一种埋地式LNG储罐伴热系统及方法

技术领域

本发明涉及一种埋地式LNG储罐伴热系统及方法，属于液化天然气储罐技术领域。

背景技术

在土地匮乏、生态环境日益严峻的背景下，LNG储罐设计向大型化、隐形化快速发展。由于架空式储罐罐区选址要求较为严苛，为满足地质条件较差的地区LNG储罐建设需求，将采用坐地式、半地下式、地下式储罐等罐型来弥补对架空式储罐建设的不足。

由于罐体与土壤直接接触，无空气流通，无法补偿储罐内液体低温对地基的影响。因此，为防止罐底土壤结冰，需在罐底设置加热系统，以保证保护区温度的一致性和连续性，且不能让罐内冷却的LNG沸腾导致LNG储罐的经济性降低。

当前化工领域中主要应用的加热方式有三种，分别为流体伴热、集肤效应电加热、电阻式电伴热。流体伴热方式涉及的设备多、结构复杂，温度难以控制，但对于易获得低成本热源或热介质的化工项目(如厂区本身具有废热源，或靠近电厂因工艺循环需要大量冷却水，因此可提供大量的廉价蒸汽源)，具备一定经济优势；集肤效应电伴热方式局部伴热效果一般，且存在由于漏电压带来的腐蚀风险，同时还需要满足焊接要求，敷设在承台结构中难度大，不适用于对温度控制精度、位置要求较高LNG储罐伴热系统中。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种埋地式LNG储罐伴热系统及方法，该方法可以对埋地式LNG储罐提供伴热，能够对储罐漏冷实时监测并进行补偿，在保证被补偿区温度一致性和连续性的同时，避免补偿过度导致罐内LNG蒸发使储罐的经济性降低。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种埋地式LNG储罐伴热系统，包括：

罐底流体伴热系统，包括温度采集模块、压力采集模块、流量采集模块、伴热模块和工质泵模块，所述温度采集模块与所述伴热模块安装于LNG储罐的承台内，所述压力采集模块与所述流量采集模块均安装于流体进入所述伴热模块的总入口与总出口处，所述工质泵安装于所述伴热模块的总入口处，为流体换热提供压力；

罐壁电伴热系统，包括温度采集模块和电伴热模块，所述温度采集模块和所述电伴热模块以伴热带形式穿管敷设于所述LNG储罐的混凝土外罐壁内；

控制系统，分别与所述罐底流体伴热系统、所述罐壁电伴热系统电连接。

所述的埋地式LNG储罐伴热系统，优选地，所述伴热模块包括若干铺设在所述承台内的加热管以及位于所述加热管内的加热介质。

所述的埋地式LNG储罐伴热系统，优选地，若干所述加热管间隔平行布置在所述承台内。

所述的埋地式LNG储罐伴热系统，优选地，若干所述加热管经纬交错呈网格式布置在所述承台内。

本发明第二方面提供一种埋地式LNG储罐伴热系统的伴热计算方法，包括如下步骤：

采集所述LNG储罐的伴热计算所需信息；

根据对所述LNG储罐结构形式的分类以及伴热区域划分，计算所述LNG储罐BOG蒸发量，确定所需伴热区域换热量需求，即：罐底及罐壁的热通量；

得到罐壁的热通量后分别对流体伴热介质、管路、管径进行计算，得到最优耦合方案后，进行罐底流体伴热设计；

得到罐壁热通量后分别对电伴热带选型、功率密度、布置方法进行确定，得到最优耦合方案后，进行罐壁电伴热设计。

所述的伴热计算方法，优选地：所述LNG储罐的伴热计算所需信息包括所述LNG储罐的基本参数、储罐设计资料、基本资料，所述基本参数包括：环境温度、湿度、海拔、供电电压等级；所述储罐设计资料包括：LNG储罐设计规格书、储罐BOG蒸发率计算报告、储罐总体结构图、储罐电气系统说明；所述基本资料包括：储罐各保冷材料材质、厚度、导热系数。

所述的伴热计算方法，优选地：罐底的热通量＝罐底中心区域漏热速率+罐底A区域的漏热速率+罐底B区域的漏热速率。

所述的伴热计算方法，优选地：罐底的热通量计算公式如下：

式中，Q

所述的伴热计算方法，优选地，加热流体流量计算如下：

Q

其中，Q表示此过程热通量，因处于热平衡状态，换热效率以75％计算，A

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明提供的埋地式LNG储罐伴热系统及方法，可以对埋地式储罐伴热进行系统计算与布置，具体分析热通量需求，并进行伴热计算，可以根据计算结果通过各输入条件耦合，从而得到最优的伴热方案、保障LNG储罐安全平稳运营的目的。

2、半地下LNG储罐伴热系统相对坐地式储罐更为复杂，本发明提出的伴热计算方法与系统为半地下储罐伴热提供理论参考，同样适用于地上LNG储罐伴热中，填补了半地下LNG储罐伴热的空白。

3、本发明将流体伴热与电伴热耦合，提升了伴热方法的多样性，可有效利用周围废弃热源，提升储罐伴热经济性大幅降低运维成本。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的埋地式LNG储罐伴热系统中罐底流体加热的示意图；

图2为本发明该实施例提供的埋地式LNG储罐伴热系统中流体换热模型示意图；

图3为本发明该实施例提供的包含伴热系统的埋地式LNG储罐总体结构示意图；

图中各标记如下：

1-LNG储罐；2-加热管；3-加热介质；4-混凝土；5-土壤；6-内罐壁板；7-预应力混凝土外墙；8-承台；9-混凝土垫圈；10-径向加热管；11-环向加热管；12-罐壁外墙内环形伴热带。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

当前化工领域中主要应用的加热方式有三种，分别为流体伴热、集肤效应电加热、电阻式电伴热。流体伴热方式涉及的设备多、结构复杂，温度难以控制，但对于易获得低成本热源或热介质的化工项目(如厂区本身具有废热源，或靠近电厂因工艺循环需要大量冷却水，因此可提供大量的廉价蒸汽源)，具备一定经济优势；集肤效应电伴热方式局部伴热效果一般，且存在由于漏电压带来的腐蚀风险，同时还需要满足焊接要求，敷设在承台结构中难度大，不适用于对温度控制精度、位置要求较高LNG储罐伴热系统中。

基于上述问题，本发明提供一种埋地式LNG储罐伴热系统及方法，该方法可以对埋地式LNG储罐提供伴热，能够对储罐漏冷实时监测并进行补偿，在保证被补偿区温度一致性和连续性的同时，避免补偿过度导致罐内LNG蒸发使储罐的经济性降低。

如图1、图2所示，本发明涉及的埋地式LNG储罐伴热系统，包括：

罐底流体伴热系统，包括温度采集模块、压力采集模块、流量采集模块、伴热模块和工质泵模块，温度采集模块与伴热模块安装于LNG储罐1的承台内，压力采集模块与流量采集模块均安装于流体进入伴热模块的总入口与总出口处，工质泵安装于伴热模块的总入口处，为流体换热提供压力；罐壁电伴热系统，包括温度采集模块和电伴热模块，温度采集模块和电伴热模块以伴热带形式穿管敷设于LNG储罐1的混凝土外罐壁内；控制系统，分别与罐底流体伴热系统、罐壁电伴热系统电连接。

进一步地，伴热模块包括若干铺设在承台内的加热管2以及位于加热管2内的加热介质3。

在一些具体优选实例中，若干加热管2间隔平行布置在承台内，更优选地，若干加热管2经纬交错呈网格式布置在承台内。

本发明第二方面还提供一种埋地式LNG储罐伴热系统的伴热计算方法，包括如下步骤：采集LNG储罐1的伴热计算所需信息；根据对LNG储罐1结构形式的分类以及伴热区域划分，计算LNG储罐1BOG蒸发量，确定所需伴热区域换热量需求，即：罐底及罐壁的热通量；得到罐壁的热通量后分别对流体伴热介质、管路、管径进行计算，得到最优耦合方案后，进行罐底流体伴热设计；得到罐壁热通量后分别对电伴热带选型、功率密度、布置方法进行确定，得到最优耦合方案后，进行罐壁电伴热设计。

具体地，LNG储罐1的伴热计算所需信息包括LNG储罐1的基本参数、储罐设计资料、基本资料，所述基本参数包括：环境温度、湿度、海拔、供电电压等级；所述储罐设计资料包括：LNG储罐设计规格书、储罐BOG蒸发率计算报告、储罐总体结构图、储罐电气系统说明；所述基本资料包括：储罐各保冷材料材质、厚度、导热系数。

进一步地，罐底流体伴热系统设计中，将伴热计算分为五大区域进行：流体类型、工质泵、管系、(包含管路、管材、阀门、支架)及流体加热器。

为防止低温LNG漏冷造成冬季土壤冻结影响储罐结构基础，LNG储罐1的罐底设计温度不得低于5℃，此设计中冷流体LNG经储罐内罐、保冷层储罐外壁混凝土传导及对流传热；热流体(水)介质经承台混凝土层、外罐保冷层、内罐向罐内传导及对流传热，并通过承台混凝土层向土壤层传导及对流传热；此外该热传递过程还存在向周围环境散热，造成一定热损失。考虑设计计算的便利性，对以上换热模型进行如下简化(如图2所示)：

1)考虑流体换热管道采用不锈钢材质且壁厚较小，钢件热阻较保冷材料小，计算中忽略换热管的影响。

2)不同环境温度下，散热量Q5变化较大，考虑项目仅在冬季工况流体伴热需求，因此为安全起见，环境温度选取极端环境温度-13.2℃，作为散热计算基础。

3)项目初始土壤温度假定均匀恒温，冬季土壤温度T3以5℃计。

4)考虑罐底布管可施工性，换热模型有效接触面积以70％底面积计。

5)因流体介质热量传递为双向，LNG漏冷也存在阶梯传递，等效传热过程为LNG向换热介质漏冷，换热介质向土壤传热的三层热传导结构。

6)项目设计目的为防止冻土，假定Q2＝Q4，土壤温度在热传输过程保持不变，由换热介质热量补充LNG外部漏冷量。

7)为避免罐内LNG非正常蒸发且不发生冻土，罐底界面温度T2控制在5℃。

8)假定在稳定伴热工况，热量处于平衡状态，加热介质同罐底接触面温度均匀稳定。

绝热材料的热传导率取环境条件下的最高值。

下面结合具体实例对本发明的技术方案进行详细说明。

本实例以循环热水作为加热保温介质开展分析，其他介质方案原理可同步参考，涉及传热特性以具体介质为准。LNG项目半地下储罐加热系统，除电加热技术外，根据储罐总体结构图(图3)对换热模型进行分解，计算中采用的保冷材料及对应换热面积参数如下表所示。

表1保冷材料性能参数表

表2各区域换热面积参数表

罐底的热通量计算公式如下：

其中，Q

据此计算，罐底热通量如表3：

表3罐底热通量

加热流体流量计算如下：

以40℃热水为例，计算所需加热流体流量。热流体涉及换热过程同上。

Q

其中，Q表示此过程热通量，因处于热平衡状态，换热效率以75％计算。A

其中，R表示管道污垢热阻，综合考虑水垢等对传热的影响，锅炉用水为0.00026(m

根据管内受迫紊流换热关联式Dittus-Boelter公式：

Nu

其中，Nu为努谢尔准数，

采用热水流体，设计需设定初始流体压力特性及加热管径初值，计算换热面积需求，确定储罐罐底面积下是否可满足此加热管数量布置需求，并根据此加热管条件估算管道压降与预设初始压力比对，不断试算，以选择对应流体温度下合适的加热管管径及数量，满足项目加热需求。

若采用导热油加热，则需采用如下换热系列公式计算，其他迭代设计计算流程同水介质。

其中，h为加热管最外层至储罐外部的表面传热系数；ε为对流系数；Gr为格拉晓夫数；d

罐壁电伴热系统设计中，电伴热换热量容量及安全系数计算如下：

为防止低温LNG漏冷造成冬季土壤冻结影响储罐结构基础，LNG储罐罐壁设计温度不得低于5℃，此设计中电伴热带经储罐外壁混凝土层向土壤层传热；此外该热传递过程还存在向周围环境散热，造成一定热损失。

(1)伴热电缆功率密度：

在5℃，220V条件下，按供电线路压降5％考虑(根据GB50052-2011规定，用电设备受电端的电压损失不应大于5％)。

(2)伴热电缆总长度；

(3)伴热系统容量Qh：

伴热系统容量Qh计算公式如下：Qh＝Ph×Lh，其中，Ph为电伴热带功率密度；Lh为电伴热带长度；

(4)安全系数Sf：

安全系数计算公式如下：Sf＝Qh/Q；

(5)Duty cycle占空比Dc：

占空比定义了伴热系统在一个周期内的工作时间，本系统占空比利用安全系数较小的中心水平布置电缆进行计算：

Dc＝100/Sf，其中Sf为安全系数；

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。