摘 要：針對現有LNG儲罐蒸發率測量的局限性，基于LNG常壓儲罐的日常運行數據，通過稱重法和蒸氣流量法分別測量儲罐的蒸發率，分析充滿率及環境溫度等對蒸發率的影響。充滿率在75％～55％時，對應的蒸發率呈先降低再升高的趨勢。環境溫度越高，BOG產生量越大，蒸發率越高，密閉LNG儲罐內的壓力上升越快。儲罐漏熱量越大，外界擾動越大，蒸發率越高。
關鍵詞：LNG常壓儲罐 蒸發率 環境溫度 充滿率
Evaporation Rate Measurement of LNG Atmospheric Tank and Analysis of Influencing Factors
Abstract：Aiming at the limitations of evaporation rate measurement of existing LNG storage tank，based on the daily operation data of LNG atmospheric storage tank，the evaporation rate of the storage tank is measured respectively by the weighing method and steanl flow method，and the influences of filling rate and environmental temperature Oil the evaporation rate are analyzed．When the filling rate is between 75％ and 55％，the corresponding evaporation rate shows a trend that first decreases and then increases．The higher the environmental temperature，the greater the BOG quantity，and the higher the evaporation rate，the faster the rise of pressure inside he sealed LNG storage tank．The greater the storage tank heat leakage，or the larger the external perturbation，the higher the evaporation rate．
Keywords：LNG atmospheric tank evaporation rate environmental temperature；filling rate
1 概述
隨著能源需求的不斷增長和相關技術的成熟，近年來中國LNG工業正逐步興起，并形成了一些發展LNG產業的有利條件。LNG的體積約為同等質量天然氣體積的1／600，可以節約儲運空間和成本。天然氣在液化時除去了雜質，故LNG是一種清潔、高效的能源，是優質的工業與民用燃料[1]。LNG儲罐作為LNG儲存系統的核心設備，其良好的性能是保證整個系統安全運行的關鍵。蒸發率作為儲罐的主要性能指標，對其進行研究有著重要的意義。由于設備局限，目前國內現有文獻多停留于理論方法及實驗研究層面，對實際工況中的蒸發率及其影響因素缺乏直觀的了解。本文以杭州市西部LNG氣化站4500m3的常壓LNG儲罐為例，計算它的蒸發率，分析溫度及充滿率對蒸發率的影響，從而對儲罐的設計以及LNG的高效、安全儲存有一定的借鑒意義。
2 蒸發率測量
本文研究的LNG儲罐為有效容積4500m3的地上型單容罐。該LNG儲罐為常壓罐，設計壓力為20kPa，工作壓力為l0kPa，設計溫度為-196～38℃。內筒主要由頂蓋、簡體和底板組成，結構為平底圓拱型儲罐，材質均采用奧氏體不銹鋼。外筒也主要由頂蓋、簡體和底板組成，結構與內筒類似，材質為Q345R。外筒與內筒間的空間為真空絕熱層，厚度為lm，夾層空間約1828m3，其中充滿堆密度為40～60kg／m3的珠光砂作為絕熱材料。受罐體絕熱材料的限制，外界熱量通過罐壁、罐頂及罐底等部位傳至儲罐內，LNG吸收來自外界的熱量后溫度不斷上升，當打破儲罐內的氣液平衡時，LNG便由液態變為氣態，產生大量的蒸發氣(BOG)。
站里日常記錄的數據主要包括：溫度計測得的溫度，液位計測得的LNC液位高度，流最計測得的BOG的排放量。測量開始時間為每天上午8時。
2．1 測量方法
在測量過程中，主要測量儲罐內壓力、溫度及LNG儲罐的蒸發率。LNG儲罐的蒸發率是指儲罐的靜態日蒸發率(依據GB l8442—2011《固定式真空絕熱深冷壓力容器》，以下簡稱蒸發率)，即低溫絕熱儲罐在裝有大于1／2有效容積的LNG時，靜置達到熱平衡后，24h內自然蒸發損失的LNG液體質量與容器有效容積下低溫液體質量之比，換算為標準環境狀態下(20℃，101.325kPa)的蒸發率值。蒸發率能較為直觀地反映儲罐使用時的保冷性能。目前，測試低溫液體蒸發率主要有3種方法[2]：稱重法、蒸氣流量法、自然升壓法。其中，自然升壓法就是設備在低溫液體充分冷卻后，關閉所有閥門，不允許氣體排出，熱流進入設備，使部分低溫液體蒸發。根據壓力升高的幅度和時間，計算出設備的蒸發率。而實際工況中無法做到密閉狀態，故不采用自然升壓法進行蒸發率測試。下面主要介紹分別用稱重法和蒸氣流量法對4500m3單容常壓罐測量其蒸發率。
2．1．1稱重法
稱重法就是用衡器直接稱量低溫液體容器的質量，保持容器內的壓力恒定，在熱平衡條件下，24h測試一次，前后兩次稱量的質量之差，即是蒸發的液體質量。對于大型常壓儲罐，可近似認為容器內的壓力恒定，其質量則可以通過低溫液體的密度以及低溫液體在容器中的實際體積來求得。實際上可通過重量法計算蒸發率，它是指一天(24h)內蒸發的低溫液體質量與儲液容器有效容積下低溫液體質量之比，見式(1)：
式中a1——稱重法測得的工況蒸發率
m1——24h內損耗的低溫液體質量，kg
m2——儲液容器有效容積下低溫液體質量，kg
選取杭州燃氣西部LNG氣化站內無進出液等操作的情況下，記錄常壓罐每日液位，以5月上旬實際液位為例(日平均氣溫取25℃)，計算儲罐的蒸發率。
①計算24h后減少的LNG液體體積DV
杭州燃氣西部LNG氣化站有效容積為4500m3的內罐結構為平底圓拱型，內罐半徑為10m，故計算液體體積時在未超過最高液位14324mm前，均可按圓柱體體積公式計算。
5月5日8時，液位高度8728mm；5月6日8時，液位高度8712mm；24h內液位下降16mm；假設24h前后液體密度不變。計算出5月5日8時，LNG體積為2741.982m3；減少液體高度16mm，減少LNG體積為5.027m3。同理，計算不同日期靜置24h減少的LNG液體體積見表l。
②計算工況下蒸發率a1
m1＝rDV (2)
m2＝rV0 (3)
式中r——罐內LNG實測液體密度，kg／m3，取422.4701kg／m3
DV——減少的LNG體積，m3
V0——儲罐的有效容積，m3，取4500m3
計算得工況下的蒸發率a1，見表l。
③折算成標準環境狀態下蒸發率a2
根據GB／T l8443.6—2010《真空絕熱深冷設備性能試驗方法第6部分：漏熱量測量》，有：
式中a2——稱重法測得的標準環境狀態下蒸發率
r1——罐內平均壓力(表壓10kPa)下飽和液體氣化潛熱，kJ／kg，查CH4壓焓圖得520kJ／kg
r2——標準大氣壓力(絕壓l01.325kPa)下的飽和液體氣化潛熱，kJ／kg，查CH4壓焓圖得510.8kJ／kg
T0——標準環境狀態溫度，K，取293K
Ts——標準大氣壓力(絕壓l01.325kPa)下液體的飽和溫度，K，取111K
T1——實測平均環境溫度，K，取298K
T2——罐內平均壓力(表壓10kPa)對應的深冷液體飽和溫度，K，取112K
由于初始充滿率不同，對于同一容器也會產生單位液體體積受熱量不同。為盡量減少充滿率對蒸發率的影響，這里在計算蒸發率時盡可能在充滿率相近的情況下進行比較。儲罐的充滿率F計算公式為：
式中F——儲罐的充滿率
V1——罐內儲存的LNG體積，m3
計算得標準環境狀態下的蒸發率a2和充滿率F見表2
2．1．2蒸氣流量法
該方法是通過流量計，如濕式流量計、干式流量計(燃氣表)、轉子流量計等儀器儀表，測量蒸發氣體的流量。通過流量計測量的氣體流量是在一定的溫度、壓力條件下的氣體流量。由于測量時的溫度、壓力等條件不同，此時的氣體密度也會變化，因此需做必要的修正。
首先要將測得的流量換算成標準環境狀態下的流量q0：
式中q0——標準環境狀態下日體積流量，m3／d
qV——實測蒸發氣體的日體積流量平均值，m3／d
p——被測氣體的絕對壓力，MPa
p0——標準大氣壓力(絕對)，MPa
Tf——流量計測量時的氣體溫度，K
液化氣體從液態蒸發為標準環境狀態下的氣態，需要對低溫液體與氣體進行溫度修正，假設其體積增為n倍，則低溫液體的損耗速率N0為：
式中N0——低溫液體的損耗速率，m3／d
n——標準環境狀態(20℃，101325Pa)下的液化氣體的氣液體積比
這里n在標準環境狀態下的氣液體積比無資料，故只能借用標準狀態下(0℃，101325Pa)的氣液體積比(參照GB／T l8443.5—2010《真空絕熱深冷設備性能試驗方法 第5部分：靜態蒸發率測量》)。
實際上液體的損耗速率要大于Ⅳn值。因為隨著氣相空間的增大，需用冷氣體來填補，因此要對此值進行修正，低溫液體的實際損耗速率N為：
N＝yN0 (8)
式中N——低溫液體的實際損耗速率，m3／d
y——氣體修正系數
這樣，低溫容器的日蒸發率a3便可以由下式確定：
式中a3——蒸氣流量法測得的標準環境狀態下蒸發率
將式(6)～(8)代入式(9)，得式(10)：
式(10)中y取1.002，n取591，V0取4500m3，p取0.111325MPa，Tf取298K，Ts取298K，T取111K。
產生的蒸發氣BOG體積，正是通過流量計所測量的氣體流量，見表3。但實際上，隨著容器中液體的蒸發，蒸發掉液體的空間為蒸氣所填補，蒸發出來的蒸氣有一部分留在容器中，通過流量計的氣體量小于容器內實際蒸發量[3]。利用式(10)對qV做一定的修正后，用蒸氣流量法折算成標準環境狀態下蒸發率a3見表3。
2．2 測量結果比較分布
通過稱重法和蒸氣流量法兩種方法計算低溫液體的蒸發率，該罐的標準環境狀態下蒸發率接近0.1％，符合儲罐的安全運行要求。在充滿率比較接近的情況下，蒸發率并沒有明顯的規律性。
稱重法求得的蒸發率a2和蒸氣流量法求得的蒸發率a3的比較見圖1。
兩種結果趨勢曲線基本接近，相對來講，第二種方法求得的曲線較為平緩，蒸發率在0.09％～0.13％范圍，波動較小。
3 影響因素分析
影響LNG在常壓下儲存時間長短的主要因素是溫度、LNG充滿率、儲罐漏熱量等。要延長LNG的安全儲存時間，就需要了解各因素的變化規律和LNG蒸發規律，尋求合適方法保障LNG的安全長期儲存。
3．1 充滿率
由于初始充滿率不同，對于同一容器也會導致單位液體體積受熱量不同。隨著容器中充滿率增加，整個容器的熱容量增大，達到熱平衡時兩相壓力增加的速率減小。但是，由于液體熱膨脹，氣相空間減少，使壓力增長速度加快。這一矛盾的結果，使得在充滿率過大或過小時都能使LNG無損儲存的時間縮短。
記錄在1月22日至7月25日期間按每隔l5d的數據，計算求得的充滿率與蒸發率a2隨時間的變化情況見圖2、3。
從圖2、3可以得出：從l月到7月整個過程來看，當充滿率在75％～55％區間時，隨著充滿率的逐漸降低，蒸發率趨于先降低再升高的趨勢。其中4月23日的蒸發率有細微的波動，可能是LNG輕微翻滾等其他因素的影響。
3．2 環境溫度
環境溫度對漏熱和蒸發率的影響與傳導傳熱、輻射傳熱在整個漏熱中所占的比例有關。如果已知各種漏熱所占的比例，則可以根據傳熱學的基本定律，計算出環境溫度變化對蒸發率的影響。設輻射漏熱占總漏熱的比例為¦[4]406-408，傳導傳熱所占的比例為g[4]41-45，¦+g=1。設環境溫度為Tm時的蒸發率為am，環境溫度為Tn時的蒸發率為an，可由傳熱學基本定律導出下式：
式中an——環境溫度為Tn時的蒸發率
am——環境溫度為Tm時的蒸發率
¦——輻射漏熱占總漏熱的比例系數
——熱輻射溫度系數
g——傳導傳熱占總漏熱的比例系數
——無量綱過余溫度[4]80
儲罐蒸發量越大，蒸發氣BOG體積流量越大(這里產生的BOG均可通過裝有體積修正儀的流量計讀得，均為標準環境狀態下的體積流量)。下面就以每月日平均BOG體積流量來比較各個月份日蒸發量的大小。因3月份流量計出現故障，故不計數。這里比較低溫容器的日蒸發率時，選取了相對較寬的時間范圍內的日平均BOG體積流量來比較蒸發率。與溫度影響程度相比，壓力影響很小[5]。可粗略認為，此時的日平均BOG體積流量是在相同大氣壓下不同溫度下的蒸發量。各個月份的日平均BOG體積流量(標準環境狀態下)見表4。
從表4可以看出，各月的日平均BOG體積流量基本隨環境溫度升高而增加，7月份平均氣溫最高，該月日平均BOG體積流量也最大，即儲罐蒸發量最大。從19℃上升到25℃時，產生BOG量迅速增加。環境溫度越高，密閉LNG儲罐內的壓力上升越快，LNG儲罐的安全儲存時間越短，蒸發率越大。這和LNG密閉儲存時冬季儲存時間較長夏季儲存時間較短一致。為了安全起見，在實際應用時LNG儲罐密閉儲存時間應按照夏天的環境溫度進行設計。
3．3 其他因素
密閉LNG儲罐的保冷性能越好，蒸發率越低，LNG儲罐內的壓力上升越慢，LNG安全密閉儲存時間越長。當容器充注低溫液體開始儲存后，由于漏熱量的影響，一方面由于系統熱力學能的增加，溫度上升，而使其飽和壓力增加；另一方面，由于溫度上升，而使液體的體積膨脹，使氣相空間減少，而使氣相壓力急劇增大。因此提高低溫容器的絕熱性能，減小日蒸發率是延長無損儲存時間的主要途徑之一。
此外液面氣相壓力的變化必然引起低溫液體蒸發溫度和氣化潛熱的改變，從而引起傳熱量和蒸發率的改變。
LNG裝卸液或杜瓦瓶充裝等日常操作也產生影響。10月份杭州市西部LNG氣化站共向儲罐卸液2000m3左右，該月的日平均BOG體積流量相對其他月份大大增加，10月份的日平均BOG體積流量為6482.92m3／d。當有卸液操作時，會影響罐內液體本身的自然對流，對其產生擾動，從而會增大低溫液體的蒸發率。
在長期儲存的條件下，罐內LNG會發生分層，分層液體在儲罐周邊漏熱作用下，形成各自獨立的自然對流循環，進而使各層液體的密度不斷發生變化，當上下兩層的密度足夠接近時發生快速混合，下層積聚的熱量突然釋放出來，同時伴隨著LNG表面蒸發率的驟增，從而易引起儲罐內過熱的LNG大量蒸發而導致翻滾事故的發生[6]。翻滾會迅速產生很大的蒸發量，這也是生產過程中要盡量避免的。
4 結論
針對現有LNG儲罐蒸發率測量的局限性，本文通過實際工況記錄，計算了LNG常壓儲罐的蒸發率。通過稱重法和蒸氣流量法兩種方法分別計算了低溫液體儲罐蒸發率，蒸氣流量法測蒸發率誤差相對較小。影響LNG在常壓下儲存時間長短的主要因素是LNG充滿率、環境溫度、儲罐漏熱量、外界擾動等。1月到7月，當充滿率在75％～55％區間內時，隨著充滿率的逐漸降低，蒸發率曲線趨于先降低、再上升的趨勢。在充滿率過大或過小時都能使LNG無損儲存的時間縮短。環境溫度越高，儲罐漏熱量越大，外界擾動越大，蒸發率越高，LNG儲罐的安全儲存時間就越短。
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本文作者：朱麗芳 沈德利
作者單位：杭州市燃氣集團有限公司
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