摘 要

摘　要：LNG儲(chǔ)罐冷卻是LNG接收站投產(chǎn)過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)最高、難度最大的環(huán)節(jié)，為了合理地控制冷卻速度、儲(chǔ)罐壓力，以及選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度以降低BOG的排放量，對(duì)地上全容式混凝土頂LNG儲(chǔ)罐

摘　要：LNG儲(chǔ)罐冷卻是LNG接收站投產(chǎn)過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)最高、難度最大的環(huán)節(jié)，為了合理地控制冷卻速度、儲(chǔ)罐壓力，以及選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度以降低BOG的排放量，對(duì)地上全容式混凝土頂LNG儲(chǔ)罐的冷卻過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬?；谫|(zhì)量、能量守恒原理建立了LNG儲(chǔ)罐冷卻計(jì)算模型，根據(jù)甲烷特性參數(shù)及大連LNG接收站實(shí)際冷卻情況確定了冷卻計(jì)算模型中的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而分析了LNG儲(chǔ)罐冷卻過(guò)程中冷卻速度、環(huán)境溫度、儲(chǔ)罐壓力與LNG需求量、BOG排放量之間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：①隨著冷卻速度的增大，LNG需求量、BOG排放量逐漸減小，相同儲(chǔ)罐溫度下，LNG流量逐漸增加，排放BOG流量逐漸減?。?span lang="EN-US">②隨著環(huán)境溫度的增大，LNG需求量和流量逐漸增加，BOG排放量和流量也逐漸加；③儲(chǔ)罐壓力對(duì)LNG需求量和BOG排放量影響較小。據(jù)此，提出建議：①在LNG接收站對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行冷卻時(shí)應(yīng)盡量選擇在環(huán)境溫度較低的冬季，以降低BOG的排放量；②在確保罐內(nèi)溫差正常的情況下，可盡量提高儲(chǔ)罐冷卻速度至-5K／h，以便減少BOG的排放量，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

關(guān)鍵詞：LNG儲(chǔ)罐  冷卻  冷卻速度  環(huán)境溫度  儲(chǔ)罐壓力LNG需求量  BOG排放量  計(jì)算模型  動(dòng)態(tài)模擬

A dynamic simulation sudy of the cooling of a tround LNG storage tank with a full containment concrete roof (FCCR)

Abstract：The LNG storage tank cooling involves the highest risk and is the most significant link in the process of an LNG tcrminal′s being put into production．In order to reasonably control the cooling rate and tank pressure and select proper ambicnt temperature to reduce the boil off gas(BOG)emission，a dynamic simulation study was conducted of the whole cooling process of an LNG storage tank with a full containment concrete roof(FCCR)．First，hased on the mass and energy conservation principles，a caleulation model was established and the corresponding indicators were determined according to the characteristic paramcter of mcthane and the actual cooling process at a Dalian LNG terminal．On this basis，it was discussed that how the cooling rate，ambient temperature，and tank pressure have impact on the flowing rate of LNG entering into the tank and that of BOG exiting out of the tank．The foilowing findings were concluded．a．With the increase of cooling rate，the entered LNG and the exited BOG are gradually decreasing；atthe same tank temperature，the entered LNG flowing rate is increasing，while the BOG exiting rate is decreasmg．b．With the rising of ambient temperature，the total quantity and flowing rate of LNG into the tank are gradually increasing，so are tllose of BOG escaping from the tank．c．The storage tank pressure has little effect on the total quantity of both entry LNG and exit-BOG．In the end,to achieve a better result of energy saving and BOG emission reduction，we present a few proposals for the cooling of an LNG storage tank：the best time should be chosen at the winter times with low ambient temperatures；and the cooling rate should be improved to -5K／h with a normal temperature range guaranteed in the tank．

Key words：LNG storage tank，cooling，cooling rate，environment temperature，tank pressnre，LNG demand quantity，BOG emission，calculation model，dynamic simulation

大型常壓LNG儲(chǔ)罐是LNG接收站最重要的設(shè)備單元。國(guó)內(nèi)已建成的LNG接收站都采用了地上全容式混凝土頂儲(chǔ)罐(簡(jiǎn)稱FCCR)，其有效容積一般為16×10⁴m³，內(nèi)罐材質(zhì)采用9％鎳鋼，外罐由預(yù)應(yīng)力混凝土材料建成，內(nèi)罐和外罐均具有獨(dú)立儲(chǔ)存LNG的功能^[1]。LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力為-0.5～29.0kPa，其環(huán)隙空間以及吊頂板都設(shè)有保冷層，以確保在設(shè)計(jì)環(huán)境下儲(chǔ)罐的日最大蒸發(fā)量不超過(guò)儲(chǔ)罐容量的0.05％^[2]。LNG接收站運(yùn)營(yíng)的前提是LNG儲(chǔ)罐的正常投用，而LNG儲(chǔ)罐冷卻又是整個(gè)儲(chǔ)罐投用過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)最高、難度最大的環(huán)節(jié)^[3]。因此，將以地上全容式混凝土頂LNG儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，對(duì)其冷卻過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬研究。

1　冷卻過(guò)程

1．1　冷卻準(zhǔn)備

冷卻之前需要對(duì)LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行水壓試驗(yàn)、除水、氣密試驗(yàn)、干燥和氮?dú)庵脫Q，完成以上步驟之后，儲(chǔ)罐進(jìn)入備冷狀態(tài)。備冷儲(chǔ)罐在冷卻之前，需要用BOG氣體將罐內(nèi)及環(huán)隙的氮?dú)庵脫Q排放，同時(shí)完成進(jìn)料總管的冷卻和充液。

由于常溫下甲烷的密度比氮?dú)庑?，為了達(dá)到較好的置換效果，通常采用上進(jìn)下排的方式進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，同時(shí)保證儲(chǔ)罐壓力穩(wěn)定^[4]。圖l為LNG儲(chǔ)罐氮?dú)庵脫Q工藝簡(jiǎn)圖，如圖l所示，置換用的BOG進(jìn)入進(jìn)料總管，通過(guò)頂進(jìn)料管線到達(dá)罐內(nèi)，將罐內(nèi)的氮?dú)馔ㄟ^(guò)MV06閥放空排放，環(huán)隙的氮?dú)馔ㄟ^(guò)MV07和MV08閥放空排放。在氮?dú)庵脫Q過(guò)程中定期檢查放空處的甲烷含量，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5％時(shí)關(guān)閉放空閥門，氮?dú)庵脫Q完成。氮?dú)庵脫Q的同時(shí)，BOG會(huì)逐漸完成進(jìn)料總管的冷卻。為了避免管道和支架的應(yīng)力過(guò)大，溫降通?？刂圃?span lang="EN-US">-10℃／h以內(nèi)，當(dāng)進(jìn)料總管頂端溫度下降至-l00℃時(shí)，進(jìn)料總管冷卻完成。當(dāng)?shù)獨(dú)庵脫Q和進(jìn)料總管冷卻完成后，便可以對(duì)進(jìn)料總管進(jìn)行充液。

 

1．2　冷卻

進(jìn)料總管充液完成后即可對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行冷卻。儲(chǔ)罐的冷卻是通過(guò)預(yù)冷管線噴淋完成。如圖1所示，通過(guò)調(diào)節(jié)MV02閥的開(kāi)度控制進(jìn)入罐內(nèi)LNG的流量以達(dá)到控制冷卻速度的目的，同時(shí)冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的BOG氣體通過(guò)XV04閥所在BOG管線排至BOG總管后進(jìn)行后續(xù)處理^[5]。在冷卻過(guò)程中，為了避免冷卻時(shí)應(yīng)力過(guò)大損壞儲(chǔ)罐，應(yīng)嚴(yán)格控制冷卻速度。對(duì)于全容式混凝土頂儲(chǔ)罐，通常要求最大冷卻速度不能超過(guò)-5K／h，同時(shí)還要保證罐內(nèi)相鄰兩處測(cè)溫點(diǎn)的溫差小于20℃，任意兩點(diǎn)的溫差小于50℃。當(dāng)儲(chǔ)罐底部所有測(cè)溫點(diǎn)都達(dá)到-150℃時(shí)，儲(chǔ)罐冷卻完成。

2　冷卻計(jì)算模型

2．1　建立計(jì)算模型

根據(jù)開(kāi)口系統(tǒng)能量方程，建立儲(chǔ)罐冷卻的計(jì)算模型^[6-12]。(圖2)，并在該模型中進(jìn)行如下假設(shè)：

 

1)在整個(gè)冷卻過(guò)程中，將儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG氣體都當(dāng)做理想氣體。

2)提供冷量的LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐后瞬間氣化并與罐內(nèi)BOG均勻混合為等溫氣體。

3)在冷卻過(guò)程的任何時(shí)刻，儲(chǔ)罐內(nèi)不存在溫度分層，罐內(nèi)為等溫均質(zhì)氣體。

4)環(huán)境與儲(chǔ)罐之間的傳熱為穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。

5)整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械能為0。

6)在所取的微元時(shí)間內(nèi)進(jìn)入儲(chǔ)罐的LNG流量為定值，排出儲(chǔ)罐的BOG流量也為定值。

在以上的假設(shè)條件下，建立LNG儲(chǔ)罐冷卻過(guò)程的計(jì)算模型。

冷卻過(guò)程中時(shí)間(t)與儲(chǔ)罐溫度(Tt)的關(guān)系：

Tt=kt+T0     　　             (1)

式中Tt為t時(shí)刻的儲(chǔ)罐溫度，K；k為儲(chǔ)罐的冷卻速度，K／h；t為冷卻時(shí)間，h；T0為儲(chǔ)罐冷卻前初始溫度(假設(shè)為環(huán)境溫度)，K。

冷卻過(guò)程中取dt時(shí)間微元作為研究分析，則在(t+dt)時(shí)刻的儲(chǔ)罐溫度用式(1)表示為：

Tdt＝k(t+dt)+ T0 　　　　　　　(2)

式中Tdt為(t+dt)時(shí)刻的儲(chǔ)罐溫度，K；dt為時(shí)間微元，h。

在dt時(shí)間微元內(nèi)質(zhì)量守恒：

MLtdt=DM+MBtdt       　　       (3)

式中MLt為(t，t+dt)時(shí)間內(nèi)進(jìn)入儲(chǔ)罐的LNG流量，kg／h；DM為(t，t+dt)時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)罐中BOG的增加量，kg；MBt為(t，t+dt)時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)罐排出的BOG流量，kg／h。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT可變形為M=pVMmol／RT，得到DM與儲(chǔ)罐溫度的關(guān)系式：

 

式中Mdt為(t+dt)時(shí)刻儲(chǔ)罐內(nèi)BOG質(zhì)量，kg；Mt為t時(shí)刻儲(chǔ)罐內(nèi)BOG質(zhì)量，kg；pt為儲(chǔ)罐的絕對(duì)壓力，kPa；V為儲(chǔ)罐的容積，m³；Mmol為罐內(nèi)BOG的摩爾質(zhì)量，g／mol；R為摩爾氣體常數(shù)，8.315J／(mol·K)。

在dt時(shí)間微元內(nèi)能量守恒：

 

式中hL為進(jìn)入儲(chǔ)罐的LNG液體比焓，kJ／kg；F為(t，t+dt)時(shí)間段單位時(shí)間內(nèi)傳入儲(chǔ)罐的熱量，kJ／h；hBt為t時(shí)刻BOG氣體的比焓，kJ／kg；hBd_t為(t+dt)時(shí)刻BOG氣體的比焓，kJ／kg；DEcv為從t時(shí)刻到(t+dt)時(shí)刻儲(chǔ)罐儲(chǔ)存能的增量，kJ。

其中

 

而

 

式中l為單位時(shí)間、溫差內(nèi)傳入儲(chǔ)罐的熱量，kJ／(K·h)；Te為環(huán)境溫度，K；Ai為儲(chǔ)罐不同位置的面積，m²；bi為單位時(shí)間、溫差、面積內(nèi)傳入儲(chǔ)罐的熱量，kJ／(m²·K·h)。

2．2　模型相關(guān)參數(shù)的確定

2．2．1k及dt的確定

由于全容式混凝土頂儲(chǔ)罐要求其最大冷卻速度不能超過(guò)-5K／h，所以k的范圍為[-5，0]。dt的取值將直接影響到模型的精度，若dt取值過(guò)大，則模型的準(zhǔn)確性將會(huì)下降。通過(guò)綜合分析，確定以儲(chǔ)罐溫度每下降lK所用的時(shí)間作為dt的取值。表l列出了不同k值對(duì)應(yīng)的dt取值。

再運(yùn)用matlab擬合出dt與k的關(guān)系函數(shù)^[13]：

 

 

2．2．2hL、hBt及hBd_t的確定

由于LNG的主要成分為甲烷，所以采用純甲烷的物性參數(shù)來(lái)確定hL和hBt^[14]。而國(guó)內(nèi)常壓全容式混凝土頂儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力一般為-0.50～29.O0kPa(表壓)，冷卻時(shí)的壓力通?？刂圃?span lang="EN-US">111.32～l21.32kPa(絕對(duì)壓力)。表2列出了不同壓力下甲烷的飽和溫度與比焓值，從表2不難看出壓力在l13.24～122.6lkPa時(shí)，蒸汽比焓的變化較小，所以取其對(duì)應(yīng)液體比焓的平均值作為hL值，即hL為-280.06kJ／kg。

 

對(duì)于hBt的確定，首先通過(guò)EPCON Engineer′s Aide Toolbox 7.0軟件查詢出理想甲烷氣體不同溫度時(shí)所對(duì)應(yīng)的比定壓熱熔Cp(表3)，再運(yùn)用matlab擬合出Cp與T的關(guān)系函數(shù)。

Cp＝2.2×10^-8Ｔ³-6.9×10^-6T²+6.3×10^-4T+2.1　　TÎ[113,310]      (10)

 

其中擬合殘差為0.003651。

而理想氣體的焓只是溫度的函數(shù)，并且有：

= Cp                                                     (11)

因此，以式(11)為依據(jù)對(duì)式(10)求不定積分得：

hBt=5.5×10^-9Ｔt⁴-2.3×10^-6Ｔt³+3.15×10^-4Ｔt²+2.1Ｔt+A           (12)

將113K時(shí)甲烷蒸汽比焓為226.08kJ／kg作為式(12)的初始量，帶入式(12)得：

hBt=5.5×10^-9Ｔt⁴-2.3×10^-6Ｔt³+3.15×10^-4Ｔt²+2.1Ｔt-12.8        (13)

hdB_t=5.5×10^-9Td_t⁴-2.3×10^-6Td_t³+3.15×10^-4Td_t²+2.1Td_t-12.8           (14)

2．2．3l的確定

16×10⁴m³常壓全容式混凝土頂儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)及保溫材料都是相同的，因此，以大連LNG接收站T-1201儲(chǔ)罐冷卻時(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)確定l。l同時(shí)也可作為模型的一個(gè)修正參數(shù)，使所建立的模型更符合冷卻時(shí)的實(shí)際情況。表4為T-l201儲(chǔ)罐冷卻的相關(guān)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的l值。

 

將編號(hào)1～6所計(jì)算出的li通過(guò)式(15)求得平均值后作為l的值，即為83624.67kJ／(K·h)。

 

3　動(dòng)態(tài)模擬

3．1　不同冷卻速度對(duì)進(jìn)入儲(chǔ)罐LNG需求量和BOG排放量的影響

由于冷卻速度不同會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)進(jìn)入儲(chǔ)罐的LNG流量和冷卻所需的LNG需求量不同，同時(shí)導(dǎo)致瞬時(shí)排出儲(chǔ)罐的BOG流量和冷卻過(guò)程總共排出的BOG量也不同。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力為111kPa，環(huán)境溫度為293K，儲(chǔ)罐冷卻初始溫度為293K，冷卻速度分別為-1.5K／h、-2.5 K／h、-3.5K／h、-4.5K／h時(shí)，冷卻過(guò)程中冷卻時(shí)間(t)與LNG流量(MLt)、排放BOG流量(MBt)間的關(guān)系如圖3所示，冷卻過(guò)程中儲(chǔ)罐溫度(Tt)與LNG流量(MLt)、排放BOG流量(MBt)間的關(guān)系如圖4所示。

 

 

由圖3、4可知，在儲(chǔ)罐壓力、環(huán)境溫度和儲(chǔ)罐冷卻初始溫度相同的情況下，隨著冷卻速度增大，冷卻所用時(shí)間逐漸減小，LNG需求量逐漸減小，BOG排放量逐漸減小。當(dāng)儲(chǔ)罐溫度相同時(shí)，隨著冷卻速度增大，LNG流量逐漸增加，排放的BOG流量逐漸減小。

3．2　不同環(huán)境溫度對(duì)進(jìn)入儲(chǔ)罐LNG需求量和BOG排放量的影響

由于環(huán)境溫度的不同會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)傳入儲(chǔ)罐的熱量不同，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻過(guò)程中進(jìn)入儲(chǔ)罐的LNG流量和排出儲(chǔ)罐的BOG流量不同。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力為111kPa，儲(chǔ)罐冷卻初始溫度為273K，冷卻速度為-3.5K／h，環(huán)境溫度分別為273K、283K、293K和303K時(shí)，進(jìn)入儲(chǔ)罐的LNG流量和排出儲(chǔ)罐的BOG流量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖5所示。

 

圖5表明，儲(chǔ)罐壓力、儲(chǔ)罐冷卻初始溫度、冷卻速度相同時(shí)，隨著環(huán)境溫度的增加，冷卻所需的LNG流量和需求量逐漸增加，BOG流量和排放量也逐漸增加。

3．3　儲(chǔ)罐不同壓力對(duì)進(jìn)入儲(chǔ)罐LNG需求量和BOG排放量的影響

圖6為當(dāng)環(huán)境溫度為293K、儲(chǔ)罐冷卻初始溫度為273K、冷卻速度為-3.5K／h，儲(chǔ)罐壓力分別為111kPa、116kPa和121kPa時(shí)，進(jìn)入儲(chǔ)罐LNG流量和排出儲(chǔ)罐BOG流量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖6可知，儲(chǔ)罐壓力的變化對(duì)進(jìn)入儲(chǔ)罐的LNG需求量和BOG排放量影響很小。

 

4　結(jié)論

在建立儲(chǔ)罐冷卻計(jì)算模型和確定了模型中相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，得到了冷卻過(guò)程中冷卻速度、環(huán)境溫度、儲(chǔ)罐壓力與LNG流(需求)量、BOG排放流(排放量)量間的變化規(guī)律：

1)隨著冷卻速度的增大，LNG總量逐漸減小，BOG排放量也逐漸減小，相同儲(chǔ)罐溫度下，LNG流量逐漸增加、排放BOG流量逐漸減小。

2)隨著環(huán)境溫度的增大，LNG需求量和流量逐漸增加，BOG排放量和流量也逐漸加。

3)儲(chǔ)罐壓力對(duì)LNG需求量和BOG排放量影響較小。

存LNG接收站對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行冷卻時(shí)應(yīng)盡量選擇在環(huán)境溫度較低的冬季，以降低BOG的排放量。大連LNG接收站儲(chǔ)罐實(shí)際冷卻時(shí)發(fā)現(xiàn)：隨著冷卻速度的增大，罐內(nèi)不同測(cè)溫點(diǎn)間的溫差也會(huì)增大，因此，一般將冷卻速度控制在-3.5～-4.5K／h范圍內(nèi)比較適合。而在實(shí)際冷卻過(guò)程中，在確保罐內(nèi)溫差正常的情況下可盡量提高儲(chǔ)罐冷卻速度至-5K／h，以便減少BOG的排放，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

 

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本文作者：陳帥  田士章  魏念鷹

作者單位：中石油大連液化天然氣有限公司