LNG接收站绝热结构中泡沫玻璃的绝热效果研究及分析.pdf

222023年第2 6 卷论文广场石油和化工设备LNG接收站绝热结构中泡沫玻璃的绝热效果研究及分析张益公李文杰苏靖伟陈亮亮亮张金池（海洋石油工程股份有限公司，天津，30 0 46 1）摘要泡沫玻璃作为一种高强度、低导热的绝热材料被广泛应用于LNG接收站的绝热结构。为研究分析泡沫玻璃在LNG接收站绝热领域绝热效果及作用，以接收站中最重要的LNG储罐罐底绝热结构和LNG运输管道绝热结构为对象对泡沫玻璃的绝热能力进行有限元分析计算。基于有限元分析结果开展温度分析，明确泡沫玻璃在两种绝热结构的绝热效果。结果表明，泡沫玻璃在LNG储罐罐底绝热结构和LNG运输管道绝热结构中均有较好的绝热、保冷能力，因此泡沫玻璃能够显著的提高LNG管道和LNG运输管道绝热结构的绝热能力。【关键词泡沫玻璃；热分析；绝热结构；绝热效果；低温保冷1引言液化天然气即LNG（L i q u e f i e d Na t u r a l G a s），是在常压下将气态的天然气冷却至-16 2，使之凝结成液体。天然气液化后，可以大大节约储运空间和成本。LNG是一种清洁、高效的能源，很多国家都将LNG列为首选燃料，天然气在能源供应中的比例迅速增加。据报告，未来30 年天然气将是我国需求增长最快的能源产品。预计天然气在中国能源结构中的市场份额到2 0 30 年将增至15%。我国天然气自身供应能力难以满足国内天然气市场的需求，进口海外天然气成为了必然的选择。我国进口天然气以LNG为主，2 0 0 6 年广东大鹏LNG接收站投产，开启了我国使用进口LNG的新纪元。经过10余年的发展，依托LNG接收站进口的LNG已成为中国天然气供应的主要来源之一，沿海沿江LNG接收站迅速完成布局建设。2 0 2 1年，我国已超越日本成为全球最大的LNG进口国。预计2 0 2 2 年中国LNG接收能力为1.16 亿吨/年，2 0 30 年接收站数量将达到47 座左右，接收能力达到2.35亿吨/年。LNG接收站在保障能源供应和市场调节方面发挥了重要作用。LNG接收站作为天然气储送的核心装置，其绝热系统的选择，对于LNG接收站安全、稳定、经济、高效建设和运行至关重要。泡沫玻璃作为一种高强度、低导热、稳定、无污染以及能够适用于各种恶劣复杂环境的纯无机硬质绝热材料，是LNG接收站绝佳的绝热系统材料，非常适合用作LNG储罐罐底承压绝热和LNG输送管道的绝热防腐。2LNG储罐罐底绝热结构的绝热效果分析2.1LNG储罐罐底绝热结构设计LNG储罐是LNG接收站的主要设施，储罐是由预应力混凝土外罐、9%Ni低温钢内罐、双金属层罐底及钢筋混凝土穹顶构成。LNG储罐是低温储罐，其绝热系统是由罐顶、罐壁和罐底绝热系统构成。高性能泡沫玻璃具有强度高，导热系数低，线膨胀系数小，材料为纯无机材料，不吸水不透湿，性能稳定不衰减，是低温储罐罐底不可替代的承压绝热材料。常规LNG储罐罐底系统结构如下图1-1所示。作者简介：张益公，男，海洋石油工程股份有限公司，高级项目经理，现从事LNG工程项目管理-23-张益公等LNG接收站绝泡沫玻璃的绝热效果研究及分析第8 期5632图1-1LNG储罐罐底系统结构目前，在国外的日本等国家，罐底通常全部使用12 0 0 型泡沫玻璃。而国内大型LNG储罐罐底全部采用高性能泡沫玻璃作为绝热承压材料，底部及热角保护区域使用8 0 0 型泡沫玻璃，在环梁部分，因储罐容量不同，使用是16 0 0 型或2 40 0 型泡沫玻璃，罐底保冷层的厚度一般为450 mml。2.2LNG储罐罐底绝热结构热分析计算泡沫玻璃在LNG储罐罐底保冷中的工程应用可以采用ANSYS热分析和结构应力分析结合的方式进行计算。ANSYS热分析基于能量守恒定理的热平衡方程，采用有限元方法计算各节点的温度并得到其他物理参数，热应力分析以热分析得到的各节点温度为基础，对具体结构进行应力分析，确定在温度场作用下该结构的应力场变化 5。以国内某LNG储罐罐底系统为例，开展有限元热分析研究泡沫玻璃对罐底保冷系统的影响。从结果可以明显看出，泡沫玻璃发挥了良好的保冷隔热效果，减小同外界之间的热量传递，维持罐内温度平衡。AnsysAnsysNODALSOLOTION2021R2NODAL.SOLOTION2021R2STEP-1STEP-SUB-1080B-10TIME-100TIME-100TENP(AVG)TEMP(AVG)RSY8mORSYS0$NN-168SH4168SNX-36.2985SMX*-15.3374-122.67720073180113.5986168-134.075-200.15-667224936.298532.2999*145.3-99.9005-54.5008-9.10119-151-037-217.11203.1874-49.2624-15.3374(a)夏季(b)冬季,图1-2 某LNG储罐罐底系统热分布图由图1-2 某LNG储罐罐底系统热分布图得知：无论夏季还是冬季，LNG内罐底部罐壁和混凝土罐底部罐壁温度差16 8，泡沫玻璃对罐底保冷系统有着重要的保护作用，泡沫玻璃很好的阻止了外界热量从罐底流入罐内。因此，泡沫玻璃能够隔绝低温与高温之间热交换，更好的对低温LNG进行保冷。3LNG管道绝热结构的绝热效果分析3.1LNG管道绝热结构设计LNG接收站通常建设在沿江沿海地区，站内LNG管道输送的是-16 2 的液化天然气，管道架设在地面之上，管道长期处于高湿、盐雾等恶劣复杂环境下，需要绝热材料具有优良的气密性、水密性、尺寸稳定性、耐腐蚀性。在实际的工程应用中，常见的LNG管道泡沫玻璃绝热结构有三种结构形式：全泡沫玻璃结构、泡沫玻璃+PIR+泡沫玻璃、泡沫玻璃+PIR。89101112图1-3LNG管道绝热结构如图1-3所示，全泡沫玻璃LNG管道绝热结构是由三层泡沫玻璃管壳包覆在管道上构成，该结-24-2023年第2 6 卷论文广场石油和化工设备构形式的LNG管道绝热层总厚度为18 0-2 40 mm。该系统结构的特点是绝热稳定性好，兼顾高温保温性能，抗压强度高，防水防火性能优，气密性好，运行安全经济，管道没有应力腐蚀风险，拆除无二次污染。但绝热系统厚度相对较厚，一次性投资相对较高 。全泡沫玻璃LNG管道绝热结构在国外LNG领域应用较为普遍，比如工程应用环境最为恶劣的亚马尔项目，就是采用的该种结构。7810111213图1-4LNG管道绝热结构如图1-4所示，泡沫玻璃+PIR+泡沫玻璃LNG管道绝热结构是由两层泡沫玻璃中间夹一层PIR管壳构成，该结构形式的LNG管道绝热层总厚度为160-220mm。该系统结构的特点是绝热性能好，运行安全经济，管道应力腐蚀风险低，防水防火性较好，拆除后有一定的环境污染，是兼顾性能和一次性投资最佳的结构方案 7 。泡沫玻璃+PIR+泡沫玻璃LNG管道绝热结构近几年开始接收和使用，比如青岛LNG项目。5678910111213图1-5LNG管道绝热结构如图1-5所示，泡沫玻璃+PIRLNG管道绝热结构是由内层泡沫玻璃和外两层PIR管壳构成，该结构形式的LNG管道绝热层总厚度为150-2 10 mm。该系统结构的特点是绝热性能较好，管道应力腐蚀风险低，一次性投资较低，但系统性能会随着时间的推移衰减，有火灾风险，拆除会造成环境污染 8。泡沫玻璃+PIRLNG管道绝热结构应用领域相对广泛，并且在国内LNG领域使用较为普遍。3.2LNG管道绝热结构热分析计算借助ANSYS研究泡沫玻璃在管道绝热结构的热力学特性。泡沫玻璃LNG管道绝热结构的热分析与结构分析采用一套计算模型，只是热分析时采用热学单元，结构分析采用力学单元。热学单元采用PLANE55、结构分析采用PLANE182进行计算分析。管道结构物性参数详见表1-1所示。表1-1管道结构物性参数名称密度(kg/m3)比热(kj/kgK)导热系数(W/(mK)热膨胀系数(1/K)OCr18Ni9786046011.81.67*10e-5泡沫玻璃168800.0386*10e-6PIR80358.70.02555*10e-6根据三种LNG管道绝热结构设计建立LNG管道有限元模型，对三种LNG管道绝热结构进行热分析和热应力分析，具体分析记过如下所示。NODALSOLUTIONNODALSOLUTIONSTEP-1STEP-1SUB6SUB6TIME-1TIHE-1TEMP(AVG)SEQV(AVG)RSYS-ODMX-7.85073SMN-168SMN-.0080795MX-35.9997SMX.152516122.66777.333532:0002.008079.040176.072274-164371.13646813-145.333-10054.66689.3335435.9997.024128.056223.088322120419152516(a)热分析结果(b)热应力分析结果图1-6 全泡沫玻璃绝热结构分析结果25张益公等LNG接收站绝泡沫玻璃的绝热效果研究及分析第8 期全泡沫玻璃LNG管道绝热结构如图1-6 所示。结果表明：管道绝热结构截面内温度分布较为均匀，最高温度出现在管道绝热结构最外侧，最低温度出现在管道绝热结构最内侧。因此，全泡沫玻璃LNG管道绝热结构保温效果较好，三层泡沫玻璃将管道内部与外界温度间隔开，使管道内部所受外界温度的影响降到最低。由管道绝热结构的热应力分析得知，管道内部液化天然气压力对泡沫玻璃的压力仅为8 KPa。NODALSOLUTIONNODALSOLUTIONSTEP-15TEP1SOB-6SUB-6TIHE-1TIME-)TEMP(AVG)SEQV(AVG)RSYS-ODOX-8.26323SMY-168SMN-.009059SMX-35.99975MX=,159968X122.667-773335-32.0002.009859.043217.0765741099321432893-145.333-100-34.6668-9.3335535.9997.026538.059895.093253.12661.159969(a)热分析结果(b)#热应力分析结果图1-7泡沫玻璃+PIR+泡沫玻璃绝热结构分析结果泡沫玻璃+PIR+泡沫玻璃LNG管道绝热结构如图1-7 所示。结果表明：管道绝热结构截面内温度分布较为均匀，最高温度出现在管道绝热结构最外侧，最低温度出现在管道绝热结构最内侧。因此，PIR材料与泡沫玻璃的导热系数相差仅为0.007，导致管道绝热结构内的温度分布差距可以忽略不计。由管道绝热结构的热应力分析得知，管道内部液化天然气压力对泡沫玻璃的压力仅为9.8KPa。NODALSOLUTIONNODALSOLUTIONSTEP-1STEP-1SUB-6SUS=6TIME-1TIME-1TEXP(AVG)SEQVKAVG)RSYS-ODMXm8.39293SMN-1685MN-.01066SMX=35.99995MX.162202122.667-77.3334-32.000113.3332.01066.044336.078012.111688160-100-54.6667-9.3334435.9999145364-145.333027498.061174.09485.128526.162202(a）热分析结果(b）热应力分析结果图1-8泡沫玻璃+PIR绝热结构分析结果泡沫玻璃+PIRLNG管道绝热结构如图1-8 所示。结果表明：管道绝热结构截面内温度分布较为均匀，最高温度出现在管道绝热结构最外侧，最低温度出现在管道绝热结构最内侧。因此，PIR材料与泡沫玻璃的导热系数相差仅为0.0 0 7，导致管道绝热结构内的温度分布差距可以忽略不计。由管道绝热结构的热应力分析得知，管道内部液化天然气压力对泡沫玻璃的压力仅为1 0.6 KPa。4结论（1）无论夏季还是冬季，泡沫玻璃对罐底保冷系统有着明确的保护作用，泡沫玻璃很好的阻-26-2023年第2 6 卷论文广场石油和化工设备止了外界热量从罐底流入罐内。因此，泡沫玻璃能够隔绝低