大型LNG双金属壁和三金属壁全容罐对比

范海俊， 朱金花， 戴兴旺， 牛 铮

(1.中国科学技术大学，安徽合肥230026；2.合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥230031；3. 国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽合肥230031)

1 概述

随着GB 50183—2015《石油天然气工程设计防火规范》的发布(后又暂停实施，现执行GB 50183—2004，但2015版仍有一定的参考意义)，对大型LNG储罐防火间距提出了更高的要求，且对单容罐与全容罐区别对待[1]。由于全容罐无需设置围堰，占地面积大大减少，安全性也得到大幅提高，近几年发展迅速。考虑到大型LNG接收站中采用混凝土次容器的全容罐造价过高、制造安装工艺复杂，针对城市调峰和液化厂项目中公称容积5×104m3以下的LNG储罐，根据GB/T 26978—2011《现场组装立式圆筒平底钢质液化天然气储罐的设计与建造》等标准规范的要求，设计了性价比更高的金属壁全容罐。虽然相关标准对金属壁全容罐有所定义，但是此种储罐国外尚未有先例，国内双金属壁式和三金属壁式的实例较少，双金属壁储罐有山西祁县液化项目20 000 m3储罐和山西襄坦、大同各10 000 m3储罐；三金属壁有西安秦华25 000 m3储罐。以某地在建的1台25 000 m3全容罐作为分析对象，从结构形式、绝热性能、施工工艺等方面分析双金属壁式全容罐和三金属壁式全容罐的优缺点。

2 设计参数

该25 000 m3全容罐主要设计参数见表1,表1中g指当地的重力加速度。

表1 25 000 m3全容罐的主要设计参数

3 结构形式

全容罐包含一个主容器和一个次容器。主容器是一个可以盛装低温介质的自支撑式、钢质单壁罐；次容器是一个自支撑式钢质或混凝土带有拱顶的储罐。正常操作工况下，次容器作为储罐的主要蒸发气容器，还支撑主容器的绝热层。在主容器泄漏的情况下，次容器必须具有装存全部低温介质并在结构上保持气密性的能力。本文主要比较的是次容器为金属(钢质)的储罐。

在充注过量、地震作用下，储液晃动或者内罐破损时，全容罐的次容器需要储存部分甚至全部的低温介质。此时，如果没有相应的保护措施，次容器会因急剧降温产生巨大的热应力，从而发生破坏。为了满足全容罐的要求，必须在主容器和次容器之间加入保护措施。目前国内主要有双金属壁和三金属壁两种方案，下面分别对其结构形式进行分析对比。

3.1 双金属壁全容罐

双金属壁全容罐[2]的保护措施是在内罐(作为主容器)与外罐(作为次容器)之间的夹层底部设置热角防护系统(TPS)[3]，同时在外罐外壁设置PIR(聚异三聚氰酸酯)或HLB800型泡沫玻璃砖保冷，使储罐在事故工况下的蒸发率大大降低，压力控制得到有效的保障，确保储罐在一定时间内安全运行。在外罐内侧底角处设置的热角防护系统主要由二次底板、一定高度的热角圈板、热角盖板以及其周围的HLB800型泡沫玻璃砖组成。热角防护系统可以有效减少事故工况下罐底角处的热量传递，并且最大程度减小外罐急剧降温产生的热应力。内罐壁板、底板、吊顶和外罐壁板、底板以及热角防护系统的二次底板、热角圈板、热角盖板材料均为S30408不锈钢，拱顶和压缩环由于不接触低温介质选用碳钢(本次设计选用Q345R)。其底部保冷结构和顶部保冷结构分别见图1、2。图1中标注横线下面的2×150 mm表示2层，每层厚度150 mm，其余类似格式意义与此相同；标注横线下面的其余格式数据均指厚度。其余图中标注横线下面值的意义与图1相同。图1中热角圈板高度为5 m。

图1 双金属壁全容罐底部保冷结构

3.2 三金属壁全容罐

三金属壁全容罐[4]含有3个容器，内罐作为主容器，中间罐作为次容器，外罐装存蒸发气和保冷材料。中间罐可以完全盛装内罐所有的低温介质。内罐和中间罐(壁板、底板)的材料为S30408不锈钢，外罐采用碳钢，本次设计采用Q345R。图3、4分别是三金属壁全容罐底部和顶部保冷结构。

图2 双金属壁全容罐顶部保冷结构

图3 三金属壁全容罐底部保冷结构

图4 三金属壁全容罐顶部保冷结构

3.3 两种储罐的设计参数

通过对两种储罐结构形式的对比，给出25 000 m3全容罐两种方案的设计参数，见表2和表3。

表2 25 000 m3双金属壁全容罐设计参数

表3 25 000 m3三金属壁全容罐设计参数

根据表2和表3的设计参数，对两种结构形式的储罐进行计算后统计其材料用量、总造价、占地面积以及施工工期。为了方便对比，将25 000 m3单容罐[5]也纳入比较，见表4。

表4 两种结构形式全容罐和同体积单容罐本体的材料用量、总造价、占地面积及施工工期

从表4可以得出，双金属壁储罐和三金属壁储罐的总造价分别比单容罐高出44.0%和44.4%，但是占地面积却分别只有单容罐的18.1%和19.4%，因此建设全容罐是一个趋势。同时，双金属壁储罐的造价与三金属壁储罐相差无几，说明双金属壁储罐虽然少了一层罐体，但是由于其有热角防护系统，且外罐壁板和底板需要采用S30408材质，在造价上优势并不明显。

4 绝热性能

LNG储罐为常压储存，为了维持-162 ℃的低温和尽可能低的日蒸发率，储罐的绝热性能十分重要。日蒸发率是评价大型LNG储罐绝热性能的重要技术参数，同时也是一项竞争性经济指标。对于大型的LNG储罐，按照通常的工程实践经验，对日蒸发率的控制要求见表5。

表5 大型LNG储罐日蒸发率指标

日蒸发率的计算方法以稳态传热过程为基础，环境条件恒定，通过计算储罐顶部、侧面以及底部的日传热量得出储罐日总吸热量，再计算日蒸发率。为方便计算，将储罐底部和顶部传热简化成多层平壁的稳定热传导，将储罐侧面传热看成多层圆筒壁的稳定热传导[6]。日蒸发率表达式如下：

(1)

式中η——日蒸发率

Q——储罐日总吸热量，kJ

r——LNG的气化潜热，kJ/kg

ρ——LNG密度，kg/m3

V——储罐的有效容积，m3

不考虑日照的影响，在假定环境温度为20 ℃情况下，分别计算出在操作工况和全液位泄漏工况(指内罐介质完全泄漏至相邻空间的工况)下两种结构形式LNG储罐的日蒸发率，见表6。

表6 两种结构形式LNG储罐的日蒸发率

由表6可以看出：

① 在操作工况下，两种结构形式储罐的日蒸发率都维持在较低的水平，双金属壁全容罐的日蒸发率比三金属壁全容罐高0.009%，每天回收液化这些蒸发气所需消耗的能量(不计液化过程中能量损耗)约为152.9 kW·h。因此，三金属壁储罐更符合当前节能减排、绿色化工的理念。

② 全液位泄漏工况下，双金属壁储罐日蒸发率过高，需要安全泄放系统以及BOG压缩机高负荷运行才能做到安全有序地进行排放；而三金属壁储罐由于中间罐和外罐之间还有一个完好的夹层保冷，使得其可以维持较低的日蒸发率，其工艺系统依旧可以平稳运行，不需要采取安全泄放等措施。

5 施工工艺

25 000 m3全容罐的施工顺序是外罐、中间罐或热角防护系统、内罐，各层罐体均采用“倒装法”。外罐施工完成后，在底部留有门洞方便之后的施工。

双金属壁储罐在施工过程中存在2个难点：①根据GB/T 26978.5—2011《现场组装立式圆筒平底钢质液化天然气储罐的设计与建造 第5部分：试验、干燥、置换及冷却》第4.1.2条规定，全容罐的钢质次容器需要进行水压试验，因此双金属壁储罐的外罐需要进水压试验。但是，由于外罐水压试验后内罐、保冷系统等需要施工，还要将外罐底部割出两个门洞，破坏了外罐，水压试验的意义大打折扣。②内罐焊接完成后，需进入夹层完成热角防护系统的焊接，其中在热角防护系统圈板与底板、圈板与盖板的大角缝位置，由于只能进行单面的表面检测，无法100%确保焊接质量。而热角防护系统在泄漏工况下起重要作用，焊接质量的优劣直接影响到储罐的安全运行。

相比之下，三金属壁储罐由于在外罐内需要进行两层罐体的施工，施工工期有所增加，但是避免了双金属壁储罐的第2个施工难点，焊接质量可以得到更好的保障。

6 结论

① 双金属壁全容罐和三金属壁全容罐各方面指标均能够达到标准规范中金属壁全容罐的要求。

② 双金属壁全容罐和三金属壁全容罐在占地面积、工程造价以及施工工期方面无明显的差异。

③ 三金属壁全容罐在绝热性能以及施工工艺方面，比双金属壁全容罐具有一定优势，更加安全可靠和节能。