摘要：ZBO 技术是一种新兴的低温液体无损贮运技术，已经在众多研究领域中取得一定进展。LNG 在贮运过程中，受外界环境影响，罐内LNG 汽化产生大量蒸发气体（BOG），不仅产生贮运损耗，而且降低了贮运安全性。本文通过调研LNG 贮运现状及ZBO 技术发展，提出将ZBO 技术与LNG 贮运相结合，对储罐内BOG 及过热液体进行冷却，使储罐内LNG 处于过冷状态，从而降低储罐内压至安全范围内，延长了安全贮存时间，可达到无损贮运的目的，同时带来可观的经济效益。
关键词：ZBO；LNG；贮运；应用
1. ZBO 技术发展概况
由于低温液体饱和温度相对很低，因此，不论其储罐的绝热性能多好，都会或多或少地存在漏热导致低温液体蒸发汽化，使储罐内压力上升。一般情况下，为确保储罐安全，压力达到某一上限时需要对其进行定期放空，这使得低温液体质量产生极大损耗，减小了储罐内低温液体的利用率。
为实现低温液体推进剂在空间的有效利用，美国NASA 低温研究者提出了零蒸发损耗贮存（ZeroBoil-Off，简称ZBO）的技术概念，其可行性已由格伦研究中心（GRC）在小规模范围内进行了验
证，初步研究表明，采用ZBO 技术可以大力节约贮运成本，直接应用于实现地面重力环境下储罐中低温液体的无损耗储存，提高运输安全性，缩短生产周期，增加储罐的额定充注量，提高储罐的利用率，继而降低低温液体的生产使用成本。
近年来，国内外研究机构均相继开展了ZBO 技术的相关研究工作，其应用范围也在不断拓宽，从航天器推进剂空间贮存领域逐渐向民用低温液体贮运方向扩展，主要包括核磁共振成像仪磁体所
用低温液体的长期保存、移动电话基站以及液化天然气的储存等。目前使用小型制冷机无损储存的再液化能力为4～5L/h，这种装置可用于氢气泡实验室、冷却空间模拟装置、核研究中的池型反应堆照射系统等。
2. ZBO 技术特点
ZBO技术就是利用主动制冷技术和被动绝热技术相互结合，用耦合于低温制冷机的热交换器从
储罐内移出环境漏入热量以及储罐中的寄生热，使汽化或过热的低温液体再次液化，直至过冷，实现储罐内压力控制而无需排气，从而达到零蒸发零损耗储存的目的。
从目前研究结果来看，主动制冷机和高效被动热防护的结合具有与以下优点：
1）降低低温液体的装载量和储罐质量；
2）增加低温液体贮运系统热控制的可靠性；
3）增加低温液体贮运系统压力控制的可靠性；
4）增加低温液体贮运的安全性。
表1比较了ZBO储存和被动绝热储存低温液体质量的差别，可见ZBO技术具有绝对的优势，储存
时间越长，质量差别越大，贮运成本节约越多。
3. LNG 贮运现状
天然气贮运是天然气产业链中重要的一环，是连接上下游之间的纽带。LNG体积是其气态时的1/600，作为天然气的一种独特贮运形式，不仅降低了天然气的储存成本，而且更有利于其远距离运输、边远天然气的回收和应用过程中调峰。同时，由于天然气在液化前进行了净化处理，所以它比管道输送的天然气更为洁净[2]。
3.1.LNG 贮运特点
3.1.1 运输方式多样化
常见的LNG运输方式多种多样，大致可分为管道输送、船舶运输和罐车运输3种方式[3]。其中，管道输送涉及远距离低温输送技术，存在一定困难；船舶运输风险过高，但运输稳定、竞争有序;罐车运输主要依靠储罐绝热性能，其运输方式灵活。
3.1.2 贮运规模跨度大
LNG贮运规模跨度大，对于不同终端，规模亦不同。通常，LNG船舶运输规模为2500～217000m3，分配给用户的终端贮存容器在20～5000m3左右，调峰站以及陆地LNG输送，则使用管线、贮罐和公共罐车，目前，我国现有LNG气化站常用立式储罐，绝热方式有真空粉末绝热、正压堆积绝热和高真空多层绝热3种类型，大多为50m3和100m3的圆筒型双金属真空粉末绝热型储罐[4]，日蒸发率一般小于等于总储量的0.3%。国产LNG罐车，容积一般为30m3、40m3和45m3等几种规格[5]，国外LNG罐车容积约为90m3。
3.2.LNG 贮运过程中的BOG
3.2.1BOG 产生原因
由于LNG的饱和温度约为-110K，储罐内外存在较大的温度梯度，不论其绝热性能有多好，都会有热量通过各种途径传入储罐内部，造成LNG气化产生闪蒸气（BOG），使储罐内的压力上升，同时，罐内液下泵运行时产生的热能，也会产生BOG，为了维持储罐压力恒定，必须及时处理BOG气体。此外，外部LNG向储罐送入LNG时，产生的容积置换，也要求排出BOG气体，以维持罐压。因此，如何处理BOG气体成为LNG贮运系统中的重要组成部分。
3.2.2 BOG 处理方式
从能量利用合理性角度定性分析，BOG处理的优先顺序如下[6]：
（1）送火炬或者排入大气；
（2）与输出的LNG直接换热，将BOG再冷凝液化成LNG送出；
（3）主动制冷方式进行液化；
（4）将储罐BOG气体返回LNG船，填补舱罐卸料产生的真空；
（5）直接压缩到外送输气管道压力送出。
其中，BOG常见液化技术及缺点见表2。
4. ZBO 技术在LNG 贮运中的应用
ZBO 技术的实质是通过低温制冷机将储箱的漏热及寄生热及时排出，实现储箱内压力控制。为
集成高效ZBO 系统，通常要求传热部件在工作温度下具有良好的传热性能，同时不会对储槽产生额外的热负荷，尽可能降低传热途径以及冷凝换热过程中的冷损失，从而按需选用制冷机的体积和功耗，保证集成系统的高效。
LNG 作为常见低温液体之一，ZBO 技术同样对其适用，和表2 中在用LNG 液化工艺相比，具
有以下特点：
（1）对不同组成原料气有很强的适应性，其造价和操作费用低；
（2）系统结构简单，流程简洁，控制、操作维修方便，可靠度较高；
（3）无需外加制冷剂；
（4）效率高，运行费用较低。
ZBO系统主要由低温液体储罐、低温制冷机、换热组件和混合器等部件组成。制冷机选取方面，双级斯特林、G-M及SV制冷机均可用来直接液化汽化蒸气。一般制冷量需求大时以斯特林制冷机较多。制冷机与ZBO系统中集成方式主要有两种形式：一是将储罐中流体在低温储罐外部液化后再送回储罐中；另一种是将低温流体在低温储罐内直接冷凝，即在储罐中集成闭式循环制冷机，利用制冷机的冷量将储罐内过热流体再冷凝为过冷液体。对于不同的低温液体，不同容积的低温储罐，由于冷凝温度和漏热量不同，需要采用不同的集成方式。对于不同的集成形式，须选择不同形式的部件。
4.1 储罐内冷凝方式
图1 储罐内冷凝原理示意图
Fig.1 Schematic diagram of condensation princlple in the tank
此方案中低温制冷机冷头热交换部位位于储罐内部，产生的冷量通过高效低温热管传至换热器，由换热器与低温液体完成冷量交换。过冷低温液体通过搅拌器在储罐内循环流动，破坏储罐内液体分层，以使其温度相对均匀。当LNG 冷却降温至要求程度后，ZBO 系统只需要间隙运行即可满足要求，保证储罐的压力和温度保持不变。
低温储罐为真空多层绝热结构，以减小低温液体的冷量损失。散热器用来辐射掉低温制冷机出口的高温高压工质热量。控制器工作原理，测量储罐内压力，当压力达到一定值时，发送指令启动制冷机对储罐内液体开始制冷，当储罐压力降低至规定值后，发送指令，制冷机停机。其中，冷头与低温热管之间配置热开关，便于制冷机停止工作时外界热量导入，同时，低温热管启动温度应与低温液体温度相匹配。
4.2 储罐外冷凝方式
低温制冷机直接安装于储罐顶部，冷头热交换部位位于储罐外部封闭空间内，产生的冷量通过换热器传递给其内部由低温泵抽取的LNG，该部分液体吸收冷量后处于过冷状态，过冷液体从换热器出口流至喷头处，喷洒在气相空间内，冷却该空间内气体，降低储罐气液相温度，使储罐内压力降至规定范围内。但因储罐内气相空间狭小，制冷机处理出的过冷低温液体全部从喷头注入时，会在储罐液面形成一层冷液，实际上储罐内的低温液体温度并没有下降。为避免这种情况发生，低温泵的另一作用在于破坏储罐内液体分层，充分利用ZBO系统制冷降温能力，从而控制储罐内压力。
5. 存在问题及展望
ZBO 技术虽然在研究方面已日渐成熟．但在应用方面仍具有一定局限性。随着运输能力的不断加强，LNG 储罐及船运货柜日渐趋于大型，甚至超大型，据资料显示，目前研制的斯特林制冷机鉴于部件寿命问题，限制了其输出冷量大型化，一般在110K 时，输出功率仅在千瓦左右，提供冷量有限，与大型储罐匹配性较差，因此，现阶段ZBO 技术只适用于LNG 罐车和小型储罐。
LNG作为一种清洁能源，是当前全世界增长最快的一种燃料，国内由于能源和环保的要求，对天然气的需求也越来越大。ZBO技术作为一种新兴的低温液体无损贮运技术，其自身特点决定了在低温液体贮运领域有着广阔的应用前景。随着研究研发的不断深入，大冷量、长寿命制冷机，绝热性能更优异的低温储罐的出现以及高效热耦合技术的进步，ZBO技术在LNG贮运中的应用必将获得迅速发展，不仅为LNG的安全储存提供技术支持，同时也会带来相当可观的经济和社会效益。
参考文献
[1] Mohammad Kassemi DC, Stephen Barsi. The Zero Boil-Off Tank Experiment: NASA; 2006.
[2] 顾安忠，石玉美，汪荣顺. 中国液化天然气的发展[J]. 石油化工技术经济, 2004,(1):1-7.
[3] 徐孝轩，陈维平，余金怀. 液化王然气的运输方式及其特点[J]. 油气储运, 2006,25(3):6-11.
[4] 顾安忠，鲁雪生，石玉美. 液化天然气技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.
[5] 徐烈，李兆慈，张洁，徐永生. 我国液化天然气(LNG)的陆地储存与运输[J]. 天然气工业, 2002,22(3):89-91.
[6] Tarlowski J. LNG IMPORT TERMINALS-RECENT DEVELOPMENTS; 2003.
[7] 上川. LNG 船动力装置的选择[J]. 11, 2002,(国际船艇):28～30.
[8] 边绍雄. 小型低温制冷[M]. 北京: 机机械工业出版社, 1985.
[9] 刘新伟，李海国，刘芙蓉. 天然气液化模拟及其工艺技术[J]. 天然气工业, 1999,1(1):97-100.
[10] Son H.Ho MMR. Nozzle injection displacement mixing in a zero boil-off hydrogen storage tank[J]. ELSEVIER, 2008,33:878-888.
第一作者（通讯作者）简介：张晓曦（1981-），男，工程师，研究方向为低温液体贮运及制冷技术。