大型LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力及蒸發(fā)率的影響因素分析

摘 要

摘要：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)
摘要：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。
關(guān)鍵詞：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LNG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)LNG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LNG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.Kirichenk0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(chē)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
    LNG儲(chǔ)罐的蒸發(fā)率是指LNG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)猓淠柗謹(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(lèi)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)NG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；ρ1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；△T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)；ф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C02介質(zhì)代替LNG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LNG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，C02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。
 

    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LNG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。
 

    根據(jù)LNG儲(chǔ)罐直徑對(duì)LNG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。
 

    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??；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，LNG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LNG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。
 

3.5 含氦量的影響
    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LNG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。
    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)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力影響不大；含氮量越高罐內(nèi)LNG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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(本文作者：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)