LNG汽化站儲罐自增壓過程動態(tài)模擬研究

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-)利用上述計算方法對本文第四章的算例進行計算，得出=0.11465kg/s，與上文模擬計算結果0.11047kg/s對比，誤差為3.6%，同時進行了多組驗證，發(fā)現(xiàn)平均小于5%，足以滿足工程要求。增壓計算工況分析在LNG汽化站的儲罐自增壓工藝過程中，增壓器的主要功能是保證儲罐的壓力不低于汽化器中的壓力，以保證儲罐能夠穩(wěn)定的供氣。這需要所選的增壓器能夠滿足以下的兩個個要求：（1）穩(wěn)壓供氣階段，儲罐的頂部氣相空間必須達到設定最低工作壓力以上，并且在儲罐工作壓力范圍內(nèi)輸送LNG可以達到安全而快速。（2）預增壓階段，儲罐壓力能夠在一定的時間內(nèi)提高到設定壓力值，但壓力上升不能過快，保證儲罐安全閥不會段時間超壓起跳。（3）能夠順利完成倒罐流程。儲存過程中為了保證LNG儲罐內(nèi)各種成分的均勻性，需要隔一段時間對LNG儲罐進行倒罐，即從一個儲罐內(nèi)的LNG倒至另一個儲罐中，其壓力主要來自液位差與自增壓器。由于倒罐流程是很長時間進行一次，對其時間要求并不嚴格，對于一些調(diào)峰型汽化站甚至不需要進行倒罐工藝，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)增壓時間，自增壓流量大小及經(jīng)濟性，安全性等幾個方面確定的。下面選取汽化站中最常用的100m3與150m3的LNG儲罐，考慮不同工況進行計算。增壓計算工況采用預增壓工況計算按最低不利工況計算，儲罐充滿率為40%，初始壓力為0.4MPa，環(huán)境溫度為零下20℃，在20分鐘內(nèi)將儲罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計算。按照最優(yōu)工況計算，儲罐充滿率最大90%，初始壓力為0.4MPa，環(huán)境溫度為30℃，在20分鐘內(nèi)將儲罐壓力由0.4MPa增壓至0.6MPa計算?？紤]不同增壓時間，時間分別取10分鐘、20分鐘、30分鐘，儲罐充滿率為85%，初始壓力為0.4MPa，環(huán)境溫度為20℃，將儲罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計算?？紤]不同的充滿率，充滿率分別取70%、80%、90%，初始壓力為0.4MPa，環(huán)境溫度為20℃，在20分鐘內(nèi)將儲罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計算?？紤]不同的環(huán)境溫度，環(huán)境溫度分別取-20℃，0℃，20℃，儲罐充滿率為85%，初始壓力為0.4MPa，環(huán)境溫度為20℃，在20分鐘內(nèi)將儲罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計算。采用穩(wěn)壓工況計算，取供液速率為0.1kg/s。按最低不利工況計算，儲罐充滿率為40%，初始壓力為0.4MPa，環(huán)境溫度為零下20℃，在20分鐘內(nèi)將儲罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計算。按照最優(yōu)工況計算，儲罐充滿率最大90%，初始壓力為0.4MPa，環(huán)境溫度為30℃，在20分鐘內(nèi)將儲罐壓力由0.4MPa增壓至0.6MPa計算。考慮不同增壓時間，時間分別取10分鐘、20分鐘、30分鐘，儲罐充滿率為85%，初始壓力為0.4MPa，環(huán)境溫度為20℃，將儲罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計算?？紤]不同的充滿率，充滿率分別取70%、80%、90%，初始壓力為0.4MPa，環(huán)境溫度為20℃，在20分鐘內(nèi)將儲罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計算。考慮不同的環(huán)境溫度，環(huán)境溫度分別取-20℃，0℃，20℃，儲罐充滿率為85%，初始壓力為0.4MPa，環(huán)境溫度為20℃，在20分鐘內(nèi)將儲罐壓力從0.4MPa增壓至0.6MPa計算。利用以上算法對以上各個工況分別進行計算，為方便選型，天然氣密度取0.71kg/m3，將質(zhì)量流量轉(zhuǎn)化為標準狀態(tài)下（20℃，0.101325MPa）的體積流量。100m3儲罐增壓工況計算結果工況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時間分別取10分鐘、20分鐘、30分鐘時，對應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，對應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，對應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時間分別取10分鐘、20分鐘、30分鐘時，對應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%，對應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，對應的增壓氣體體積流量分別為297.60Nm3/h、269.90Nm3/h、220.22Nm3/h。150m3儲罐增壓工況計算結果工況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時間分別取10分鐘、20分鐘、30分鐘時，對應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%，對應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，對應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時間分別取10分鐘、20分鐘、30分鐘時，對應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%，對應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，對應的增壓氣體體積流量分別為446.40Nm3/h、404.84Nm3/h、330.33Nm3/h。增壓計算結果分析通過上述工況計算，可以發(fā)現(xiàn)無論對于100m3儲罐還是150m3儲罐，增壓器的選擇范圍較大，對于100m3儲罐，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。對于150m3儲罐，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各型號增壓器的價格表增壓器汽化量（Nm3/h）100200300400500價格（元）33506700100501340016750目前，市場上各個型號的增壓器價格如圖5-1所示，綜合工藝要求、經(jīng)濟及安全各方面考慮，得出合理的選型方案：對于100m3儲罐，選擇汽化量為200Nm3/h或者300Nm3/h的增壓器最為合理。對于150m3儲罐，選擇汽化量為400Nm3/h或者500Nm3/h的增壓器最為合理。同時對于不同的增壓時間，充滿率和環(huán)境溫度下，增壓器的汽化量也不一樣，因此，在考慮時應根據(jù)需要和地區(qū)合理的進行選擇計算方法，給出以下選型建議：對于北方地區(qū)，由于冬天時間長，室外溫度長期保持在零下，因考慮溫度的影響，通過計算選擇汽化量大一些的增壓器。對于充滿率經(jīng)常保持較低的儲罐，通過計算需要選擇大一些的增壓器，對于充滿率較大的則反之。對于儲罐設計初始壓力較高的儲罐，通過計算可以選擇小一些的增壓器，初始壓力小的則反之。對于儲罐供液量的場站，有些場站出口設置有泵，可以從穩(wěn)壓供氣考慮，選擇汽化量大一些的增壓器，而對于調(diào)峰型場站，供氣時間集中較短，在平時能夠保證儲罐高壓，可以從穩(wěn)壓不供氣考慮，選擇增壓器。對于儲罐供氣連續(xù)性大，增壓時間要求較短的場站，根據(jù)計算，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行過程中出現(xiàn)的主要問題是增壓時間過長或者是增壓速度過快導致安全閥起跳。結合計算結果，對于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，對于北方地區(qū)，必須考慮環(huán)境溫度與結霜現(xiàn)象的影響，選用汽化量更大的增壓器。對于已經(jīng)選型建成的汽化站，可以采用強制通風和水冷措施，均可以大幅度提高汽化能力。（2）對于儲罐的增壓器管道，可以采用控制閥連接，改變工藝管道布置，如圖5-1所示，對于需要迅速增壓時，可以采用多臺增壓器同時增壓，在需要除霜時，也可以作為備用進行切換使用；對于一些已建成的汽化站，如果選型過小，可以添加一臺增壓器，通過閥門的開啟和關閉實現(xiàn)不同儲罐的自增壓。儲罐增壓器1儲罐增壓器1儲罐1儲罐增壓器2儲罐2圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s11儲罐增壓器流程技術更改圖（3）可以在保證安全性的基礎上，采用較高的儲存壓力，這樣不但可以減少壓力差，還可以提高LNG的儲存溫度，減小與環(huán)境的漏熱量與換熱量，提高增壓氣體溫度，從而縮短增壓時間。（4）改善增壓器的設計形式，由計算發(fā)現(xiàn)，增壓器采用臥式布置，可以增加與儲罐之間的液位差，從而增大增壓流量；增壓器的管道間距不宜布置過窄，會造成周圍空氣溫度過低，增加結霜量；增壓器在保證換熱量的同時，盡量減小管道流動阻力，對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）對增壓的監(jiān)控系統(tǒng)進行改進。在站外天然氣的主要管線上增設壓力監(jiān)控設施，以監(jiān)控站外主要管線的供氣壓力是否正常，對站內(nèi)的相關設施進行調(diào)整，以滿足增壓后快速供氣的需求。（6）對儲罐實現(xiàn)多功能的減壓和超壓控制。在儲罐氣相管道上安裝減壓調(diào)節(jié)閥，當儲罐由于漏熱或者增壓閥失控等原因造成儲罐壓力超過設定值時，減壓調(diào)節(jié)閥開啟，將儲罐內(nèi)的氣體放出，當壓力下降到設定值以下時，減壓調(diào)節(jié)閥關閉。對于釋放的氣體一般不直接排入大氣，可以設置BOG儲罐回收利用。同時在儲罐上安裝警報和安全放散閥，當減壓閥失靈時，壓力達到警報壓力，手動開啟泄壓，當前兩者均為開啟時，壓力超高安全閥設定值，則安全放散閥起跳，保證LNG儲罐的運行安全。本章小結本章首先對國內(nèi)LNG汽化站設計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算方法，并選擇了不同的工況進行計算分析，得出了100m3儲罐和150m3在增壓器的合理方案，并針對選型方面給出了幾個可行性建議，同時對自增壓的過程提出建議與改進措施。本文首先對天然氣混合物的熱力學性質(zhì)和遷移性質(zhì)的計算模型進行選擇，編制了各個物性參數(shù)的求解程序，建立了自增壓過程中低溫儲罐的熱力學模型，對自增壓管路的傳熱和流阻進行了計算，然后針對具體算例進行了模型的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)過程求解，最后對儲罐增壓器的選型進行了計算分析。主要得出以下結論：（1）對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點法進行二維搜索進行求解，該方法可以保證精度的條件下收斂。從而實現(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）對自增壓過程中儲罐的傳熱傳質(zhì)建立了模型，針對天然氣混合物，對原來的三區(qū)模型進行了改進，將儲罐分為氣相空間，液相空間和氣液界面三個區(qū)，令泡點溫度作為儲罐的分界面的溫度，解決了氣液界面中傳熱傳質(zhì)的計算問題。（3）通過對增壓管路的傳熱和流阻計算分析，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??；而對于溫度，沿程不斷升高，在液相段溫度幾乎不變，兩相段上升最高。（4）通過對自增壓過程的動態(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)的動態(tài)變化曲線：在自增壓過程中，儲罐氣相壓力和溫度勻速上升；儲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；儲罐氣體的密度和質(zhì)量隨時間不斷增大。（5）對天然氣的組成、充滿率、初始壓力、環(huán)境溫度、增壓器換熱這幾個影響自增壓過程的主要因素進行模擬分析，得出儲罐壓力隨其變化的規(guī)律：對于天然氣的組成，當增加天然氣中的其他烷烴組分時，增壓時間減小，而增加氮氣成分時，增壓時間增大；對于充滿率、初始壓力和增壓器的換熱，隨著它們的增大儲罐自增壓時間是大大減小的；對于環(huán)境溫度，隨著溫度的增大儲罐自增壓時間也是減小的，但是變化幅度要小一些。（6）通過對國內(nèi)LNG汽化站設計資料和文獻的分析，對儲罐增壓器選型提出了具體算法，并利用模擬結果進行驗證，能夠滿足工程誤差要求。通過對自增壓選型的不同工況進行計算，給出了儲罐增壓器的選型方面合理方案：對于100m3儲罐，選擇汽化量為200Nm3/h或者300Nm3/h的增壓器最為合理；對于150m3儲罐，選擇汽化量為400Nm3/h或者500Nm3/h的增壓器最為合理。雖然本文對于自增壓過程的動態(tài)模擬研究取得了一定成果，由于實際的自增壓過程本身十分復雜，對儲罐自增壓過程的模型求解做了適度簡化，仍存在許多的不足，針對自增壓領域的研究，認為還可以在以下內(nèi)容展開：對于儲罐的熱力學模型，本文基于三區(qū)模型進行建模求解，該模型是將儲罐內(nèi)部分為氣相空間，液相空間以及氣液界面三個區(qū)間。雖然該模型廣泛應用于儲罐無損貯存中，但是與實際自增壓過程仍然存在一定的誤差，對于今后的研究可以能將儲罐內(nèi)部氣、液區(qū)間與邊界層的溫度分層進一步細化研究，得出儲罐內(nèi)部的溫度、壓力分布圖，則模擬更為準確。學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：此處所提交的學位論文《LNG汽化站儲罐自增壓過程動態(tài)模擬研究》，是本人在導師指導下，在哈爾濱工業(yè)大學攻讀學位期間獨立進行研究工作所取得的成果，且學位論文中除已標注引用文獻的部分外不包含他人完成或已發(fā)表的研究成果。對本學位論文的研究工作做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式注明。作者簽名：日期：2014年6月28日學位論文使用權限學位論文是研究生在哈爾濱工業(yè)大學攻讀學位期間完成的成果，知識產(chǎn)權歸屬哈爾濱工業(yè)大學。學位論文的使用權限如下：（1）學?？梢圆捎糜坝?、縮印或其他復制手段保存研究生上交的學位論文，并向國家圖書館報送學位論文；（2）學?？梢詫W位論文部分或全部內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索和提供相應閱覽服務；（3）研究生畢業(yè)后發(fā)表與此學位論文研究成果相關的學術論文和其他成果時，應征得導師同意，且第一署名單位為哈爾濱工業(yè)大學。保密論文在保密期內(nèi)遵守有關保密規(guī)定，解密后適用于此使用權限規(guī)定。本人知悉學位論文的使用權限，并將遵守有關規(guī)定。作者簽名：日期：2014年6月28日導師簽名：日期：2014年6月28日時光如水，歲月如梭，轉(zhuǎn)眼就到了畢業(yè)的季節(jié)。六年，北國冰城松花