摘 要：针对现有LNG储罐蒸发率测量的局限性，基于LNG常压储罐的日常运行数据，通过称重法和蒸气流量法分别测量储罐的蒸发率，分析充满率及环境温度等对蒸发率的影响。充满率在75％～55％时，对应的蒸发率呈先降低再升高的趋势。环境温度越高，BOG产生量越大，蒸发率越高，密闭LNG储罐内的压力上升越快。储罐漏热量越大，外界扰动越大，蒸发率越高。
关键词：LNG常压储罐 蒸发率 环境温度 充满率
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
随着能源需求的不断增长和相关技术的成熟，近年来中国LNG工业正逐步兴起，并形成了一些发展LNG产业的有利条件。LNG的体积约为同等质量天然气体积的1／600，可以节约储运空间和成本。天然气在液化时除去了杂质，故LNG是一种清洁、高效的能源，是优质的工业与民用燃料[1]。LNG储罐作为LNG储存系统的核心设备，其良好的性能是保证整个系统安全运行的关键。蒸发率作为储罐的主要性能指标，对其进行研究有着重要的意义。由于设备局限，目前国内现有文献多停留于理论方法及实验研究层面，对实际工况中的蒸发率及其影响因素缺乏直观的了解。本文以杭州市西部LNG气化站4500m3的常压LNG储罐为例，计算它的蒸发率，分析温度及充满率对蒸发率的影响，从而对储罐的设计以及LNG的高效、安全储存有一定的借鉴意义。
2 蒸发率测量
本文研究的LNG储罐为有效容积4500m3的地上型单容罐。该LNG储罐为常压罐，设计压力为20kPa，工作压力为l0kPa，设计温度为-196～38℃。内筒主要由顶盖、简体和底板组成，结构为平底圆拱型储罐，材质均采用奥氏体不锈钢。外筒也主要由顶盖、简体和底板组成，结构与内筒类似，材质为Q345R。外筒与内筒间的空间为真空绝热层，厚度为lm，夹层空间约1828m3，其中充满堆密度为40～60kg／m3的珠光砂作为绝热材料。受罐体绝热材料的限制，外界热量通过罐壁、罐顶及罐底等部位传至储罐内，LNG吸收来自外界的热量后温度不断上升，当打破储罐内的气液平衡时，LNG便由液态变为气态，产生大量的蒸发气(BOG)。
站里日常记录的数据主要包括：温度计测得的温度，液位计测得的LNC液位高度，流最计测得的BOG的排放量。测量开始时间为每天上午8时。
2．1 测量方法
在测量过程中，主要测量储罐内压力、温度及LNG储罐的蒸发率。LNG储罐的蒸发率是指储罐的静态日蒸发率(依据GB l8442—2011《固定式真空绝热深冷压力容器》，以下简称蒸发率)，即低温绝热储罐在装有大于1／2有效容积的LNG时，静置达到热平衡后，24h内自然蒸发损失的LNG液体质量与容器有效容积下低温液体质量之比，换算为标准环境状态下(20℃，101.325kPa)的蒸发率值。蒸发率能较为直观地反映储罐使用时的保冷性能。目前，测试低温液体蒸发率主要有3种方法[2]：称重法、蒸气流量法、自然升压法。其中，自然升压法就是设备在低温液体充分冷却后，关闭所有阀门，不允许气体排出，热流进入设备，使部分低温液体蒸发。根据压力升高的幅度和时间，计算出设备的蒸发率。而实际工况中无法做到密闭状态，故不采用自然升压法进行蒸发率测试。下面主要介绍分别用称重法和蒸气流量法对4500m3单容常压罐测量其蒸发率。
2．1．1称重法
称重法就是用衡器直接称量低温液体容器的质量，保持容器内的压力恒定，在热平衡条件下，24h测试一次，前后两次称量的质量之差，即是蒸发的液体质量。对于大型常压储罐，可近似认为容器内的压力恒定，其质量则可以通过低温液体的密度以及低温液体在容器中的实际体积来求得。实际上可通过重量法计算蒸发率，它是指一天(24h)内蒸发的低温液体质量与储液容器有效容积下低温液体质量之比，见式(1)：
式中a1——称重法测得的工况蒸发率
m1——24h内损耗的低温液体质量，kg
m2——储液容器有效容积下低温液体质量，kg
选取杭州燃气西部LNG气化站内无进出液等操作的情况下，记录常压罐每日液位，以5月上旬实际液位为例(日平均气温取25℃)，计算储罐的蒸发率。
①计算24h后减少的LNG液体体积DV
杭州燃气西部LNG气化站有效容积为4500m3的内罐结构为平底圆拱型，内罐半径为10m，故计算液体体积时在未超过最高液位14324mm前，均可按圆柱体体积公式计算。
5月5日8时，液位高度8728mm；5月6日8时，液位高度8712mm；24h内液位下降16mm；假设24h前后液体密度不变。计算出5月5日8时，LNG体积为2741.982m3；减少液体高度16mm，减少LNG体积为5.027m3。同理，计算不同日期静置24h减少的LNG液体体积见表l。
②计算工况下蒸发率a1
m1＝rDV (2)
m2＝rV0 (3)
式中r——罐内LNG实测液体密度，kg／m3，取422.4701kg／m3
DV——减少的LNG体积，m3
V0——储罐的有效容积，m3，取4500m3
计算得工况下的蒸发率a1，见表l。
③折算成标准环境状态下蒸发率a2
根据GB／T l8443.6—2010《真空绝热深冷设备性能试验方法第6部分：漏热量测量》，有：
式中a2——称重法测得的标准环境状态下蒸发率
r1——罐内平均压力(表压10kPa)下饱和液体气化潜热，kJ／kg，查CH4压焓图得520kJ／kg
r2——标准大气压力(绝压l01.325kPa)下的饱和液体气化潜热，kJ／kg，查CH4压焓图得510.8kJ／kg
T0——标准环境状态温度，K，取293K
Ts——标准大气压力(绝压l01.325kPa)下液体的饱和温度，K，取111K
T1——实测平均环境温度，K，取298K
T2——罐内平均压力(表压10kPa)对应的深冷液体饱和温度，K，取112K
由于初始充满率不同，对于同一容器也会产生单位液体体积受热量不同。为尽量减少充满率对蒸发率的影响，这里在计算蒸发率时尽可能在充满率相近的情况下进行比较。储罐的充满率F计算公式为：
式中F——储罐的充满率
V1——罐内储存的LNG体积，m3
计算得标准环境状态下的蒸发率a2和充满率F见表2
2．1．2蒸气流量法
该方法是通过流量计，如湿式流量计、干式流量计(燃气表)、转子流量计等仪器仪表，测量蒸发气体的流量。通过流量计测量的气体流量是在一定的温度、压力条件下的气体流量。由于测量时的温度、压力等条件不同，此时的气体密度也会变化，因此需做必要的修正。
首先要将测得的流量换算成标准环境状态下的流量q0：
式中q0——标准环境状态下日体积流量，m3／d
qV——实测蒸发气体的日体积流量平均值，m3／d
p——被测气体的绝对压力，MPa
p0——标准大气压力(绝对)，MPa
Tf——流量计测量时的气体温度，K
液化气体从液态蒸发为标准环境状态下的气态，需要对低温液体与气体进行温度修正，假设其体积增为n倍，则低温液体的损耗速率N0为：
式中N0——低温液体的损耗速率，m3／d
n——标准环境状态(20℃，101325Pa)下的液化气体的气液体积比
这里n在标准环境状态下的气液体积比无资料，故只能借用标准状态下(0℃，101325Pa)的气液体积比(参照GB／T l8443.5—2010《真空绝热深冷设备性能试验方法 第5部分：静态蒸发率测量》)。
实际上液体的损耗速率要大于Ⅳn值。因为随着气相空间的增大，需用冷气体来填补，因此要对此值进行修正，低温液体的实际损耗速率N为：
N＝yN0 (8)
式中N——低温液体的实际损耗速率，m3／d
y——气体修正系数
这样，低温容器的日蒸发率a3便可以由下式确定：
式中a3——蒸气流量法测得的标准环境状态下蒸发率
将式(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。
产生的蒸发气BOG体积，正是通过流量计所测量的气体流量，见表3。但实际上，随着容器中液体的蒸发，蒸发掉液体的空间为蒸气所填补，蒸发出来的蒸气有一部分留在容器中，通过流量计的气体量小于容器内实际蒸发量[3]。利用式(10)对qV做一定的修正后，用蒸气流量法折算成标准环境状态下蒸发率a3见表3。
2．2 测量结果比较分布
通过称重法和蒸气流量法两种方法计算低温液体的蒸发率，该罐的标准环境状态下蒸发率接近0.1％，符合储罐的安全运行要求。在充满率比较接近的情况下，蒸发率并没有明显的规律性。
称重法求得的蒸发率a2和蒸气流量法求得的蒸发率a3的比较见图1。
两种结果趋势曲线基本接近，相对来讲，第二种方法求得的曲线较为平缓，蒸发率在0.09％～0.13％范围，波动较小。
3 影响因素分析
影响LNG在常压下储存时间长短的主要因素是温度、LNG充满率、储罐漏热量等。要延长LNG的安全储存时间，就需要了解各因素的变化规律和LNG蒸发规律，寻求合适方法保障LNG的安全长期储存。
3．1 充满率
由于初始充满率不同，对于同一容器也会导致单位液体体积受热量不同。随着容器中充满率增加，整个容器的热容量增大，达到热平衡时两相压力增加的速率减小。但是，由于液体热膨胀，气相空间减少，使压力增长速度加快。这一矛盾的结果，使得在充满率过大或过小时都能使LNG无损储存的时间缩短。
记录在1月22日至7月25日期间按每隔l5d的数据，计算求得的充满率与蒸发率a2随时间的变化情况见图2、3。
从图2、3可以得出：从l月到7月整个过程来看，当充满率在75％～55％区间时，随着充满率的逐渐降低，蒸发率趋于先降低再升高的趋势。其中4月23日的蒸发率有细微的波动，可能是LNG轻微翻滚等其他因素的影响。
3．2 环境温度
环境温度对漏热和蒸发率的影响与传导传热、辐射传热在整个漏热中所占的比例有关。如果已知各种漏热所占的比例，则可以根据传热学的基本定律，计算出环境温度变化对蒸发率的影响。设辐射漏热占总漏热的比例为¦[4]406-408，传导传热所占的比例为g[4]41-45，¦+g=1。设环境温度为Tm时的蒸发率为am，环境温度为Tn时的蒸发率为an，可由传热学基本定律导出下式：
式中an——环境温度为Tn时的蒸发率
am——环境温度为Tm时的蒸发率
¦——辐射漏热占总漏热的比例系数
——热辐射温度系数
g——传导传热占总漏热的比例系数
——无量纲过余温度[4]80
储罐蒸发量越大，蒸发气BOG体积流量越大(这里产生的BOG均可通过装有体积修正仪的流量计读得，均为标准环境状态下的体积流量)。下面就以每月日平均BOG体积流量来比较各个月份日蒸发量的大小。因3月份流量计出现故障，故不计数。这里比较低温容器的日蒸发率时，选取了相对较宽的时间范围内的日平均BOG体积流量来比较蒸发率。与温度影响程度相比，压力影响很小[5]。可粗略认为，此时的日平均BOG体积流量是在相同大气压下不同温度下的蒸发量。各个月份的日平均BOG体积流量(标准环境状态下)见表4。
从表4可以看出，各月的日平均BOG体积流量基本随环境温度升高而增加，7月份平均气温最高，该月日平均BOG体积流量也最大，即储罐蒸发量最大。从19℃上升到25℃时，产生BOG量迅速增加。环境温度越高，密闭LNG储罐内的压力上升越快，LNG储罐的安全储存时间越短，蒸发率越大。这和LNG密闭储存时冬季储存时间较长夏季储存时间较短一致。为了安全起见，在实际应用时LNG储罐密闭储存时间应按照夏天的环境温度进行设计。
3．3 其他因素
密闭LNG储罐的保冷性能越好，蒸发率越低，LNG储罐内的压力上升越慢，LNG安全密闭储存时间越长。当容器充注低温液体开始储存后，由于漏热量的影响，一方面由于系统热力学能的增加，温度上升，而使其饱和压力增加；另一方面，由于温度上升，而使液体的体积膨胀，使气相空间减少，而使气相压力急剧增大。因此提高低温容器的绝热性能，减小日蒸发率是延长无损储存时间的主要途径之一。
此外液面气相压力的变化必然引起低温液体蒸发温度和气化潜热的改变，从而引起传热量和蒸发率的改变。
LNG装卸液或杜瓦瓶充装等日常操作也产生影响。10月份杭州市西部LNG气化站共向储罐卸液2000m3左右，该月的日平均BOG体积流量相对其他月份大大增加，10月份的日平均BOG体积流量为6482.92m3／d。当有卸液操作时，会影响罐内液体本身的自然对流，对其产生扰动，从而会增大低温液体的蒸发率。
在长期储存的条件下，罐内LNG会发生分层，分层液体在储罐周边漏热作用下，形成各自独立的自然对流循环，进而使各层液体的密度不断发生变化，当上下两层的密度足够接近时发生快速混合，下层积聚的热量突然释放出来，同时伴随着LNG表面蒸发率的骤增，从而易引起储罐内过热的LNG大量蒸发而导致翻滚事故的发生[6]。翻滚会迅速产生很大的蒸发量，这也是生产过程中要尽量避免的。
4 结论
针对现有LNG储罐蒸发率测量的局限性，本文通过实际工况记录，计算了LNG常压储罐的蒸发率。通过称重法和蒸气流量法两种方法分别计算了低温液体储罐蒸发率，蒸气流量法测蒸发率误差相对较小。影响LNG在常压下储存时间长短的主要因素是LNG充满率、环境温度、储罐漏热量、外界扰动等。1月到7月，当充满率在75％～55％区间内时，随着充满率的逐渐降低，蒸发率曲线趋于先降低、再上升的趋势。在充满率过大或过小时都能使LNG无损储存的时间缩短。环境温度越高，储罐漏热量越大，外界扰动越大，蒸发率越高，LNG储罐的安全储存时间就越短。
参考文献：
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[2]乔国发．影响LNG储存容器蒸发率因素的研究(博士学位论文)[D]．东营：中国石油大学(华东)，2007：73-74．
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[4]杨世铭，陶文铨．传热学[M]．北京：高等教育出版社，2006．
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[6]陈栋，焦晓杰．液化天然气的分层与涡旋[J]．煤气与热力，2010，30(4)：B05-B07．
本文作者：朱丽芳 沈德利
作者单位：杭州市燃气集团有限公司
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