層密度（即最佳層密度）20～40層/cm[5]。5%[3]左右。高真空多層絕熱中的殘余氣體導(dǎo)熱是多層結(jié)構(gòu)的層間氣體壓力關(guān)于氣體導(dǎo)熱的影響。60力和和真空腔中的壓力是相等的，所以在高真空（10-2帕以下）時(shí)氣最大的壓力分布。通常情況下，層間殘余氣體的運(yùn)動(dòng)的平均自由程要比層間隙大得多。根據(jù)文獻(xiàn)，空氣分子在不同溫度和壓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溫度（K）壓力（Pa） 10-1177K/0.65/300K3.53.80.35由表可知，空氣的分子自由程至少為幾個(gè)毫米，有的甚至達(dá)到幾百毫米。然而層與層之間的間隙一般小于0.5mm平均自由程遠(yuǎn)大于層間距。因此，殘余氣體是靠其分子與壁面碰撞而傳熱的。分子間的相互碰撞關(guān)于傳熱所引起的作用可忽略不計(jì)。高真空多層絕熱的影響因素材料組成的間隔物材料，如玻璃纖維布、纖維紙、尼龍網(wǎng)、絲網(wǎng)等。[6]不同絕熱材料關(guān)于絕熱效果的影響不同多層絕熱結(jié)構(gòu)及其當(dāng)量熱導(dǎo)率如表3-2所示[7]。3-2材料雙面鍍鋁滌綸膜

數(shù)/mm2

冷面熱面溫度溫度/℃ /℃

當(dāng)量熱導(dǎo)率/（4.2kJ/m·h·K）5.39×+KT-231尼9龍網(wǎng)

9.4 -87.3 32.2

10-4雙面鍍鋁 2滌綸膜+敷 8料紙10 厚雙μm面鍍鋁滌 34隔

9.5 -77.1 27.52.9 -82.1 27.6

5.02×10-41.81×10-43GS-800雙面鍍鋁 1滌綸膜+填 0炭紙多層鋁膜+ 2

2.74.5—

-101.0—-194.

42.1—25.6

7.72×10-42.29×10-41.63×絲纖維 0 6

10-4多層鋁膜+ 2玻璃纖維 0多層鋁膜+

-192.— 4

28.8

4.42×10-41.29×手工填炭

9 2.8 — —

10-4紙紙10μm厚單面鍍鋁滌 3綸膜，無(wú)間0隔層2.224.3120.92.89×10-43-2用其高反射率來(lái)減少輻射傳熱。選擇導(dǎo)熱系數(shù)小的材料作為間隔物也很重要，目前主要的間隔物有尼龍網(wǎng)、玻璃纖維、二氧化碳纖維氈、經(jīng)過(guò)以上分析，關(guān)于本文設(shè)計(jì)所用到的絕熱材料進(jìn)行選擇。選擇絕0.02mm厚鋁箔+0.015mm厚玻璃布。經(jīng)過(guò)提高層間真空度改善絕熱效果由于多層絕熱層間存在著很大的抽氣阻力以及材料的不斷放氣，造成了絕熱層內(nèi)多層間的真空度遠(yuǎn)比腔內(nèi)真空度低[8]真空度才是解決殘余氣體導(dǎo)熱的根本途徑。為了改善絕熱效果，提高層間真空度，可以采取很多方法：1的流導(dǎo)，改善透氣性，減少抽氣阻力；2應(yīng)采用較薄的隔墊材料和松軟的多層纏繞結(jié)構(gòu)；3[9]；4小于10-2Pa3-3給出了加入填炭紙前后絕熱效果的關(guān)于比情況。試材層厚度試材層厚度真空度比熱流當(dāng)量熱導(dǎo)率/W/mK8.7μm鋁箔+機(jī)制0.00144填炭紙8.7μm鋁箔+烘烤0.001070過(guò)的機(jī)制填炭紙8.7μm鋁箔+機(jī)制0.00128填炭紙+吸氣劑填炭紙+吸氣劑0.00077數(shù)/mm/Pa/W/m2103.24410496.6104102.9810477.8104103.054104104103.24410451.7104鋁箔+烘烤過(guò)機(jī)制填炭紙+吸氣劑（只用機(jī)械泵抽真空）鋁箔+驗(yàn)貨標(biāo)準(zhǔn)的玻璃纖維紙鋁箔+烘烤過(guò)的玻璃纖維紙

10 3.24 4104 104 0.0007610 2.85 104 173.4104 0.0022810 2.09 4104 187.2104 0.00179鋁箔+驗(yàn)貨標(biāo)準(zhǔn)的尼龍網(wǎng) 10 3.11 104 91.6104

0.00131試材層數(shù)試材層數(shù)厚度/mm/Pa比熱流/μW/m2/μW/mK12μm鍍鉛網(wǎng)+機(jī)101.84104373.41040.003120.002150.003050.00150.0041制填炭紙2.167104216.710412μm鍍鋁膜102.679104248.2104多層鋁膜+手工填炭粉102.80104116.3104多層鋁膜+烘烤過(guò)的手工填分子篩10～3104298.5104紙多層鋁膜+烘烤過(guò)的機(jī)制填氧化鋁紙

10 ～3 104 253.2104 0.0035多層反射屏的層數(shù)及密度關(guān)于絕熱效果的影響從理論上講,反射屏層數(shù)越多,包的越密,將使輻射傳熱下降會(huì)提高絕熱效果。但事實(shí)上不是這樣。由于輻射傳熱不占傳熱的主要部分，層數(shù)及密度增大會(huì)造成抽真空阻力增大層數(shù)越多，層密度越大，抽氣阻力就越大；表面積越大，則放氣量也就越大。因此在多層中便造成了中間層壓力最大的壓力分布。同時(shí)包纏越密,層間接觸面積大造成固體導(dǎo)熱增加,都不利于絕熱。10層左右時(shí)的增加,,10～30層左右是高真空多層絕熱的最佳層數(shù)。層間壓緊力關(guān)于于絕熱效果的影響層間壓緊力越小越有利于絕熱,但壓緊力過(guò)小會(huì)造成多層屏變松脫440m3槽車(chē)儲(chǔ)罐計(jì)算參數(shù)3支撐漏熱和多層絕熱體漏熱。1=2200mm；2=2400mm；內(nèi)封頭高：L2=550mm；內(nèi)封頭直邊高度：h=25mm；儲(chǔ)罐內(nèi)膽容積：V=40m3；充裝率： 90% ；43=200mm4=100mm；5=100mm；內(nèi)筒筒體長(zhǎng)：L1=10m；δ10。1支撐構(gòu)件漏熱量的計(jì)算玻璃鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為： 0.28W/mkh

(2 2

)δ1

(24002200)102Aπ1 4

π0.1240.00785m2

90mm下支撐的截面積： AS S2 外環(huán) 內(nèi)環(huán)

π2 π24 3 4 4π0.22 π0.12內(nèi)膽中液化天然氣的溫度：-162℃外界大氣溫度：20℃

4 4根據(jù)圓筒壁熱傳導(dǎo)方程求單個(gè)上支承漏熱量為：QA ΔT0.00785162204.45W1 1 δ 0.09上支承構(gòu)件的漏熱總量：

Q

4Q1

44.4517.8W單個(gè)下支承漏熱量為：

QA2 2

ΔT1622013.33Wδ 0.09下支承構(gòu)件的漏熱總量：

Q下支撐

4Q2

413.3353.32W支承漏熱總量為：Q支撐

Q上支撐

Q下支撐

17.853.3271.12W絕熱體漏熱量的計(jì)算0.02mm厚鋁箔+0.015mm0.2%，所以以此來(lái)計(jì)算絕熱體的漏熱量。Q αVργ總 86400(5.9)式中，Q總

——整體漏熱量，W；γ——LNG的汽化潛熱，5.093105J/kg；V——儲(chǔ)罐的容積，V40m3 ；ρ——LNG密度，ρ426kg/m3 ， ——充裝率， 90%。

αVργ總 864000.2%4042690%5.09310586400180.8W多層絕熱體的漏熱量：Q Q絕 總

Q 180.8 71.12109.68W支撐絕熱層厚度的計(jì)算絕熱層厚度計(jì)算公式如下:mδλFΔTmQ絕式中:δ——多層絕熱層厚度m；λ——104W/mKF ——多層絕熱體的傳熱計(jì)算面積，m2；mΔT——傳熱溫差，K；Q ——經(jīng)過(guò)多層絕熱體的漏熱量,W。絕λ104W/mKΔT273111162K內(nèi)筒筒體內(nèi)表面面積：F筒體

πL1

π2.21069.08m2查表得橢圓封頭內(nèi)表面面積：F封頭

5.5229m2內(nèi)筒內(nèi)表面積為：F Fm 筒體

2

封頭πL1 1

25.5229π2.21025.522969.085.522922δ

λFΔTmQ

104162109.68

0.0297m

29.7mm絕所選保溫材料的層密度為50層/mm，30故，保溫層數(shù)為：5029.7 =49.5=50層305施工工藝設(shè)備初步設(shè)計(jì)主要設(shè)備（CA圖轉(zhuǎn)軸，電動(dòng)機(jī)和皮帶輪組成。其中，固定裝置囊括輪子（可多向轉(zhuǎn)動(dòng)并且可固定，支架（采用型號(hào)為10/6.3(GB9788-88角鋼，銷(xiāo)子。轉(zhuǎn)軸分為兩段，全部位于支架上，一段固定在皮帶輪上，可左右移動(dòng)。電900毫米，長(zhǎng)100米。附件剪刀，一把針，線（玻璃纖維絲）用于訣別縫合鋁箔與玻璃布電吹風(fēng)卷尺粘膠帶記數(shù)器（記錄包扎層數(shù)）施工前的準(zhǔn)備工作衛(wèi)Th要求初步設(shè)計(jì),因此,中應(yīng)注意如下三個(gè)方面：,層接觸件均應(yīng)采用四氟化碳進(jìn)行嚴(yán)格的去油污清洗。,手套才能進(jìn)行裝配。纏繞施工時(shí),環(huán)境應(yīng)保持潔凈,不得在灰塵大的環(huán)境中進(jìn)行。初,,板再涂一層青漆,保證環(huán)境潔凈。絕熱材料的選擇絕熱材料的選擇,既要考慮材料的性能是否滿(mǎn)足設(shè)備的運(yùn)行工藝要求,又要考慮絕熱工程造價(jià)和絕熱施工工藝等諸方面因素。關(guān)于于多層絕熱材料的組合,目前使用最為理想的是玻璃纖維布或尼龍網(wǎng)布與能比較好,,增大絕熱層內(nèi)各鋁屏間邊界層的熱阻δ0.02mm的鋁箔加δ0.015mm的玻璃絲布（具體分析見(jiàn)3.2.。鋁箔處理,,應(yīng)經(jīng)過(guò)500~600℃表面除油并且經(jīng)退火處理空罐中保存待用（防止氧化變質(zhì)。玻璃絲布處理0.015mm560℃溫度下