一种新型低温液氢储罐的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种新型低温液氢储罐的设计方法，属于液氢储存技术领域。所述新型低温液氢储罐的设计方法包括：完成对所述储罐的强度设计，包括计算内罐和外罐的壁板、顶板和底板的厚度；完成对所述储罐的保冷设计，包括通过计算储罐顶板、壁板以及底板传热量，以计算储罐蒸发率，根据对储罐蒸发率的要求调整液氮冷屏的相关参数。本发明专利技术针对首次采用液氮冷屏结构且采用穹顶设计的大型立式低温液氢储罐，创新性的完成储罐的强度设计和保冷设计。新性的完成储罐的强度设计和保冷设计。新性的完成储罐的强度设计和保冷设计。

【技术实现步骤摘要】
一种新型低温液氢储罐的设计方法


[0001]本专利技术涉及一种新型低温液氢储罐的设计方法，属于液氢储存


技术介绍

[0002]液氢是一种无色、无味的高能低温能源，是氢的一种液态贮存状态。由于液氢的密度是氢气的800倍，相比其他运输方式，液氢的高储运密度、高运输效率和适合长距离运输等特点，使其成为了氢优质的储存和运输方式之一。
[0003]氢气的液化是通过多次循环的绝热膨胀来实现的。在常压下的沸点(20.37K，
‑
252.78℃)和凝固点很低(13.96K，
‑
259.19℃)，其液化储存难度较大。且由于液氢沸点很低，汽化潜热小(0.45kJ/g)，稍有热量从外界渗入容器，即可造成液氢的快速沸腾而损失，因此液氢储罐的绝热保温性能直接影响到液氢的蒸发率。一直以来，常压储存的液氢的核心难点问题就是液氢在贮存过程中的保温问题。另外，长期以来，在全球范围内液氢的储存受限于高压储存，无法进行大规模液氢的存储。因此，专利技术设计一种新型低温液氢储罐极为必要。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种新型低温液氢储罐的设计方法，使得相应储罐从结构上可以实现液氢储罐的大型化，容积能做到10万方及以上。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种新型低温液氢储罐的设计方法，所述新型低温液氢储罐为立式常压低温储罐，包括外罐和内罐，所述外罐和内罐呈圆筒形或为截面呈正多边形的筒体，且分别包括壁板、底板和穹形顶板；所述外罐和内罐之间分别设有液氮冷屏和绝热材料，其中所述液氮冷屏沿内罐外壁铺设；所述新型低温液氢储罐的设计方法包括：
[0007]完成对所述储罐的强度设计，包括计算内罐和外罐的壁板、顶板和底板的厚度；
[0008]完成对所述储罐的保冷设计，包括通过计算储罐顶板、壁板以及底板传热量，以计算储罐蒸发率，根据对储罐蒸发率的要求调整液氮冷屏的相关参数。
[0009]进一步的，内罐壁板厚度的计算方法如下：
[0010]e＝max{e
s，c
，e
s，t
，e
min
}
[0011][0012][0013]其中，e为内罐壁板厚度，e
s，t
为水压试验工况下的内罐壁板计算厚度，e
s，c
为操作工况下内罐壁板计算厚度，e
min
为内罐壁板最小设计厚度，ρ
c
为操作工况下储存介质的最大密度，ρ
t
为水压试验工况下试验介质的最大密度，P
c
为内罐设计压力，P
t
为内罐内部压力减去顶板重力，σ
sc
为操作工况下内罐壁板许用应力，σ
st
为水压试验工况下内罐壁板许用应
力，H为液氢最高设计液位，D
i
为内罐内径。
[0014]进一步的，外罐壁板厚度的计算方法如下：
[0015][0016]e
os
为外罐壁板厚度，P
i
为内部压力、内部气压和绝热系统压力之和，D0为外罐内径，c为腐蚀余量，σ0为外罐壁板许用应力。
[0017]进一步的，其中所述内罐底板和外罐底板均包括环形边缘板和中幅板，环形边缘板沿所述内罐底板或外罐底板外圈设置一圈并由若干个边缘板单元搭接而成，所述中幅板设置在环形边缘板内部并由若干个中幅板单元搭接而成；
[0018]其中，内罐底板厚度的计算方法如下：
[0019]内罐环形边缘板厚度：e
a，1
＝max{(3.0+e
s，1
/3)，8}
[0020]内罐环形边缘板最小宽度：
[0021]e
a，1
为内罐环形边缘板厚度，e
s，1
为内罐壁板底圈厚度，l
a，1
为内罐环形边缘板最小宽度，H为液氢最高设计液位；
[0022]外罐底板厚度的计算方法如下：
[0023]外罐环形边缘板厚度：e
a，2
＝max{(3.0+e
s，2
/3)，8}
[0024]外罐环形边缘板最小宽度：
[0025]e
a，2
为外罐环形边缘板厚度，e
s，2
为外罐壁板底圈厚度，l
a，2
为外罐环形边缘板最小宽度，H为液氢最高设计液位。
[0026]进一步的，内罐和外罐顶板厚度的计算方法均为：
[0027]e
r
＝max{e
r1
，e
r2
}
[0028]球形顶：
[0029]屈曲计算：
[0030]e
r
为顶板厚度，e
r1
为球形顶顶板厚度，e
r2
为屈曲计算顶板厚度，P
r
为内部压力减去顶板重力，R
r
为顶板的曲率半径，P
e
为外部载荷，E为弹性模量，σ1为顶板许用应力，η1为焊缝的焊接接头系数。
[0031]进一步的，储罐日蒸发率的计算方法为：
[0032][0033]其中，BOR为日蒸发率，γ为液氢气化潜热，V为储罐最大设计液位对应的容积，ρ0为液氢的密度，Φ
s
为储罐总传热量。
[0034]进一步的，储罐总传热量Φ
s
为：
[0035]Φ
s
＝Φ1+Φ2+Φ3[0036]其中，Φ1为内罐顶板的传热量，Φ2为内罐壁板的传热量，Φ3为内罐底板的传热量；
[0037]内罐顶板的传热量计算方法为：
[0038]其中，Φ1为内罐顶板的传热量，A1为内罐顶板外表面积，T1为内罐顶板外表面温度，T2为内罐顶板内表面温度，δ2为内罐顶板厚度，λ1为内罐顶板的导热系数；
[0039]内罐壁板的传热量计算方法为：
[0040]Φ2为内罐壁板的传热量，T4为罐壁液氮冷屏等效温度，T3为液氢储液温度，L为内罐壁板高度，h1为内罐壁板表面传热系数，λ
3i
为罐壁各层绝热材料导热系数，d1为内罐的直径，d
i
为罐壁各层绝热材料对应直径；
[0041]内罐底板的传热量计算方法为：
[0042]Φ3为内罐底板的传热量，T5为罐底液氮冷屏等效温度，T3为液氢储液温度，A4为底板表面积，λ
4i
为底板及罐底各层绝热材料导热系数，δ
4i
为罐底及各层绝热材料厚度。
[0043]进一步的，罐壁液氮冷屏等效温度T4计算方法为：
[0044]kA
b
T4＝q
m
c
p
(t
′1‑
t
″1)
[0045][0046][0047]其中，k为综合传热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型低温液氢储罐的设计方法，其特征在于，所述新型低温液氢储罐为立式常压低温储罐，包括外罐和内罐，所述外罐和内罐呈圆筒形或为截面呈正多边形的筒体，且分别包括壁板、底板和穹形顶板；所述外罐和内罐之间分别设有液氮冷屏和绝热材料，其中所述液氮冷屏沿内罐外壁铺设；所述新型低温液氢储罐的设计方法包括：完成对所述储罐的强度设计，包括计算内罐和外罐的壁板、顶板和底板的厚度；完成对所述储罐的保冷设计，包括通过计算储罐顶板、壁板以及底板传热量，以计算储罐蒸发率，根据对储罐蒸发率的要求调整液氮冷屏的相关参数。2.根据权利要求1所述的新型低温液氢储罐的设计方法，其特征在于，内罐壁板厚度的计算方法如下：e＝max{e
s，c
，e
s，t
，e
min
}}其中，e为内罐壁板厚度，e
s，t
为水压试验工况下的内罐壁板计算厚度，e
s，c
为操作工况下内罐壁板计算厚度，e
min
为内罐壁板最小设计厚度，ρ
c
为操作工况下储存介质的最大密度，ρ
t
为水压试验工况下试验介质的最大密度，P
c
为内罐设计压力，P
t
为内罐内部压力减去顶板重力，σ
sc
为操作工况下内罐壁板许用应力，σ
st
为水压试验工况下内罐壁板许用应力，H为液氢最高设计液位，D
i
为内罐内径。3.根据权利要求1所述的新型低温液氢储罐的设计方法，其特征在于，外罐壁板厚度的计算方法如下：e
os
为外罐壁板厚度，P
i
为内部压力、内部气压和绝热系统压力之和，D0为外罐内径，c为腐蚀余量，σ0为外罐壁板许用应力。4.根据权利要求1所述的新型低温液氢储罐的设计方法，其特征在于，其中所述内罐底板和外罐底板均包括环形边缘板和中幅板，环形边缘板沿所述内罐底板或外罐底板外圈设置一圈并由若干个边缘板单元搭接而成，所述中幅板设置在环形边缘板内部并由若干个中幅板单元搭接而成；其中，内罐底板厚度的计算方法如下：内罐环形边缘板厚度：e
a，1
＝max{(3.0+e
s，1
/3)，8}内罐环形边缘板最小宽度：e
a，1
为内罐环形边缘板厚度，e
s，1
为内罐壁板底圈厚度，l
a，1
为内罐环形边缘板最小宽度，H为液氢最高设计液位；外罐底板厚度的计算方法如下：外罐环形边缘板厚度：e
a，2
＝max{(3.0+e
s，2
/3)，8}外罐环形边缘板最小宽度：
e
a，2
为外罐环形边缘板厚度，e
s，2
为外罐壁板底圈厚度，l
a，2
为外罐环形边缘板最小宽度，H为液氢最高设计液位。5.根据权利要求1所述的新型低温液氢储罐的设计方法，其特征在于，内罐和外罐顶板厚度的计算方法均为：e
r
＝max{e
r1
，e
r2
}球形顶：屈曲计算：e
r
为顶板厚度，e
r1
为球形顶顶板厚度，e
r2
为屈曲计算顶板厚度，P
r
为内部压力减去顶板重...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜亮坡，李国辉，彭常飞，马强，李阳，袁洋，孟庆鹏，李安萌，朱鹏飞，王新超，张松，
申请(专利权)人：中国石油管道局工程有限公司中国石油天然气管道工程有限公司，
类型：发明
国别省市：