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发布时间:2020-08-06 05:16

  中小型LNG立式储罐设计_能源/化工_工程科技_专业资料。应用技术 中小型 LNG 立式储罐设计 张 杰 毛雪东 王明富 周凯崧 (北京航天发射技术研究所 北京 100076) 摘 要:从总体和 局 部 结 构 、设 计 计 算 以 及 工 程 图

  应用技术 中小型 LNG 立式储罐设计 张 杰 毛雪东 王明富 周凯崧 (北京航天发射技术研究所 北京 100076) 摘 要:从总体和 局 部 结 构 、设 计 计 算 以 及 工 程 图 纸 等 几 个 方 面 对 LNG 立 式 储 罐 的 设 计 进 行 了 介 绍 ,总 结 了一些相关方面的设计要点和注意事项,并对低温 LNG 立式储罐的设计和当前研究热点做了一定展望。 关键词:LNG 储罐;设计计算;应力分析;结构设计 中 图 分 类 号 :TE626.7 文 献 标 识 码 :A 1 概述 天然气作为一种新兴燃料, 其主要成 分是甲烷, 由于燃烧后对空气的污染非常 小,而且燃烧热值大,被公认是地球上最干 净的能源。 LNG(Liquefied Natural Gas,液 化天然气) 是将天然气净化深冷液化而成 的 液 体 ,其 体 积 约 为 气 态 时 体 积 的 1 / 600。 液化了的天然气更有利于进行远距离运 输、储存,使天然气的应用方式更灵活、范 围更广。 尤其是在工业中心和人口稠密地 区 ,LNG 的 应 用 更 具 优 越 性 ,LNG 也 被 称 为最有前景的能源, 日本等一些国家已将 其作为进口能源的主要形式。 目 前 ,LNG 工 业 相 关 技 术 发 展 已 经 十 分 成 熟 , 已 形 成 稳 定 可 靠 的 LNG 工 业 链 (见图 1)。 LNG 工业链中无论是 LNG 液化 工厂到装船海运,还是 LNG 接 收 站 到 各 中 转 站 (LNG 加 注 站 或 汽 化 站 ),基 本 都 离 不 开低温储存设备—LNG 储罐(槽)。 虽然压 力容器在总体结构设计和技术实现方面已 经非常成熟, 但是在具体的设计计算和局 部结构等细节方面还是有一些值得总结的 地 方 ,怎么找到AG官方网站特 别 是 LNG 的 低 温 、易 燃 易 爆 等 危 险性, 决定了设计储存设备时考虑要更全 面,笔者就此对用于储 存 LNG 的 立 式 储 罐 图 1 LNG 工业链 (中小型)在设计中经常碰到的问题和容易 忽视的细节作一个归纳, 以期对相关设计 有所帮助。 2 总体结构 2.1 外形 考虑到单位容积的表面积较小, 能节 省材料;在预冷时能减少冷量损失等优点, 低温容器一般做成球形或者圆筒形。 从制 造工艺方面考虑, 球形只适用于杜瓦瓶和 大型固定 式储槽,因此中 小 型 LNG 贮 罐 选 用圆筒形,外容器两端封头用碟形封头,内 容器两端封头用椭圆形封头, 具体结构如 图 2 所示。 2.2 材料选用 选用金属材料时应考虑材料在低温深 冷条件下的强度和韧性, 内容器还须同时 考虑材料与液化天然气的相容性。 奥氏体 不 锈 钢 0Cr18Ni9(304)在 低 温 条 件 下 有 较 好的韧性和强度性能, 且与天然气能很好 相容,因此内容器和管路均可选用;外容器 由于在常温和真空条件下工作, 故可选用 质优价廉的碳钢。 2.3 绝热方式及材料选用 绝热方式和材料在选用时主要从以下 几方面来考虑:绝热的效果、是否经济、结 构是否牢固、 重量和体积的 影响、 制作加 工是否方便, 以及技术上是 否能够实现 等。 目前比较 常见的方式有 以下几种: (1) 高 真 空绝热: 也称 图 2 LNG 立式储罐总体结构示意图 为单纯真空绝热。 一般要求绝热的封闭空 间 ( 夹 层 中 ) 保 持 1.33×10-3Pa 以 下 压 强 的 真空度, 才能消除对流换热和绝大部分的 气体导热。 但是要获得和保持这样的高真 空是比较困难的, 所以一般稍大型的装置 很少使用。 (2)真 空 多 孔 介 质 绝 热 : 是 一 种 在 真 空 空间充填多孔介质绝热材料的绝热形式, 一般的多空介质材料为粉末和纤维, 真空 空间的线 Pa。 真空多 孔介质的应用, 不但克服了高真空不适宜 制作大型容器的缺点, 且绝热性能有所提 高,要求的线)真 空 多 层 绝 热 : 绝 热 结 构 是 由 许 多 层辐射屏及其间的间隔物组成, 将其置于 夹套中,再将夹套空间抽至高真空。 相比较 于单纯高真空绝热方式, 由于辐射漏热的 大大降低, 真空多层绝热方式绝热性能有 很大提高;而其绝热层厚度(夹套厚度)相 对于真空多孔介质方式降低很多, 设备整 体十分轻便, 主要用于移动式低温液体设 收 稿 日 期 :2009-04-16 PIONEERING WITH SCIENCE & TECHNOLOGY MONTHLY NO.7 2009 131 科技创业 月 刊 PIONEERING WITH SCIENCE & TECHNOLOGY MONTHLY 中小型 LNG 立式储罐设计 备和小型杜瓦容器。 综合考虑绝热性能、 设备的制造成本 以及加工难易程度等因 素 ,立 式 LNG 储 罐 (槽)绝热方式应选用真空多孔介质绝热方 式。 常用的多孔介质材料有珠光砂、 气凝 胶、蛭石、硅胶粉等。 根据填充、抽取真空等 要求,综合考虑经济因素,装填珠光砂。 好 处 主 要 如 下 :①材 料 易 于 获 得 ,价 格 低 廉 ; ②珠光砂本身具有一定能力的吸附性,能 有效吸附夹套空间内剩余气体, 同时珠光 砂的存在能阻止剩余气体的流动, 保持真 空 度 的 同 时 能 有 效 降 低 气 体 对 流 焕 热 ;③ 珠光砂较好的反射作用能有效减弱辐射换 热。 3 计算及结构设计要点 3.1 确定适当设计压力 根据 GB150-1998 《钢制压力容器》定 义: 名义厚度为设计厚度加负偏差后向上 圆整至钢材标准规格的厚度。 处于以下两 种情况时,可在满足设计条件要求,且不提 高设备成本的前提下 (即不增加材料用 量 ),可 以 适 当 提 高 设 计 压 力 , 从 而 在 总 体 上提高设计要求。 (1)有 些 尺 寸 在 计 算 并 圆 整 后 提 高 很 大的;例如在设计 50 m3 LNG 立式储罐时, 给 定 设 计 条 件 为 :内 容 器 工 作 压 力 Pw=0.7 Mpa, 安 全 阀 开 启 压 力 Pz=0.75 MPa, 内 径 Di=2 700 mm,内 容 器 采 用 0Cr18Ni9,若 取 设 计 压 力 为 P=0.75 MPa(液 重 小 于 5%,忽 略 ),则 计 算 厚 度 为 (Pc=P+0.1): δ= PcDi 2[σ]t准-Pc =8.4 加 上 厚 度 附 加 量 0.8 后 为 δ=9.2,向 上 圆 整 为 n=10。 此 时 若 将 设 计 压 力 提 高 至 0.8 MPa,计 算 厚 度 为 δ=8.9,加 上 厚 度 附 加 量 0.8 为 9.7,圆整后仍为 δn=10。 (2)工 作 压 力 不 高 , 材 料 的 最 小 标 准 规 格已经远远超过设计的名义厚度。 3.2 优化设计管路 LNG 储罐的管路由于要直接与低温液 体接触,如果形状设计不合理,就有可能出 现 以 下 问 题 :①管 路 由 于 骤 冷 而 收 缩 , 从 而 产生应力集中或弯曲变形; ②LNG 液体能 自行流入绝热结构管段中,因为漏热气化, 再将汽化的蒸汽压回内容器中, 也即所谓 的“穿透”现象。 设计优化管路形状, 就能解决以上问 题。 一般在设计时会将管路在夹套绝热层 设计成 U 型、S 型、环形或螺旋形。 具体要 考虑伸缩量大小以及“气封”与否的实际情 况进行设计。 3.3 合理布置放散管口 根据相关的设计规范和规定, 易燃易 爆物不能就地放散或放空, 必须集中处理 或引至高空进行集中排放。 LNG 作为易燃 易爆物如果就地放散就有可能遇明火而着 火,或者聚集到一定浓度而引起爆炸。 因此 在设计安全阀的泄放口、 放空口以及残液 排放口等放散管口时就要合理布置其位置 和方位,将管口尽量相对集中布置在一起, 便于放空气体集中排放或处理。 4 其他注意事项 (1)生 产 图 纸 对 加 工 生 产 和 产 品 质 量 起着重要的导向作用, 在出图时应考虑加 工工序问题、生产上能否实现等。 有序地划 分图纸部件,以免在生产中产生误导。 (2)设 计 时 考 虑 到 进 液 口 经 常 插 拔 , 一 般将进液口固定在其中一个支座上 (见图 3)。 但同时也有可能会带来管路、管件和阀 的布置困难,特别是当罐体直径不大时,此 时可以考虑将进液口用固定板固定在两支 座之间的外下封头上 (见图 4) 或其他方 法。 具体布置应综合考虑进液口使用频率、 罐体大小以及操作方便等因素。 (3)在 运 输 和 使 用 过 程 中 , 由 于 颠 簸 和 振动等因素的影响,珠光砂会有沉降现象, 从而影响夹套绝热性能。 可以考虑将内外 上封头间距适当调大, 使其略大于内外下 封头间距以及筒体间距。 (4)当 储 罐 容 积 较 大 、载 重 过 大 时 ,应 对支座与外下封头连接处的局部应力进行 分析,并考虑合理的局部加强。 5 结语与展望 LNG 立式储罐在总体结构设计和加工 工艺方面已经相对纯熟, 局部结构设计以 及相关功能实现方面也积累了许多成熟的 经验。 目 前 LNG 储 罐 的 设 计 和 研 究 热 点 主 要集中在局部结构应力分析和结构优化设 计等方面, 特别是相关模拟分析软件的出 现,为分析设计提供了强大而有力的工具。 LNG 储罐的设计将朝着更科学、更严谨、更 安全、更经济的方向发展。 参考文献 1 敬加强,梁光川,蒋宏业.液化天然气技术问 答 [M].北 京 :化 学 工 业 出 版 社 ,2007 2 顾安忠,鲁雪生,汪荣顺,等.液化天然气技术 [M].北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,2006 3 徐成海,张世伟,谢元华等.真空低温技术与 设 备 [M].北 京 :冶 金 工 业 出 版 社 ,2007 4 国家技术监督局.GB150-1998 钢制压力容器 [S].北 京 :中 国 标 准 出 版 社 ,1998 (责任编辑 杨 柳) Design of the Middle and Small Scale Low Temperature LNG Vertical Tank Abstract: The paper introduced the design of low temperature LNG vertical storage tank from structure of the overall and the partial, the design calculation as well as project blueprint,and summarized some related design point and the matters needing attention,and made certain forecast to the design and research hot topic of the low temperature LNG vertical storage tank. Key words: LNG storage tank, design calculation, stress analysis, structure design 132 科技创业月刊 2009 年第 7 期

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