LNG汽化站儲(chǔ)罐自增壓過程動(dòng)態(tài)模擬研究

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-)利用上述計(jì)算方法對(duì)本文第四章的算例進(jìn)行計(jì)算，得出=0.11465kg/s，與上文模擬計(jì)算結(jié)果0.11047kg/s對(duì)比，誤差為3.6%，同時(shí)進(jìn)行了多組驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)平均小于5%，足以滿足工程要求。增壓計(jì)算工況分析在LNG汽化站的儲(chǔ)罐自增壓工藝過程中，增壓器的主要功能是保證儲(chǔ)罐的壓力不低于汽化器中的壓力，以保證儲(chǔ)罐能夠穩(wěn)定的供氣。這需要所選的增壓器能夠滿足以下的兩個(gè)個(gè)要求：（1）穩(wěn)壓供氣階段，儲(chǔ)罐的頂部氣相空間必須達(dá)到設(shè)定最低工作壓力以上，并且在儲(chǔ)罐工作壓力范圍內(nèi)輸送LNG可以達(dá)到安全而快速。（2）預(yù)增壓階段，儲(chǔ)罐壓力能夠在一定的時(shí)間內(nèi)提高到設(shè)定壓力值，但壓力上升不能過快，保證儲(chǔ)罐安全閥不會(huì)段時(shí)間超壓起跳。（3）能夠順利完成倒罐流程。儲(chǔ)存過程中為了保證LNG儲(chǔ)罐內(nèi)各種成分的均勻性，需要隔一段時(shí)間對(duì)LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行倒罐，即從一個(gè)儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG倒至另一個(gè)儲(chǔ)罐中，其壓力主要來自液位差與自增壓器。由于倒罐流程是很長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行一次，對(duì)其時(shí)間要求并不嚴(yán)格，對(duì)于一些調(diào)峰型汽化站甚至不需要進(jìn)行倒罐工藝，因此在選型一般不考慮倒罐過程。增壓器的選型一般是根據(jù)增壓時(shí)間，自增壓流量大小及經(jīng)濟(jì)性，安全性等幾個(gè)方面確定的。下面選取汽化站中最常用的100m3與150m3的LNG儲(chǔ)罐，考慮不同工況進(jìn)行計(jì)算。增壓計(jì)算工況采用預(yù)增壓工況計(jì)算按最低不利工況計(jì)算，儲(chǔ)罐充滿率為40%，初始?jí)毫?.4MPa，環(huán)境溫度為零下20℃，在20分鐘內(nèi)將儲(chǔ)罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計(jì)算。按照最優(yōu)工況計(jì)算，儲(chǔ)罐充滿率最大90%，初始?jí)毫?.4MPa，環(huán)境溫度為30℃，在20分鐘內(nèi)將儲(chǔ)罐壓力由0.4MPa增壓至0.6MPa計(jì)算?？紤]不同增壓時(shí)間，時(shí)間分別取10分鐘、20分鐘、30分鐘，儲(chǔ)罐充滿率為85%，初始?jí)毫?.4MPa，環(huán)境溫度為20℃，將儲(chǔ)罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計(jì)算?？紤]不同的充滿率，充滿率分別取70%、80%、90%，初始?jí)毫?.4MPa，環(huán)境溫度為20℃，在20分鐘內(nèi)將儲(chǔ)罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計(jì)算?？紤]不同的環(huán)境溫度，環(huán)境溫度分別取-20℃，0℃，20℃，儲(chǔ)罐充滿率為85%，初始?jí)毫?.4MPa，環(huán)境溫度為20℃，在20分鐘內(nèi)將儲(chǔ)罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計(jì)算。采用穩(wěn)壓工況計(jì)算，取供液速率為0.1kg/s。按最低不利工況計(jì)算，儲(chǔ)罐充滿率為40%，初始?jí)毫?.4MPa，環(huán)境溫度為零下20℃，在20分鐘內(nèi)將儲(chǔ)罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計(jì)算。按照最優(yōu)工況計(jì)算，儲(chǔ)罐充滿率最大90%，初始?jí)毫?.4MPa，環(huán)境溫度為30℃，在20分鐘內(nèi)將儲(chǔ)罐壓力由0.4MPa增壓至0.6MPa計(jì)算?？紤]不同增壓時(shí)間，時(shí)間分別取10分鐘、20分鐘、30分鐘，儲(chǔ)罐充滿率為85%，初始?jí)毫?.4MPa，環(huán)境溫度為20℃，將儲(chǔ)罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計(jì)算?？紤]不同的充滿率，充滿率分別取70%、80%、90%，初始?jí)毫?.4MPa，環(huán)境溫度為20℃，在20分鐘內(nèi)將儲(chǔ)罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計(jì)算。考慮不同的環(huán)境溫度，環(huán)境溫度分別取-20℃，0℃，20℃，儲(chǔ)罐充滿率為85%，初始?jí)毫?.4MPa，環(huán)境溫度為20℃，在20分鐘內(nèi)將儲(chǔ)罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計(jì)算。利用以上算法對(duì)以上各個(gè)工況分別進(jìn)行計(jì)算，為方便選型，天然氣密度取0.71kg/m3，將質(zhì)量流量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（20℃，0.101325MPa）的體積流量。100m3儲(chǔ)罐增壓工況計(jì)算結(jié)果工況1最不利工況下的增壓氣體體積流量為1217.71Nm3/h；工況2最優(yōu)工況下的增壓氣體體積流量為17.51Nm3/h；工況3時(shí)間分別取10分鐘、20分鐘、30分鐘時(shí)，對(duì)應(yīng)的增壓氣體體積流量分別為282.66Nm3/h、141.33Nm3/h、94.21Nm3/h；工況4充滿率分別取70%、80%、90%時(shí)，對(duì)應(yīng)的增壓氣體體積流量分別為243.21Nm3/h、188.44Nm3/h、94.22Nm3/h；工況5環(huán)境溫度分別取-20℃，0℃，20℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的增壓氣體體積流量分別為209.61Nm3/h、185.15Nm3/h、141.33Nm3/h；工況6最不利工況下的增壓氣體體積流量為1288.33Nm3/h；工況7最優(yōu)工況下的增壓氣體體積流量為81.07Nm3/h；工況8時(shí)間分別取10分鐘、20分鐘、30分鐘時(shí)，對(duì)應(yīng)的增壓氣體體積流量分別為361.55Nm3/h、220.22Nm3/h、173.11Nm3/h；工況9充滿率分別取70%、80%、90%，對(duì)應(yīng)的增壓氣體體積流量分別為319.47Nm3/h、267.33Nm3/h、173.14Nm3/h；工況10環(huán)境溫度分別取-20℃，0℃，20℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的增壓氣體體積流量分別為297.60Nm3/h、269.90Nm3/h、220.22Nm3/h。150m3儲(chǔ)罐增壓工況計(jì)算結(jié)果工況1最不利工況下的增壓氣體體積流量為1826.56Nm3/h；工況2最優(yōu)工況下的增壓氣體體積流量為26.27Nm3/h；工況3時(shí)間分別取10分鐘、20分鐘、30分鐘時(shí)，對(duì)應(yīng)的增壓氣體體積流量分別為423.98Nm3/h、211.99Nm3/h、141.32Nm3/h；工況4充滿率分別取70%、80%、90%，對(duì)應(yīng)的增壓氣體體積流量分別為364.81Nm3/h、282.65Nm3/h、141.32Nm3/h；工況5環(huán)境溫度分別取-20℃，0℃，20℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的增壓氣體體積流量分別為314.40Nm3/h、277.73Nm3/h、211.99Nm3/h；工況6最不利工況下的增壓氣體體積流量為1932.48Nm3/h；工況7最優(yōu)工況下的增壓氣體體積流量為121.60Nm3/h；工況8時(shí)間分別取10分鐘、20分鐘、30分鐘時(shí)，對(duì)應(yīng)的增壓氣體體積流量分別為542.32Nm3/h、330.33Nm3/h、259.67Nm3/h；工況9充滿率分別取70%、80%、90%，對(duì)應(yīng)的增壓氣體體積流量分別為479.21Nm3/h、400.99Nm3/h、259.67Nm3/h；工況10環(huán)境溫度分別取-20℃，0℃，20℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的增壓氣體體積流量分別為446.40Nm3/h、404.84Nm3/h、330.33Nm3/h。增壓計(jì)算結(jié)果分析通過上述工況計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)無論對(duì)于100m3儲(chǔ)罐還是150m3儲(chǔ)罐，增壓器的選擇范圍較大，對(duì)于100m3儲(chǔ)罐，從17.51Nm3/h到1288.71Nm3/h可選，排出最不利工況與最優(yōu)工況，選擇范圍在94.21Nm3/h到361.55Nm3/h之間。對(duì)于150m3儲(chǔ)罐，從26.27Nm3/h到1932.48Nm3/h可選；排出最不利工況與最優(yōu)工況，選擇范圍在141.32Nm3/h到542.32Nm3/h之間。表STYLEREF1\s5SEQ表\*ARABIC\s11各型號(hào)增壓器的價(jià)格表增壓器汽化量（Nm3/h）100200300400500價(jià)格（元）33506700100501340016750目前，市場(chǎng)上各個(gè)型號(hào)的增壓器價(jià)格如圖5-1所示，綜合工藝要求、經(jīng)濟(jì)及安全各方面考慮，得出合理的選型方案：對(duì)于100m3儲(chǔ)罐，選擇汽化量為200Nm3/h或者300Nm3/h的增壓器最為合理。對(duì)于150m3儲(chǔ)罐，選擇汽化量為400Nm3/h或者500Nm3/h的增壓器最為合理。同時(shí)對(duì)于不同的增壓時(shí)間，充滿率和環(huán)境溫度下，增壓器的汽化量也不一樣，因此，在考慮時(shí)應(yīng)根據(jù)需要和地區(qū)合理的進(jìn)行選擇計(jì)算方法，給出以下選型建議：對(duì)于北方地區(qū)，由于冬天時(shí)間長(zhǎng)，室外溫度長(zhǎng)期保持在零下，因考慮溫度的影響，通過計(jì)算選擇汽化量大一些的增壓器。對(duì)于充滿率經(jīng)常保持較低的儲(chǔ)罐，通過計(jì)算需要選擇大一些的增壓器，對(duì)于充滿率較大的則反之。對(duì)于儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)初始?jí)毫^高的儲(chǔ)罐，通過計(jì)算可以選擇小一些的增壓器，初始?jí)毫π〉膭t反之。對(duì)于儲(chǔ)罐供液量的場(chǎng)站，有些場(chǎng)站出口設(shè)置有泵，可以從穩(wěn)壓供氣考慮，選擇汽化量大一些的增壓器，而對(duì)于調(diào)峰型場(chǎng)站，供氣時(shí)間集中較短，在平時(shí)能夠保證儲(chǔ)罐高壓，可以從穩(wěn)壓不供氣考慮，選擇增壓器。對(duì)于儲(chǔ)罐供氣連續(xù)性大，增壓時(shí)間要求較短的場(chǎng)站，根據(jù)計(jì)算，需要選用汽化量大一些的增壓器。自增壓過程的建議LNG汽化站的自增壓過程運(yùn)行過程中出現(xiàn)的主要問題是增壓時(shí)間過長(zhǎng)或者是增壓速度過快導(dǎo)致安全閥起跳。結(jié)合計(jì)算結(jié)果，對(duì)于LNG汽化站的自增壓過程，提出以下建議：（1）合理的選擇增壓器，對(duì)于北方地區(qū)，必須考慮環(huán)境溫度與結(jié)霜現(xiàn)象的影響，選用汽化量更大的增壓器。對(duì)于已經(jīng)選型建成的汽化站，可以采用強(qiáng)制通風(fēng)和水冷措施，均可以大幅度提高汽化能力。（2）對(duì)于儲(chǔ)罐的增壓器管道，可以采用控制閥連接，改變工藝管道布置，如圖5-1所示，對(duì)于需要迅速增壓時(shí)，可以采用多臺(tái)增壓器同時(shí)增壓，在需要除霜時(shí)，也可以作為備用進(jìn)行切換使用；對(duì)于一些已建成的汽化站，如果選型過小，可以添加一臺(tái)增壓器，通過閥門的開啟和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)不同儲(chǔ)罐的自增壓。儲(chǔ)罐增壓器1儲(chǔ)罐增壓器1儲(chǔ)罐1儲(chǔ)罐增壓器2儲(chǔ)罐2圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s11儲(chǔ)罐增壓器流程技術(shù)更改圖（3）可以在保證安全性的基礎(chǔ)上，采用較高的儲(chǔ)存壓力，這樣不但可以減少壓力差，還可以提高LNG的儲(chǔ)存溫度，減小與環(huán)境的漏熱量與換熱量，提高增壓氣體溫度，從而縮短增壓時(shí)間。（4）改善增壓器的設(shè)計(jì)形式，由計(jì)算發(fā)現(xiàn)，增壓器采用臥式布置，可以增加與儲(chǔ)罐之間的液位差，從而增大增壓流量；增壓器的管道間距不宜布置過窄，會(huì)造成周圍空氣溫度過低，增加結(jié)霜量；增壓器在保證換熱量的同時(shí)，盡量減小管道流動(dòng)阻力，對(duì)于分流管與匯管做成彎管連接形式，減小管道的局部阻力，可以增大增壓器的流量，從而提高增壓速度。（5）對(duì)增壓的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。在站外天然氣的主要管線上增設(shè)壓力監(jiān)控設(shè)施，以監(jiān)控站外主要管線的供氣壓力是否正常，對(duì)站內(nèi)的相關(guān)設(shè)施進(jìn)行調(diào)整，以滿足增壓后快速供氣的需求。（6）對(duì)儲(chǔ)罐實(shí)現(xiàn)多功能的減壓和超壓控制。在儲(chǔ)罐氣相管道上安裝減壓調(diào)節(jié)閥，當(dāng)儲(chǔ)罐由于漏熱或者增壓閥失控等原因造成儲(chǔ)罐壓力超過設(shè)定值時(shí)，減壓調(diào)節(jié)閥開啟，將儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體放出，當(dāng)壓力下降到設(shè)定值以下時(shí)，減壓調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。對(duì)于釋放的氣體一般不直接排入大氣，可以設(shè)置BOG儲(chǔ)罐回收利用。同時(shí)在儲(chǔ)罐上安裝警報(bào)和安全放散閥，當(dāng)減壓閥失靈時(shí)，壓力達(dá)到警報(bào)壓力，手動(dòng)開啟泄壓，當(dāng)前兩者均為開啟時(shí)，壓力超高安全閥設(shè)定值，則安全放散閥起跳，保證LNG儲(chǔ)罐的運(yùn)行安全。本章小結(jié)本章首先對(duì)國(guó)內(nèi)LNG汽化站設(shè)計(jì)的自增壓器選型做了概述，在保證工程誤差的范圍內(nèi)，提出了自增壓選型的計(jì)算方法，并選擇了不同的工況進(jìn)行計(jì)算分析，得出了100m3儲(chǔ)罐和150m3在增壓器的合理方案，并針對(duì)選型方面給出了幾個(gè)可行性建議，同時(shí)對(duì)自增壓的過程提出建議與改進(jìn)措施。本文首先對(duì)天然氣混合物的熱力學(xué)性質(zhì)和遷移性質(zhì)的計(jì)算模型進(jìn)行選擇，編制了各個(gè)物性參數(shù)的求解程序，建立了自增壓過程中低溫儲(chǔ)罐的熱力學(xué)模型，對(duì)自增壓管路的傳熱和流阻進(jìn)行了計(jì)算，然后針對(duì)具體算例進(jìn)行了模型的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過程求解，最后對(duì)儲(chǔ)罐增壓器的選型進(jìn)行了計(jì)算分析。主要得出以下結(jié)論：（1）對(duì)于自增壓過程遇到的物性參數(shù)反向求解問題，可以采用25點(diǎn)法進(jìn)行二維搜索進(jìn)行求解，該方法可以保證精度的條件下收斂。從而實(shí)現(xiàn)了在自增壓過程的數(shù)值模擬研究中采用天然氣混合物組分的編程求解。（2）對(duì)自增壓過程中儲(chǔ)罐的傳熱傳質(zhì)建立了模型，針對(duì)天然氣混合物，對(duì)原來的三區(qū)模型進(jìn)行了改進(jìn)，將儲(chǔ)罐分為氣相空間，液相空間和氣液界面三個(gè)區(qū)，令泡點(diǎn)溫度作為儲(chǔ)罐的分界面的溫度，解決了氣液界面中傳熱傳質(zhì)的計(jì)算問題。（3）通過對(duì)增壓管路的傳熱和流阻計(jì)算分析，得出了自增壓過程中沿增壓管路流線方向的壓力、溫度參數(shù)等的變化情況：對(duì)于壓力，沿程不斷降低，但主要壓力降發(fā)生在增壓器管段，氣液相管段壓力降很小；而對(duì)于溫度，沿程不斷升高，在液相段溫度幾乎不變，兩相段上升最高。（4）通過對(duì)自增壓過程的動(dòng)態(tài)模擬，得出了自增壓過程中壓力、溫度、流量、氣體密度等參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化曲線：在自增壓過程中，儲(chǔ)罐氣相壓力和溫度勻速上升；儲(chǔ)罐的液位基本保持不變，增壓氣體流量則略有下降，但下降幅度不大；儲(chǔ)罐氣體的密度和質(zhì)量隨時(shí)間不斷增大。（5）對(duì)天然氣的組成、充滿率、初始?jí)毫?、環(huán)境溫度、增壓器換熱這幾個(gè)影響自增壓過程的主要因素進(jìn)行模擬分析，得出儲(chǔ)罐壓力隨其變化的規(guī)律：對(duì)于天然氣的組成，當(dāng)增加天然氣中的其他烷烴組分時(shí)，增壓時(shí)間減小，而增加氮?dú)獬煞謺r(shí)，增壓時(shí)間增大；對(duì)于充滿率、初始?jí)毫驮鰤浩鞯膿Q熱，隨著它們的增大儲(chǔ)罐自增壓時(shí)間是大大減小的；對(duì)于環(huán)境溫度，隨著溫度的增大儲(chǔ)罐自增壓時(shí)間也是減小的，但是變化幅度要小一些。（6）通過對(duì)國(guó)內(nèi)LNG汽化站設(shè)計(jì)資料和文獻(xiàn)的分析，對(duì)儲(chǔ)罐增壓器選型提出了具體算法，并利用模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，能夠滿足工程誤差要求。通過對(duì)自增壓選型的不同工況進(jìn)行計(jì)算，給出了儲(chǔ)罐增壓器的選型方面合理方案：對(duì)于100m3儲(chǔ)罐，選擇汽化量為200Nm3/h或者300Nm3/h的增壓器最為合理；對(duì)于150m3儲(chǔ)罐，選擇汽化量為400Nm3/h或者500Nm3/h的增壓器最為合理。雖然本文對(duì)于自增壓過程的動(dòng)態(tài)模擬研究取得了一定成果，由于實(shí)際的自增壓過程本身十分復(fù)雜，對(duì)儲(chǔ)罐自增壓過程的模型求解做了適度簡(jiǎn)化，仍存在許多的不足，針對(duì)自增壓領(lǐng)域的研究，認(rèn)為還可以在以下內(nèi)容展開：對(duì)于儲(chǔ)罐的熱力學(xué)模型，本文基于三區(qū)模型進(jìn)行建模求解，該模型是將儲(chǔ)罐內(nèi)部分為氣相空間，液相空間以及氣液界面三個(gè)區(qū)間。雖然該模型廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)罐無損貯存中，但是與實(shí)際自增壓過程仍然存在一定的誤差，對(duì)于今后的研究可以能將儲(chǔ)罐內(nèi)部氣、液區(qū)間與邊界層的溫度分層進(jìn)一步細(xì)化研究，得出儲(chǔ)罐內(nèi)部的溫度、壓力分布圖，則模擬更為準(zhǔn)確。學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：此處所提交的學(xué)位論文《LNG汽化站儲(chǔ)罐自增壓過程動(dòng)態(tài)模擬研究》，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，在哈爾濱工業(yè)大學(xué)攻讀學(xué)位期間獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，且學(xué)位論文中除已標(biāo)注引用文獻(xiàn)的部分外不包含他人完成或已發(fā)表的研究成果。對(duì)本學(xué)位論文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明。作者簽名：日期：2014年6月28日學(xué)位論文使用權(quán)限學(xué)位論文是研究生在哈爾濱工業(yè)大學(xué)攻讀學(xué)位期間完成的成果，知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬哈爾濱工業(yè)大學(xué)。學(xué)位論文的使用權(quán)限如下：（1）學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印或其他復(fù)制手段保存研究生上交的學(xué)位論文，并向國(guó)家圖書館報(bào)送學(xué)位論文；（2）學(xué)?？梢詫W(xué)位論文部分或全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索和提供相應(yīng)閱覽服務(wù)；（3）研究生畢業(yè)后發(fā)表與此學(xué)位論文研究成果相關(guān)的學(xué)術(shù)論文和其他成果時(shí)，應(yīng)征得導(dǎo)師同意，且第一署名單位為哈爾濱工業(yè)大學(xué)。保密論文在保密期內(nèi)遵守有關(guān)保密規(guī)定，解密后適用于此使用權(quán)限規(guī)定。本人知悉學(xué)位論文的使用權(quán)限，并將遵守有關(guān)規(guī)定。作者簽名：日期：2014年6月28日導(dǎo)師簽名：日期：2014年6月28日時(shí)光如水，歲月如梭，轉(zhuǎn)眼就到了畢業(yè)的季節(jié)。六年，北國(guó)冰城松花