王武昌李玉星孫法峰臧壘壘

1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 2.中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心

大型LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力及蒸發(fā)率的影響因素分析

王武昌1李玉星1孫法峰2臧壘壘1

1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 2.中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心

王武昌等.大型LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力及蒸發(fā)率的影響因素分析.天然氣工業(yè),2010,30(7):87-92.

LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)的蒸發(fā)對(duì)LNG儲(chǔ)罐的安全有著非常大的影響。為此,以3×104m3的LNG儲(chǔ)罐為例,在分析研究的基礎(chǔ)上,基于質(zhì)量守恒及能量守恒原理,建立了預(yù)測(cè)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力及蒸發(fā)率的模擬模型,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該模型的計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠。利用該模型分析了密閉LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力及蒸發(fā)率的影響因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn):密閉LNG儲(chǔ)罐存在1個(gè)“最優(yōu)直徑”和“最優(yōu)充滿率”;LNG儲(chǔ)罐保溫層導(dǎo)熱系數(shù)越大,LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力上升得越快,LNG安全儲(chǔ)存時(shí)間就越短;環(huán)境溫度越高,密閉LNG儲(chǔ)罐的壓力上升得越快,LNG安全儲(chǔ)存時(shí)間越短;LNG含氮量、外界大氣壓對(duì)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力影響不大;LNG含氮量越高其的蒸發(fā)率越低,向LNG儲(chǔ)罐內(nèi)充注氮?dú)饪梢杂行У亟档蚅NG儲(chǔ)罐內(nèi)液體的蒸發(fā)率。該項(xiàng)成果將為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供技術(shù)支持。

LNG儲(chǔ)罐 蒸發(fā)率 影響因素 初始充滿率 模擬 含氮量 大氣壓

0 前言

在LNG儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中,由于LN G的低溫特性及LNG儲(chǔ)罐隔熱材料性能的局限性[1],環(huán)境向LNG儲(chǔ)罐內(nèi)漏熱會(huì)引起罐內(nèi)低溫介質(zhì)的內(nèi)能增加、溫度上升、壓力升高。當(dāng)LN G儲(chǔ)罐內(nèi)壓力達(dá)到安全極限值后, LNG儲(chǔ)罐的安全閥必須打開(kāi),釋放掉一部分蒸發(fā)氣體,以保證LNG儲(chǔ)罐的安全。把LN G儲(chǔ)罐內(nèi)的蒸發(fā)氣體釋放到空氣中,不僅會(huì)增加儲(chǔ)運(yùn)成本,還可能會(huì)給環(huán)境帶來(lái)安全隱患。這就需要對(duì)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力、溫度及蒸發(fā)率特性加以分析研究,以便節(jié)約資源。

20世紀(jì)60年代,Neff首先指出:封閉儲(chǔ)罐中壓力的上升是低溫液體安全儲(chǔ)存所面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,容器中壓力可以通過(guò)儲(chǔ)罐中的溫度來(lái)計(jì)算[2]。然而實(shí)驗(yàn)證明,容器中的實(shí)際壓力大于基于平均液體溫度而計(jì)算的壓力。Swim和Schmidt研究了容器中液體的自增壓,并通過(guò)不同的分析方法來(lái)比較了試驗(yàn)結(jié)果[3-4]。Scott等人研究了一個(gè)小型不銹鋼液氦杜瓦中溫度分布情況,并在不考慮溫度梯度時(shí)計(jì)算了容器中壓力的上升并同實(shí)際情況作了比較[5]。C.Beduz、R. Rebiai和R.G.Scurlock等人對(duì)低溫儲(chǔ)存過(guò)程中突然發(fā)生液體大量氣化,進(jìn)而導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)壓力急劇上升的情況進(jìn)行了探討[6]。Yu.A.Kirichenko和Zh.A. Suprunova等人考慮到系統(tǒng)內(nèi)部熱動(dòng)力狀態(tài)改變明顯,利用相似理論通過(guò)實(shí)驗(yàn)求取了描述系統(tǒng)傳熱流動(dòng)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[7]。C.M.Yu和N.U.Aydemir對(duì)部分充滿低溫液體的臥式筒形儲(chǔ)罐和球罐在均勻外部受力作用下的熱力響應(yīng)作了分析[8]。汪榮順等人對(duì)飽和均質(zhì)模型進(jìn)行了修正[9],并針對(duì)6m3液氧儲(chǔ)罐進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,修正后的飽和均質(zhì)模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為相符。徐烈等人分析了充滿率和環(huán)境溫度對(duì)升壓速率的影響,給出了不同充滿率下儲(chǔ)存壓力與容器單位容積受熱量的關(guān)系圖,以及不同充滿率下無(wú)損儲(chǔ)存壓力與時(shí)間的關(guān)系圖,提出了最佳充滿率的概念[10],還分析了不同充滿率下液體中溫度分層的情況,并提出了減少這種分層的途徑。汪順華等人針對(duì)LNG汽車儲(chǔ)罐的無(wú)損儲(chǔ)存規(guī)律,提出了三區(qū)塊計(jì)算模型,并編制程序進(jìn)行了計(jì)算[11]。

由于商業(yè)價(jià)值的原因,國(guó)內(nèi)外有關(guān)LNG蒸發(fā)率的數(shù)據(jù)及資料少之又少,為此,建立了計(jì)算模型并分析了各種影響密閉儲(chǔ)罐內(nèi)壓力及蒸發(fā)率的因素。

1 LNG儲(chǔ)罐蒸發(fā)率計(jì)算模型的建立

LN G儲(chǔ)罐的蒸發(fā)率是指LN G儲(chǔ)罐的靜態(tài)日蒸發(fā)率,即儲(chǔ)罐裝有LNG時(shí),靜置達(dá)到熱平衡后24h內(nèi)自然蒸發(fā)損失的LNG液體質(zhì)量和儲(chǔ)罐內(nèi)LNG液體質(zhì)量的百分比。

1.1 模型的假設(shè)條件

模擬計(jì)算介質(zhì)LNG的組分為甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷、異戊烷、氮?dú)?其摩爾分?jǐn)?shù)分別為80.80%、15.20%、2.10%、0.28%、0.30%、0.01%、0.01%、及1.30%。在模擬計(jì)算中,作出如下假設(shè):①在低溫LNG儲(chǔ)罐內(nèi),氣、液相溫度一致,且系統(tǒng)壓力為液相工質(zhì)的飽和壓力;②無(wú)損LNG儲(chǔ)罐內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量恒定;流體工質(zhì)的平均密度為定值;③蒸發(fā)過(guò)程中,LNG儲(chǔ)罐內(nèi)氣相部分和液相主體部分都是均勻溫度場(chǎng)。

密閉LNG儲(chǔ)罐大都為真空絕熱類型,其結(jié)構(gòu)由內(nèi)筒、保溫層、支撐構(gòu)件和外筒等部分組成。為方便計(jì)算儲(chǔ)罐的傳熱量,作出如下假設(shè):①忽略LNG儲(chǔ)罐保溫層的側(cè)向?qū)?認(rèn)為整個(gè)LNG儲(chǔ)罐的傳熱為一維的,其方向垂直于保溫層。如是多層保溫結(jié)構(gòu),可認(rèn)為保溫層是由多個(gè)保溫薄層熱阻的疊加;②因氣液分界面處具有溫度梯度的液層非常薄,假設(shè)其厚度 hs≈0,環(huán)境漏入LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的熱量全部被氣相和液相主體部分所吸收。

1.2 模型的建立

密閉LNG儲(chǔ)罐為無(wú)損儲(chǔ)存,沒(méi)有質(zhì)量損耗。根據(jù)質(zhì)量守恒定律,減少的液體質(zhì)量等于蒸發(fā)的氣體質(zhì)量。

1)氣相部分的質(zhì)量守恒:

2)液體的質(zhì)量守恒方程:

根據(jù)能量守恒,傳入LNG儲(chǔ)罐的熱量等于LNG儲(chǔ)罐內(nèi)流體內(nèi)能的增加。通過(guò)高真空多層絕熱體的綜合漏熱量為:

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)流體內(nèi)能的變化為:

式中V為L(zhǎng)N G儲(chǔ)罐體積,m3;ρ為儲(chǔ)液密度,kg/m3; U為單位內(nèi)能,J;ρ為氣相密度;Vg為氣相體積;ρl為液相密度;Vl為液相體積;λeff為保溫層導(dǎo)熱系數(shù),J/ (m·℃);Am為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐的傳熱面積,m3;ΔT為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐內(nèi)外溫差,℃;δ為保溫層厚度,m;下標(biāo)f代表末狀態(tài);下標(biāo)i代表初始狀態(tài);l代表液態(tài);g代表氣態(tài);<為充滿率;β為充滿率因子。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于LNG的危險(xiǎn)性,直接進(jìn)行大容量LNG儲(chǔ)罐的試驗(yàn)非常困難,而模擬的理論基礎(chǔ)是氣液相平衡原理,對(duì)于各種尺度LNG儲(chǔ)罐都是適用的。因此本試驗(yàn)采用小型儲(chǔ)罐,用CO2介質(zhì)代替LN G進(jìn)行低溫液體蒸發(fā)率試驗(yàn),測(cè)試該低溫液體儲(chǔ)罐靜態(tài)蒸發(fā)率,通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,然后用研制并完善的模型來(lái)研究大尺度的LN G儲(chǔ)罐內(nèi)的蒸發(fā)規(guī)律[12]。

在相同初始充滿率下,測(cè)試不同環(huán)境溫度時(shí)儲(chǔ)存壓力及溫度的變化情況。試驗(yàn)采用不銹鋼小型儲(chǔ)罐,運(yùn)用自然升壓法測(cè)定儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)的蒸發(fā)量,利用恒溫槽改變介質(zhì)溫度及環(huán)境溫度,利用壓力傳感器得出儲(chǔ)槽內(nèi)壓力變化。試驗(yàn)裝置如圖1所示,CO2溫度為-33℃,環(huán)境溫度為-22℃時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2,CO2溫度為-33℃,環(huán)境溫度為-2℃時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

圖2 CO2溫度為-33℃、環(huán)境溫度為-22℃時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比圖

由圖2、3可知,模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較小,模型的準(zhǔn)確性較好,故對(duì)模型做出的假設(shè)成立,可通過(guò)模擬來(lái)計(jì)算LN G儲(chǔ)罐內(nèi)壓力及蒸發(fā)率的大小。

3 模擬結(jié)果及分析

針對(duì)目前海上LNG的運(yùn)輸發(fā)展,選用大型LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行了模擬研究。模擬的初始條件如下:選用LNG儲(chǔ)罐體積為30000m3,直徑為30m,總傳熱系數(shù)為0.852W/(m2·K),環(huán)境溫度為25℃,大氣壓力為101.3kPa,初始溫度為-163℃,初始?jí)毫?01.325kPa,初始充滿率為70%。

3.1 LNG儲(chǔ)罐直徑的影響

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、壓差及蒸發(fā)率隨儲(chǔ)罐直徑變化情況如圖4所示。

圖4 LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、壓差及蒸發(fā)率隨直徑變化規(guī)律圖

根據(jù)LNG儲(chǔ)罐直徑對(duì)LN G儲(chǔ)罐內(nèi)壓力及蒸發(fā)率的影響來(lái)看,必然存在某一極限值使得LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力及蒸發(fā)率最小。對(duì)于本研究而言,最優(yōu)直徑為30～40m。

3.2 初始充滿率的影響

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、蒸發(fā)率及溫差與充滿率的關(guān)系,如圖5所示。

圖5 LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、蒸發(fā)率及溫差與充滿率的關(guān)系曲線圖

由圖5可知,LNG儲(chǔ)罐中蒸發(fā)率隨初始充滿率的增大而減小,并且開(kāi)始減小比較快。在初始蒸發(fā)率約為0.90時(shí),蒸發(fā)率出現(xiàn)負(fù)值,即存在氣體再液化的現(xiàn)象,這是因?yàn)橥ǔＫf(shuō)的蒸發(fā)率是LNG儲(chǔ)罐內(nèi)液相蒸發(fā)和氣相冷凝的綜合,是有效蒸發(fā)率,LNG儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)液在蒸發(fā)的同時(shí),氣相部分也不斷冷凝,在此過(guò)程中,蒸發(fā)速率與冷凝速率相互作用,影響著有效蒸發(fā)率的大小。在初始階段,LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力較低,LNG的沸點(diǎn)也較低,因氣液相溫差較小,所以液相的蒸發(fā)速率大于氣相的冷凝速率,蒸發(fā)率為正值;隨著LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力增大,LNG的沸點(diǎn)升高,部分儲(chǔ)液處于過(guò)冷狀態(tài),這樣環(huán)境漏熱部分用于增加過(guò)冷儲(chǔ)液的內(nèi)能,而不是全部用于蒸發(fā),所以液相的蒸發(fā)速度減小;同時(shí),因?yàn)閴毫ι邔?dǎo)致液相過(guò)冷,增大了氣液相的溫差,這樣加快了過(guò)熱氣體在氣液界面的冷凝速率,當(dāng)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力上升到一定程度后,LN G儲(chǔ)罐內(nèi)液相的蒸發(fā)速率開(kāi)始小于氣相的冷凝速率,此時(shí)有效蒸發(fā)率就開(kāi)始變?yōu)樨?fù)值;隨著充滿率的增加,溫差變化趨于減小,升壓速率越來(lái)越慢,當(dāng)初始充滿率接近92.7%時(shí), LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力急劇下降,原因是過(guò)高的初始充滿率易造成LNG儲(chǔ)罐處于負(fù)壓狀態(tài),對(duì)LNG儲(chǔ)存極為不利。故合理的初始充滿率對(duì)密閉LNG儲(chǔ)罐的安全儲(chǔ)存時(shí)間極為重要[13],解決的辦法是LN G儲(chǔ)罐儲(chǔ)存壓力保持為0.1MPa。

運(yùn)行時(shí),打開(kāi)增壓器氣相低溫閥,當(dāng)LNG儲(chǔ)罐壓力低于設(shè)定壓力0.1MPa時(shí),調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟,LNG進(jìn)入增壓器,在增壓器中與空氣換熱,氣化為NG,進(jìn)入罐內(nèi),使氣相壓力變大,從而將LNG儲(chǔ)罐壓力維持在0.1MPa。隨著LNG的不斷流出,罐內(nèi)液位不斷下降,氣相空間不斷變大,壓力不斷降低,這樣,通過(guò)增壓器不斷氣化LNG來(lái)補(bǔ)充罐內(nèi)壓力,以維持LNG儲(chǔ)罐的壓力不變。

3.3 環(huán)境溫度的影響

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、儲(chǔ)存時(shí)間及蒸發(fā)率隨環(huán)境溫度的變化情況如圖6所示。

由圖6可知,環(huán)境溫度越高,LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力上升得越快,在一定的LNG儲(chǔ)罐承壓范圍內(nèi),LNG的儲(chǔ)存時(shí)間越短,蒸發(fā)率也就越大。

3.4 保溫性能的影響

不同保溫材質(zhì)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力及蒸發(fā)率的變化規(guī)律如圖7所示。

保溫材料性能越好,LNG儲(chǔ)罐內(nèi)升壓及蒸發(fā)率就越小。合理選擇保溫材料對(duì)LNG的安全儲(chǔ)存具有重要意義。

圖6 LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、儲(chǔ)存時(shí)間及蒸發(fā)率隨環(huán)境溫度的變化情況圖

3.5 含氮量的影響

不同含氮量LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力及蒸發(fā)率的變化規(guī)律如圖8所示。

含氮量越高LNG的蒸發(fā)率越低,對(duì)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力影響不大,向LN G儲(chǔ)罐內(nèi)充注氮?dú)饪梢杂行У亟档凸迌?nèi)液體的蒸發(fā)率。

4 結(jié)論

1)其他條件不變時(shí),隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增大,LNG儲(chǔ)罐的內(nèi)部壓力也隨之增大;隨著LNG儲(chǔ)罐直徑的增大, LNG儲(chǔ)罐的內(nèi)部壓力先減小,而后壓力增加,速率越來(lái)越快,這就必然存在一個(gè)最優(yōu)直徑使得艙內(nèi)壓力最小。

圖7 不同保溫材質(zhì)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力及蒸發(fā)率的變化規(guī)律圖

圖8 不同含氮量LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力及蒸發(fā)率的變化規(guī)律圖

2)LNG密閉儲(chǔ)存時(shí),大型LNG儲(chǔ)罐存在一個(gè)合理的充滿率范圍,一般為70.0%～92.7%,當(dāng)初始充滿率小于這個(gè)范圍時(shí),初始充滿率越小,LNG儲(chǔ)罐的安全儲(chǔ)存時(shí)間也越短,并隨著初始充滿率增大而增大;當(dāng)初始充滿率大于這個(gè)范圍時(shí),LNG儲(chǔ)罐的安全儲(chǔ)存時(shí)間不穩(wěn)定。

3)環(huán)境溫度越高,密閉LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力上升越快,LNG儲(chǔ)罐的安全儲(chǔ)存時(shí)間越短,蒸發(fā)率越大。這和LNG密閉儲(chǔ)存時(shí)冬季儲(chǔ)存時(shí)間較長(zhǎng)夏季儲(chǔ)存時(shí)間較短相一致,為了安全起見(jiàn),在實(shí)際應(yīng)用時(shí)LNG儲(chǔ)罐密閉儲(chǔ)存時(shí)間應(yīng)按照夏天的環(huán)境溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4)密閉LNG儲(chǔ)罐的保溫性能越好,LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力上升越慢,蒸發(fā)率越低,LNG安全密閉儲(chǔ)存時(shí)間越長(zhǎng)。

5)含氮量、外界大氣壓對(duì)LN G儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力影響不大;含氮量越高罐內(nèi)LN G的蒸發(fā)率越低,向LNG儲(chǔ)罐內(nèi)充注氮?dú)饪梢杂行Ы档凸迌?nèi)液體的蒸發(fā)率。

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(修改回稿日期 2010-05-15 編輯 何 明)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.024

Wang Wuchang,born in1979,holds a Ph.D degree.He is mainly engaged in studies of gas hydrate and natural gas transportation.

Add:No.66,West Changjiang Rd.,Economic and Technological Development Zone,Qingdao,Shandong266555,P.R.China

Tel:+86-532-86981224 Mobile:+86-15863015036 E-mail:wangwuchangupc@126.com

Controlling factors of internal pressure and evaporation rate in a huge LNG storage tank

Wang Wuchang1,Li Yuxing1,Sun Fafeng2,Zang Leilei2
(1.China University ofPetroleum,Qingdao,S handong266555,China;2.PetroChina Beijing Oil&gas A dministration Center,Beijing100007,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE7,pp.87-92,7/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

The LNG evaporation is crucially important for the safety of a LNG storage tank.Hereby,a30000m3LNG storage tank was taken as a case study,a simulation model of forecasting the internal pressure and the evaporation rate based on the conservation of mass and energy.The calculation results of this model are reliable in accuracy after experimental verification.By use of this model,the controlling factors of the internal pressure and LNGevaporation rate in the closed LNG storage tank are analyzed.The results show that(1)"the optimal diameter"and"the filling rate limit"both exist in a closed LNG storage tank;(2)the higher the heat conductivity of the tank’s insulating layer,or the higher the environment temperature is,the faster the internal pressure of the tank increases,thus,the shorter the safe storage time of the LNGin the tank;(3)the nitrogen content in the stored LNG and the outsideatmosphere pressure have little effect on the internal pressure of the tank;and(4)the higher content of the nitrogen in the LNG,the lower the LNG evaporation rate in the tank,so filling nitrogen into the LNG tank can effectively decrease the evaporation rate in the tank.This study provides technical support for the design and operation of LNG storage tanks in China.

LNG storage tank,evaporation rate,influencing factors,initial filling rate,simulation,nitrogen content,atmosphere pressure

book=87,ebook=603

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.024

教育部新世紀(jì)人才支持計(jì)劃(NCET-07-0847),重大專項(xiàng)課題:FLNG/FLPG油氣處理和液化關(guān)鍵技術(shù)研究(2008ZX05026-006)。

王武昌,1979年生,博士;主要從事水合物、天然氣輸送方面的研究工作。地址:(266555)山東省青島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)長(zhǎng)江西路66號(hào)中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)工程系。電話:(0532)86981224,15863015036。E-mail:wangwuchangupc@126.com