大型LNG儲罐預(yù)冷動態(tài)模擬

鄧文源，田連軍，童文龍，李寧，郭開華，黎文鋒

（1中山大學(xué)工學(xué)院，廣東 廣州510006；2廣東珠海金灣液化天然氣有限公司，廣東 珠海519000）

引 言

液化天然氣是由85%～98%的甲烷混合其他烴類所組成的物質(zhì)。目前，被視為一種相對清潔、低碳的一次能源被多國政府提倡使用，使得天然氣生產(chǎn)貿(mào)易量不斷上升，LNG （液化天然氣）產(chǎn)業(yè)也隨之快速發(fā)展起來。國內(nèi)多個LNG接收站都在建設(shè)或者進(jìn)行二期建設(shè)中［1］。大型常壓LNG儲罐在接收站中是初期投入最大的設(shè)備之一，正式啟用時對調(diào)試技術(shù)的要求較高［2］。其中，LNG儲罐的冷卻是最為重要調(diào)試環(huán)節(jié)之一。低溫儲罐需要緩慢均勻地進(jìn)行降溫，以防對儲罐造成損壞。

本文針對國內(nèi)LNG接收站常見的16萬立方米地上全容式混凝土儲罐在預(yù)冷過程進(jìn)行動態(tài)模擬計(jì)算，分析儲罐的壓力、溫度、BOG排量在預(yù)冷過程中的動態(tài)變化。為實(shí)際大型LNG儲罐預(yù)冷過程的優(yōu)化提供理論支持。

1 LNG儲罐預(yù)冷流程

大型LNG儲罐預(yù)冷流程如圖1所示。預(yù)冷LNG經(jīng)臨時搭建的預(yù)冷管線從噴淋環(huán)進(jìn)入罐內(nèi)，通過閥門兩端壓力表監(jiān)測噴淋流量，噴淋環(huán)上的噴頭為螺旋型噴嘴；甲烷混合氣體通過蒸發(fā)氣系統(tǒng)排出控制罐內(nèi)壓力。

圖1 儲罐預(yù)冷簡圖Fig.1 Process sketch of LNG storage tank

在儲罐預(yù)冷過程中需控制的參數(shù)主要有兩個：

（1）溫度，計(jì)劃預(yù)冷溫度為每小時3℃，最大溫度變化不得超過每小時5℃；

（2）壓力，通過將過量的氣體排向蒸發(fā)氣系統(tǒng)，將儲罐壓力控制在約20kPa。

2 LNG儲罐預(yù)冷動態(tài)模型的建立

2.1 基本動態(tài)方法

建立160000m3大型LNG儲罐預(yù)冷過程的集中參數(shù)模型，得到LNG儲罐平均溫度、壓力及罐體溫度隨預(yù)冷時間的變化關(guān)系?？紤]到計(jì)算的復(fù)雜性，對預(yù)冷過程作如下基本假設(shè)：

（1）任一時刻，LNG儲罐內(nèi)氣相介質(zhì)具有均一的溫度、壓力；

圖2 儲罐預(yù)冷計(jì)算拓?fù)鋱DFig.2 Sketch of topology for calculation process

（2）罐內(nèi)介質(zhì)與內(nèi)罐各壁面的對流傳熱系數(shù)為常數(shù)；

（3）忽略儲罐側(cè)壁、底部、頂面保溫材料的熱物理特性隨溫度的變化；

（4）忽略罐體熱角保護(hù)層的絕熱保護(hù)。

圖2示出LNG儲罐動態(tài)模擬的計(jì)算拓?fù)鋱D。LNG噴淋量通過LNG管線與儲罐內(nèi)部壓差和閥門開度k決定；同理，BOG排量通過儲罐內(nèi)部與大氣壓差和閥門開度k決定，根據(jù)壓力－流量方程，確定流量。其基本形式表述如下

LNG進(jìn)入儲罐之后迅速氣化，使得儲罐內(nèi)工質(zhì)溫度下降，當(dāng)儲罐內(nèi)部溫度較低時，LNG并不能完全氣化，部分液體沉降到儲罐底部形成液位，對某一時刻τ，當(dāng)前LNG噴淋量的氣化率為e（τ），0≤e≤1。

2.2 LNG儲罐降溫的動態(tài)模型

2.2.1 儲罐傳熱模型 LNG儲罐預(yù)冷過程中有部分的冷量用于冷卻罐體，所以，計(jì)算罐體傳熱的精確度對模擬預(yù)冷過程時的降溫速度有很大影響。本文將對罐體隔熱層分成多層進(jìn)行計(jì)算。儲罐外罐混凝土壁面與空氣換熱方式為自然對流換熱，傳熱系數(shù)10W·m－2·K－1；甲烷與儲罐內(nèi)表面?zhèn)鳠岱绞綖閺?qiáng)制對流換熱，傳熱系數(shù)為20W·m－2·K－1。儲罐隔熱層分層及建造材料熱力學(xué)參數(shù)如表1。

對于罐體各面每層溫度變化

式中，Ci為第i層隔熱層總熱容，Ti為第i層溫度，Ri為第i層傳熱熱阻。罐體傳給儲罐內(nèi)介質(zhì)的熱量

式中，Tsw＿1，Tbw＿1，Ttw＿1分別是罐體側(cè)壁、底部和頂部與罐內(nèi)介質(zhì)接觸層的溫度。Rsw＿0，Rbw＿0，Rtw＿0是對應(yīng)隔熱層的熱阻。

表1 大型LNG儲罐隔熱層材料參數(shù)Table1 Material parameters of LNG storage tank

2.2.2 儲罐兩相容積節(jié)點(diǎn)模型 儲罐數(shù)學(xué)模型采用集總參數(shù)法處理，節(jié)點(diǎn)的壓力、工質(zhì)組成、溫度的變化，可分別由質(zhì)量守恒方程、物料守恒方程、能量方程導(dǎo)出，基本方程如下

對于四元混合工質(zhì) （氮?dú)?，甲烷，乙烷，丙烷），?（4）中組分zi的方程共包括3個獨(dú)立方程。對于罐內(nèi)壓力

壓縮因子Zm隨著溫度和壓力的改變而改變，由PR 狀態(tài)方程［3］求解。

物性參數(shù)：密度、焓、內(nèi)能等均可通過相應(yīng)的狀態(tài)方程和理想氣體比熱方程求得［3］。

2.3 噴淋LNG氣化量的確定

系統(tǒng)降溫過程共經(jīng)歷了約70h，在儲罐預(yù)冷開始時，LNG進(jìn)入儲罐后全部氣化，但是當(dāng)溫度下降到足夠低溫時，噴淋的過冷LNG并不能完全氣化，一部分液體沉降到儲罐底部，導(dǎo)致預(yù)冷過程后期，即使加大噴淋量，溫度下降速度依然變慢［4］。

過冷LNG進(jìn)入儲罐后的傳熱過程可看作多個分散液滴表面蒸發(fā)的過程。由于傳熱過程受到氣液相間的物理作用影響，這些互相作用非常復(fù)雜，而且包含許多因素，如溫度、壓力、湍流、液滴在氣相中的擴(kuò)散、液滴與液滴之間的相互作用［5］，參考燃油液滴蒸發(fā)過程的傳熱機(jī)理［5－7］、甲烷沸騰傳熱研究［8－10］和噴嘴霧化特性研究［11－12］。本文建立一個弱化物理模型的考慮，針對預(yù)冷過程影響因素，并且通過因次分析得到的關(guān)于噴淋預(yù)冷過程的總換熱系數(shù)h（W·K－1）關(guān)聯(lián)式

式中，P為儲罐壓力，˙min為該時刻噴淋LNG的流量，dn為噴淋口直徑，λ為天然氣的熱導(dǎo)率，SMD為索太爾平均半徑。

噴淋LNG后，LNG的霧化情況與傳熱面積呈正相關(guān)關(guān)系，液霧由大小不等的液滴顆粒組成，為了可以量化考慮霧化質(zhì)量和表示其霧化特性，需要一個既可以表示顆粒直徑大小又適用于傳熱計(jì)算的表達(dá)式，即液滴尺寸分布表達(dá)式［11］。目前常用的液滴特征直徑表達(dá)式都是經(jīng)驗(yàn)公式，至今還沒有從理論上推導(dǎo)出量化液體顆粒分布的表達(dá)式，比較流行的方法是用索太爾平均直徑 （SMD）作為液滴出口特征直徑，其物理意義為液霧內(nèi)全部液滴的總體積與總表面積的比值，如式 （7）所示［11－14］

預(yù)冷過程中，噴淋環(huán)上的噴頭為螺旋式噴嘴，共有18個噴嘴，噴嘴內(nèi)徑為5.6mm，因此對于LNG液霧的索太爾平均直徑，采用螺旋噴嘴液滴平均直徑dn的擬合式［13］

式中，We、Ren為 Weber數(shù)和噴頭出口LNG的Reynolds數(shù)，ρG、ρL為天然氣的氣相和液相密度，vL、σ、μL為LNG的噴射速度、表面張力系數(shù)和液體的動力黏度。

另外，SMD決定了LNG液霧的初始直徑，但是在蒸發(fā)過程中液霧的碰撞和下落會對平均蒸發(fā)面積有一定影響，而且，隨著噴淋量的增大，液霧碰撞概率會明顯增加，所以定義為換熱過程的液滴平均直徑

式中，δ為關(guān)于平均直徑的修正系數(shù)，為一經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)確定，一般取δ＝0.8。對于傳熱過程，采用廣泛使用的Ranz－Marshall關(guān)聯(lián)式［11］

式中，μG為罐內(nèi)氣相介質(zhì)的動力黏度，v為液滴相對氣相介質(zhì)的速度，由于液滴半徑非常小，噴射后阻力和重力會迅速達(dá)到平衡，g為重力加速度，所以式 （13）中，v由斯托克斯定律求得［11］

綜上，大型儲罐預(yù)冷噴淋傳熱系數(shù)的表達(dá)式為

式中，N為液霧的特征數(shù)量，由噴淋量和液霧的擴(kuò)散特性決定，所以對任一時刻τ

進(jìn)入儲罐LNG蒸發(fā)量可由式 （19）求出

式中，γLNG為噴淋LNG的蒸發(fā)潛熱。

對τ時刻，噴淋LNG蒸發(fā)率可表示為

若e≥1，則進(jìn)入的LNG全部蒸發(fā)；若0≤e＜1，則有一部分液體沉降至儲罐底部，使得液位上升。其液位L的函數(shù)為

式中，D為儲罐內(nèi)徑。

3 動態(tài)模擬計(jì)算結(jié)果

儲罐預(yù)冷過程約需要70h，預(yù)冷開始前，儲罐充滿室溫下的甲烷，預(yù)冷工質(zhì)組成如表2，預(yù)冷模擬的初始溫度及壓力條件如表3。

表2 預(yù)冷噴淋LNG組成Table 2 Composition of LNG

表3 儲罐預(yù)冷計(jì)算初始條件Table3 Initial conditions of pre－cooling simulation

以某LNG接收站的一次儲罐預(yù)冷的噴淋量作為對比噴淋量，通過建立的仿真系統(tǒng)以穩(wěn)定的降溫速度為優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算出一個LNG噴淋量的優(yōu)化策略。動態(tài)模擬儲罐預(yù)冷的對比工況的噴淋量和優(yōu)化工況的噴淋量如圖3所示。

圖4為對比工況值與優(yōu)化工況值的壓力值，可以看出，在預(yù)冷開始時，儲罐壓力會上升約0.3kPa，優(yōu)化工況下，較大的噴淋量會使得儲罐壓力上升較快，但是通過調(diào)整BOG流量，可以使得儲罐壓力維持在設(shè)計(jì)壓力之內(nèi)，預(yù)冷時間大于45h后，儲罐壓力開始緩慢下降，主要是因?yàn)閲娏艿腖NG有部分開始沉降到罐底，使得BOG量變小。預(yù)冷過程中，儲罐壓力波動不大，較為穩(wěn)定。

圖3 對比工況與優(yōu)化工況的噴淋量Fig.3 LNG inject rates of experimental and optimized processes

圖4 對比工況與優(yōu)化工況的壓力變化Fig.4 Pressure variation of experimental and optimized processes

圖5 對比工況與優(yōu)化工況的溫度變化曲線Fig.5 Temperature variation of experimental and optimized processes

圖5為對比工況與優(yōu)化工況的溫度變化曲線，圖中可以看出，優(yōu)化的噴淋量溫度下降速率較為平穩(wěn)，在儲罐溫度下降至135K前，降溫速率都維持在3.8K·h－1左右；而對比值降溫速率變化較大，數(shù)值變化范圍從0.5K·h－1到4.8K·h－1，降溫速率波動較大，將會對預(yù)冷所需時間、儲罐安全等造成不確定的影響，由圖5可以看出，優(yōu)化工況下，儲罐在60h左右已經(jīng)完成預(yù)冷。儲罐內(nèi)部溫度下降至130K之后，降溫速度逐漸變慢，這是由于在低溫下，噴淋的LNG不能完全蒸發(fā)造成的，溫度越低，蒸發(fā)量越小。

如圖6所示，兩種預(yù)冷策略對BOG流量的控制區(qū)別較大。在對比工況下，預(yù)冷前期噴淋量較小，產(chǎn)生BOG量不多，但是預(yù)冷時間到了34h后，噴淋量維持在較高水平，此時為了維持罐內(nèi)壓力，增大BOG流量。在優(yōu)化工況下，預(yù)冷開始儲罐內(nèi)部的降溫速率就維持在比較合理的數(shù)值，噴淋量較大，所以BOG流量一直較為穩(wěn)定，在47h后，由于儲罐內(nèi)部溫度足夠低，噴淋的LNG有較多部分沉降至罐底，于是BOG流量可以維持在較低水平。儲罐達(dá)到115K時，兩種工況分別排出BOG氣體239.3t（對比工況）和240t（優(yōu)化工況），但對比工況在后期排出較多低溫BOG，這對冷量造成了一定的浪費(fèi)。

圖6 對比工況與優(yōu)化工況的BOG流量Fig.6 BOG flow rates of experimental and optimized processes

圖7為兩個工況下的液位高度。在優(yōu)化工況下，其降溫速率較快而且穩(wěn)定，所以會更早形成液位，產(chǎn)生液位的時間比較對比工況提早12h。實(shí)際操作中，當(dāng)儲罐的液位有一定高度時，可以使用進(jìn)液管對儲罐進(jìn)行大流量進(jìn)液。采用優(yōu)化的儲罐預(yù)冷策略有利于加快預(yù)冷工作的完成。

圖7 對比工況與優(yōu)化工況的液位高度Fig.7 Liquid levels of experimental and optimized processes

4 結(jié) 論

建立了對大型LNG儲罐的氣液兩相容積節(jié)點(diǎn)模型的儲罐預(yù)冷動態(tài)模擬的方法，基于模型，搭建了動態(tài)模擬計(jì)算平臺，對儲罐預(yù)冷過程中的噴淋流量和BOG流量操作策略進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

（1）在儲罐預(yù)冷開始時，儲罐壓力會有明顯的上升，根據(jù)不同的操作策略，調(diào)節(jié)BOG流量，基本可以維持儲罐壓力的穩(wěn)定。

（2）在預(yù)冷過程前期，過于謹(jǐn)慎的預(yù)冷策略會導(dǎo)致儲罐降溫速度不穩(wěn)定、預(yù)冷時間延長和預(yù)冷后期BOG流量過大而導(dǎo)致冷量的浪費(fèi)問題。

（3）優(yōu)化工況和對比工況在70h內(nèi)的LNG噴淋量分別是967t和700t，排出的BOG分別是265t和245t。在排出的BOG相差不足10%的情況下，采用經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化的預(yù)冷策略，可以保證儲罐快速穩(wěn)定地降至目標(biāo)溫度，減少冷量的浪費(fèi)。優(yōu)化工況下產(chǎn)生液位的時間比對比工況提前了約12h，大流量進(jìn)液過程也相應(yīng)提前，加快預(yù)冷后續(xù)工作的完成。

（4）所建立的氣液兩相容積節(jié)點(diǎn)LNG儲罐和噴淋LNG蒸發(fā)模型以及動態(tài)模擬方法可以較準(zhǔn)確地模擬LNG儲罐的預(yù)冷降溫規(guī)律，可為實(shí)際系統(tǒng)預(yù)冷過程的調(diào)試優(yōu)化、設(shè)計(jì)冷卻策略，提供科學(xué)和準(zhǔn)確的預(yù)測手段。

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