1.1 课题背景
1.1.1天然气
随着世界经济的快速发展，石油危机的冲击以及煤、石油的使用所给环境带来的污染日益严重，能源结构逐步发生变化，天然气的消费急剧增长。天然气是当今世界能源消耗中的重要组成部分。它与煤炭、石油并称为世界能源的三大支柱。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。现在,无论是工业还是民用,都对天然气产生了越来越大的依赖性。最近二十年天然气工业发展较快，在一次能源结构中已占约 24%。天然气的储存和运输是天然气工业中的重要环节。
图1-1全球天然气分布
Fig.1-1 The distribution of Global natural gas
我国具有丰富的天然气资源。为了改变能源结构、改善环境状态、发展西部经济，中国政府十分重视天然气的开发和利用。在生态环境污染日益严重的形势面前，为了优化能源消费结构，改善大气环境，实现国家可持续发展的经济发展战略，人们选择了天然气这种清洁、高效的生态型优质能源和燃料。
1.1.2 LNG工业 (1) 液化天然气LNG
液化天然气(LNG) 是天然气的液态形式,将天然气经过净化处理(脱水、脱重烃、脱酸性气体)后，采用节流、膨胀或制冷工艺，由气态变为液态，液态体积约为气态时的1／600。在某些情况下,选择液化天然气比选择气态天然气具有更多的优点。LNG的应用实际上就是天然气的应用,但由于其特性,LNG又比天然气有着更广泛的用途。
表1-1 相同发热量下各种化工燃料燃烧时的碳排放量一览表
Tab.1-1 The summary chart of Carbon emissions when different chemical fuels
burn In the same heat productivity
(2)LNG工业链
利用低温技术将天然气液化，有利于天然气的储存、运输和应用，这是一 项在国外广泛应用的先进技术。LNG工业包括天然气的液化、储存、运输、接收终端、再汽化装置等的一系列过程。由于LNG其占有的市场份额越来越大，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。
图1-1 LNG工业链 Fig.1-1 Industrial chain of LNG
（3）LNG主要市场应用领域
（a）工业上用于发电，陶瓷、玻璃等行业 （b）中小城镇生活用LNG （c）LNG作为调峰的备用气源 （d） 车用LNG燃料
近年来，中国的液化天然气(LNG)已起步，在液化天然气链的每一环节上都有所发展；尤其是近几年内，LNG的供气设施建设投资少、见效快、方式灵活等特点给工业、生产和人们的生活等方面带来很多方便，LNG的应用越来越广泛，在某些环节上有较大的进展。现阶段，我国大力进行的LNG接收终端建设，必将带动LNG生产及储运等相关技术的进步，我国LNG工业将迎来快速发展的阶段。
1.2 液化天然气储罐简介
1.2.1液化天然气储存方式 （1）地下液化天然气储气库
法国、瑞典、比利时进行过岩穴储存液化天然气的试验，德国进行过储存液化天然气的试验，这类储气库在技术上的可行性和经济性还有待证实。目前，已在阿尔及利亚的阿尔泽(Arew)、美国新泽西州的卡尔斯塔特和马萨诸塞州的霍普金顿、英国的坎维岛先后建设了4座冻土层地下洞穴储气库。这种储气库的最大缺陷是洞壁上易形成裂缝，并会随着液化天然气的渗入而扩大，甚至泄漏，蒸发损耗率高。
（2）地下液化天然气储罐
地下液化天然气储罐需人工建造承载壁，它的内壁及隔热层与地上储罐基本相同，地下液化天然气储罐具有占地面积小、不影响环境、安全性高、抗震性能强、耐久性和密封性好等优点。日本是世界上地下液化天然气储罐建造技术比较先进的国家
（3）地上液化天然气金属储罐
地上液化天然气金属储罐有两层金属壁，分为落地式和高架式两种，是使用历史最长且流行最广的储存方式。 1.2.2液化天然气（LNG）低温储罐
储存液体或气体的钢制密封容器即为钢制储罐，储罐是石油、化工、粮油、食品、消防、交通、冶金、国防等行业必不可少的、重要的基础设施，我们的经济生活中总是离不开大大小小的钢制储罐，储罐在国民经济发展中所起的重要作用是无可替代的。钢制储罐是储存各种液体（或气体）原料及成品的专用设备，对许多企业来讲没有储罐就无法正常生产，特别是国家战略物资储备均离不开各种容量和类型的储罐。
低温技术诞生于十七世纪，到了二十世纪，随着科学技术的不断发展以及
工农业生产的需要，低温技术在空间科学、原子能工业、电子科学、半导体、 计算机、光学、食品、医药、冶金、化工、农业、轻工业等国民经济各个领域 中，都得到了广泛迅猛的发展。低温技术在所有这些领域中的应用都离不开低温储运，而低温液体储罐储运是最常用的低温储运技术。
LNG工业链中无论是LNG液化还是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)，LNG储罐也将有更大的市场需求。
LNG低温储罐的分类 （1）按容量分类
小型储罐：容量为5～50m³，生活常用于民用的LNG汽车加注点及民用燃气液化站等；
中型储罐：容量为50～100m³多用于工业燃气液化站；
大型储罐：容量为1～4万m³，用于基本负荷型和调峰型液化装置； 特大型储罐：容量为4～20m³万用于LNG接收站2005年储槽容量突破20 万
m³并且向更大的储槽容量发展。
（2）按形状分类
立式储罐：100 m³的小型立式LNG储罐作为汽车注气设备； 立式子母型储罐：通常是由3个以上的子罐并联组成； 球形储罐： 内外罐均为球状。工作压力为0.2到1.0MPa；
典型的全封闭围护系统储槽：地上型特大储罐，容量为8万m³，多用于LNG接收终端站（最大容量为20万m³）。 （3）按放置位置分类
LNG储罐按其放置的部位又可分为地上型和地下型(a.半地下型；b.全地下型；c.地下坑型）两大类。 （4）按材料分类
双金属型：内罐及外壳均采用金属材料建造，内罐选用耐低温的不锈钢或铝合金， 外壳选用压力容器用钢；
薄膜型：该类储罐内筒由36Ni钢制造；
预应力混凝土型：该类储罐的内筒采用耐低温的金属材料建造，外壳采用预应力混凝土建造的方案。
本文研究的内容局限于小型液化天然气储罐，也就是容量为5～50m³的液化天然气储罐。
1.2.3小型液化天然气储罐
图1-3为我们生活中可见的小型LNG储罐：
图1-3 小型LNG储罐 Fig.1-3 Small LNG container
所谓小型储罐，是指容量为5～50 m³的储罐，常用于民用的LNG汽车加注点及民用燃气液化站等。因为国内尚不具备大型LNG储罐的设计与建造技术能力。国内已建或在建的几台大型LNG储罐均利用了国外技术，国内相关企业与研究单位正积极与国外公司合作，引进先进的技术，同时也在不断研究与发展LNG储罐的设计建造技术，广泛应用的还是中小型储罐。
生活中新型储罐的车用小型液化罐也是小型液化天然气储罐的一种。目前液化天然气汽车得到了长足发展、小型车用LNG燃料罐的结构、功能以及国内外LNG燃料罐的技术也成为了研究的重点，近年来世界上关于车用天然气燃料罐的关键技术的研究也越来越多。
目前，国内已具备中小型液化天然气储罐的设计、制造技术与能力，产品已大量投入使用。并且国内LNG气化站常用的大多为50 m³和100 m³圆筒型双金属真空粉末绝热储罐，气化站储罐最大可做到200 m³，但由于体积较大，运输比较困难。所以日常生活中还是以小型液化天然气为主。如何利用这些新技术来设计高性能的低温容器，使之适应更加恶劣的工作环境已成为低温容器设计和研究中的重要课题。
小型液化天然气储罐一般结构由内筒结构、外筒结构、绝热结构和支撑结构组成。下图1-4为一立式小型液化天然气储罐的基本结构。
图1-4 小型立式液化天然气(LNG)储罐 Fig.1-4 The small vertical LNG container
立式储罐的基本结构如图1-4所示，外管路及操作系统置于罐的下部，内筒体用来盛装液化天然气，与其相连的各种管路通过夹层空间延伸到外管路系统。外筒体一方面与内筒体构成密闭的真空夹层绝热空间，同时对内筒体起保护和支承作用。内筒体与外筒体之间的支承采用绝热性能良好的玻璃钢材料，用于支持内筒体的轴向和径向载荷。
国内状况小型液化天然气储罐一般为双金属壁结构，并且带压储存。而20—50 m³的小型液化天然气储罐典型形式为卧式储罐，物料进出口均集中在储罐一端封头下部，安全泄放口(防爆膜)在同一端封头上部，储罐另一端封头一般无任何接口。小型液化天然气储罐是城镇液化天然气气化站的核心设备，投资大，对液化天然气供气技术的经济性影响很大。
生活中可以看到经常见到小型液化天然气储罐，下图1-5为国计民生中的中小型液化天然气储罐的应用，可见，小型液化天然气储罐已经渗透到我们的日常生活中，在国计民生扮演者越来越重要的角色。所以研究小型液化天然气储罐也变得更有意义。
图1-5 国计民生中小型LNG储罐的应用
Fig.1-5 The application of small LNG container relating to the life
1.3 小型液化天然气储罐的设计研究
1.3.1小型液化天然气储罐特殊要求 （1）耐低温
常压下液化天然气的沸点为- 160 ℃。LNG 选择低温常压储存方式，将天然气的温度降到沸点以下，使储液罐的操作压力稍高于常压，与高压常温储存方式相比，可以大大降低罐壁厚度, 提高安全性能。因此，LNG 要求储液罐体具有良好的耐低温性能和优异的保冷性能。 （2）安全要求高
由于罐内储存的是低温液体，储罐一旦出现意外，冷藏的液体会大量挥发，气化量大约是原来冷藏状态下的300 倍，在大气中形成会自动引爆的气团。因此要求储罐采用双层壁结构，运用封拦理念，在第一层罐体泄漏时，第二层罐体可对泄漏液体与蒸发气实现完全封拦，确保储存安全。 （3）保温措施严格
由于罐内外温差最高可达200 ℃，要使罐内温度保持在- 160 ℃，罐体就要具有良好的保冷性能，在内罐和外罐之间填充高性能的保冷材料。罐底保冷材料还要有足够的承压性能。
1.3.2小型液化天然气储罐设计规范
目前国内用于民用燃气气化站的小型储罐，其内罐设计成压力容器，按GB
150-1998《钢制压力容器》附录C设计，其设计压力最大为1.8 MPa，通常工作压力在0．2～1．0 MPa 。关于LNG低温储罐的设计我国与之相关的设计规范有GB 50028-1993 《城镇燃气设计规范》； GB 50183- 2004 《石油天然气工程设计防火规范》等，但尚无LNG 专用设计规范。国外LNG 的专用规范有： API620 规范，美国NFPA- 59A 《液化天然气生产、储存和装卸》，英国BS7777标准。
上述规范对低温储罐的设计做出了规定，对特定部位材质选用和焊接规定了具体的要求。根据位置与作用定义出主要构件和次要构件。英国标准BS 7777 针对低温储罐做了更详尽的叙述，提出了低温储罐的三种设计模式：单层封拦设计，双重封拦设计和完全封拦设计。目前工程上常采用双重封拦设计。双重封拦设计是指内罐及外罐均具有承装冷液的功能，在正常情况下冷液体储存在内罐，当内罐发生泄漏时，外罐能起到拦截、储存冷液的作用，但不能抑制因泄漏而产生。
压力容器在总体结构设计和技术实现方面已经非常成熟，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。
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。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。一旦造成储罐罐体或附属构件损坏，液化气泄漏，将直接威胁到周围广大居民的人身安全，其后果下堪设想。因此，怎样采用正确的设计方式，优质施工，良好维护对确保储罐安全具有重大意义。储罐设计关系到设备的本质安全，所以有关设计、制造、操作和火灾预防等方面的安全问题，要严格执行有关标准、规定，还应根据每台设备的特点、设计参数及相关要求全面综合考虑分析。 1.3.3本文对小型液化天然气储罐的设计研究方向
本文想就储罐的设计、选材及维护中的问题作一些探讨，从而进行更合理、更优化的设计，确保LNG储罐的安全。本文主要从以下方面进行研究设计： （1）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，并且内容器和管路可选用相同的材料。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材料。绝热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。 （2）结构设计
本文以 20m³液化天然气储罐为研究对象，在设计参数（设计温度，设计压力等参数）下对其进行设计。包括内筒体的结构设计，支撑结构设计，封头结构设计，外筒体结构设计。通过用数学建模的方法，对筒体的优化设计建立数学模
型，确定目标函数和约束条件，再用软件MATLAB求出最优化结果，完成小型储罐内筒的最优化设计。然后进而完成其他容积的储罐的设计研究。 （3）绝热保冷
绝热保冷是储罐安全储存的最主要保证措施，小型LNG储罐一般采取真空或真空粉末绝热方式。绝热空间保持一定的真空度，即可消除气体的对流传热。辐射成为这种绝热结构的主要传递通道，故一般对内罐的外表面进行抛光处理，或采用低发射率的材料涂敷表面，降低材料表面的发射率来减少辐射传热。除此，真空度的降低会影响绝热效果，焊缝的泄漏及夹层绝热材料的放气都对真空度有很大影响，如何保持真空度也就成为确保LNG储罐安全的关键因素。
1.4 结语与展望
随着国家能源结构的调整和对环境保护要求的不断提高，以及原油的价格的持续飙升，天然气的应用将越来越广泛，液化后的体积约为标准状况下其气体体积1／625，它有利于天然气的远距离运输，有利于边远天然气的回收，有利于降低天然气的储存成本，有利于天然气应用中的调峰。由于液化天然气的储存属于深冷保存，所以液化天然气的储存也就成了大家研究的课题，小型LNG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。
虽然我国已对液化天然气储罐结构进行了相应的研究并有了实际应用，但 在这方面的基础还比较缺乏，与国际先进水平相比还存在一定差距。随着我国 沿海液化天然气接收站的建成和投入使用，我国对液化天然气储运的理论与技 术研究已进入了迅猛发展时期。国际能源形势日趋紧张，中小型气田的开发越 来越有必要，而小型天然气液化装置非常适合在这种气田上的应用，这间接带 动了小容量液化天然气储罐的发展。
小型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。由此可见综合考虑各方面因素，进一步加强对液化天然气低温储罐的研究对推动液化天然气工业的发展，解决日益恶化的环境问题和能源危机具有十分重要的现实意义。
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