LNG站儲罐增壓撬的設計過程

摘要：本文通過詳細介紹儲罐增壓撬的設計過程，從計算，定結(jié)構(gòu)，確定儲罐增壓空溫式汽化器，根據(jù)工藝流程設計撬的結(jié)構(gòu)，最后形成LNG站儲罐增壓撬的加工圖紙，從而完成儲罐增壓撬的設計工作。

關鍵詞：LNG站 儲罐增壓空溫式汽化器 八星翅片 儲罐增壓撬設計

LNG是英語liquefied natural gas的縮寫中文叫液化天然氣，主要成分是甲烷，LNG無色、無味、無毒且無腐蝕性，其體積壓縮比為：1：600，LNG的重量僅為同體積水的45%左右，熱值為52MMBtu/t（1MMBtu=2.52×10^8cal），LNG是通過在常壓下氣態(tài)的天然氣冷卻至-162℃，使之凝結(jié)成液體，天然氣液化后大大節(jié)約儲運空間和成本，是一種清潔、高效的能源，建設LNG站是很有發(fā)展前景的。

首先在這里先介紹下儲罐增壓撬在LNG站中工作原理：在LNG站中靠壓力推動，低溫液態(tài)LNG從儲罐流向空溫式氣化器，氣化為氣態(tài)天然氣后供應用戶。隨著儲罐內(nèi)LNG的流出，罐內(nèi)壓力不斷降低，LNG出罐速度逐漸變慢直至停止。因此，正常供氣操作中必須不斷向儲罐補充氣體，將罐內(nèi)壓力維持在一定范圍內(nèi)（通常0.6Mpa），才能使LNG氣化過程持續(xù)下去。儲罐的增壓是利用自動增壓調(diào)節(jié)閥和自增壓空溫式氣化器實現(xiàn)的。當儲罐內(nèi)壓力低于自動增壓閥的設定開啟值時，自動增壓閥打開，儲罐內(nèi)LNG靠液位差流入自增壓空溫式氣化器(自增壓空溫式氣化器的安裝高度應低于儲罐的最低液位)，在自增壓空溫式氣化器中LNG經(jīng)過與空氣換熱氣化成氣態(tài)天然氣，然后氣態(tài)天然氣流入儲罐內(nèi)，將儲罐內(nèi)壓力升至所需的工作壓力。利用該壓力將儲罐內(nèi)LNG送至主空溫式氣化器氣化，然后對氣化后的天然氣進行調(diào)壓(通常調(diào)至0.4MPa)、計量、加臭后，送入城市中壓輸配管網(wǎng)為用戶供氣。

在自增壓過程中隨著氣態(tài)天然氣的不斷流入，儲罐的壓力不斷升高，當壓力升高到自動增壓調(diào)節(jié)閥的關閉壓力(比設定的開啟壓力約高10%)時自動增壓閥關閉，增壓過程結(jié)束。隨著氣化過程的持續(xù)進行，當儲罐內(nèi)壓力又低于增壓閥設定的開啟壓力時，自動增壓閥打開，開始新一輪增壓，儲罐增壓撬在整個LNG站中起著至關重要的作用。

下面拿圖1的工藝流程為例介紹整個撬的設計過程：

說明：淡藍色線表示氣態(tài)LNG；粉色線表示液態(tài)LNG（管線需要做保冷處理）。

此儲罐增壓撬工作壓力0.7MPa，流量300Nm3/h。

在儲罐增壓撬的設計中，首先需要設計儲罐增壓空溫式汽化器，首先將完成300Nm3/h氣化量轉(zhuǎn)化為氣化器需要多大的換熱面積：

1 換熱面積計算公式

①天然氣組分（%）。

②熱值。

標準狀態(tài)下：

低熱值：37.57MJ/Nm3。

高熱值：40.56MJ/Nm3。

③密度：0.7465kg/Nm3。

④比重：0.58。

⑤爆炸極限：上限15.03%；下限5.1%。

⑥華白指數(shù)：51.78MJ/Nm3。

⑦燃燒勢：39。

符號說明：

F——汽化器換熱面積，m2。

h——P1排液壓力下的汽化潛熱，kcal/kg。

P1——排液壓力，MPa(絕對壓力)。

設：P1=0.7MPa

K——傳熱系數(shù)，kJ/m2.h.℃

q——過熱熱，kJ/kg。

Q——傳熱量，kJ/kg。

V0——汽化量，Nm3/h。

T0——環(huán)境溫度，K。

設：T0=273K

T1——介質(zhì)進口溫度，排液壓力(絕對壓力)下液體的飽和溫度，℃。

T2——介質(zhì)出口溫度，℃；

ΔT1——進口溫差，ΔT1=T0-T1，℃。

ΔT2——出口溫差，ΔT2=T0-T2，℃。

ΔT——傳熱溫差，K。

ΔT =(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)，℃。

γ0——標準狀態(tài)密度，kg/Nm3。

γ’——飽和液體密度，kg/m3。

γ”——飽和蒸汽密度，kg/m3。

i”——飽和蒸汽熱焓，kJ/kg。

i2——出口處熱焓，kJ/kg。

傳熱溫差計算

1.1 液相段傳熱溫差

ΔT’=T0-T1

ΔT’=T0-T1=270.5-140=135.5K

1.2 汽相段傳熱溫差

1.2.1 進口截面溫差

ΔT1=T0-T1=270.5-T1

ΔT1=T0-T1=270.5-T1=270.5-140=135.5K

1.2.2 出口截面溫差

ΔT2=T0-T2=10℃

1.2.3 汽相段傳熱溫差

ΔT”=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)

ΔT”=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)

=(135.5-10)/ln(135.5/10)

=125.5/2.6

=48K

傳熱方程式

根據(jù)傳熱學原理，有傳熱方程式

Q=KFΔT

解得

F=Q/KΔT

分別寫出液相段與汽相段的傳熱方程式

F’=Q’/ K’ΔT’=γ0V0h/ K’ΔT’

F”=Q”/ K”ΔT”=γ0V0(i2-i”)/ K”ΔT”

總傳熱面積：

F=F’+F”

根據(jù)上述方程式分別寫出傳熱方程式

F’=Q’/K’ΔT’=γ0V 0h/K’ΔT’

F’=0.7167XV0X461.138/K’X135.5

=2.44XV0/K’

F”=Q”/K”ΔT”=γ0V0(i2-i”)/ K”ΔT”

F”=0.7167XV0X263.73/K”X48

=3.98XV0/K”

F=F’+F”

F=2.44XV0/K’+3.98X V0/K”

= V0X(2.44/K’+3.98/K”)

令K”=nK’，取n=10則有：

總傳熱面積：

F =V0X(2.94/K’+3.98/K”)

=V0X(2.94/K’+3.98/(nK’)

=V0X(1/n)X(2.44n+3.98)X(1/K’)

=2.838XV0/K’

傳熱系數(shù)K’在無風情況下總傳熱系數(shù)可取值：7.3(因空氣傳熱系數(shù)為5～10)

則換熱面積計算公式為：F=0.39XV0 (1)

2 管通徑計算公式

計算公式：

D=■ (2)

D——管通徑，單位：mm

Q——流量，單位：Nm3/h

S——氣體流速，單位：m/s

P——氣體壓力(絕壓)，單位:Kg/cm2

3 管壁厚度計算公式

按照工業(yè)金屬管道設計規(guī)范《GB50316-2000》的管子壁厚計算公式為：

ts=■ (3)

ts：計算厚度

tsd：設計厚度 tsd= ts+C

厚度附加量之和C=C1+C2

C1：減薄附加量一般取0.8

C2：腐蝕或磨蝕附加量一般取1.0

式中：P：設計壓力（MPa）；DO：管子外徑（mm）；Di：管子內(nèi)徑(mm)；[σ]t：設計溫度下材料的許用應力（MPa）LF-21鋁合金為34.3；Ej：焊接接頭系數(shù)取0.6(按《GB503

16-2000》表3.2.5)；Y；系數(shù)取0.4(按《GB50316-2000》表6.2.1)。

4 確定儲罐增壓空溫式汽化器結(jié)構(gòu)

根據(jù)換熱面積確定儲罐增壓空溫式汽化器的結(jié)構(gòu)，空溫式氣化器選用新型的星型翅片管連接而成，每根翅片管有8個導熱翅片，直徑為Φ260，這種翅片管具有很好的氣化性能和快速的融霜能力。翅片管采用Φ28*4的換熱管，強度高，安全性好，換熱效率高。該翅片管每米換熱面積為1.83m2，主空溫式氣化器根據(jù)上述計算總換熱面積為117m2，即翅片管總長為117/1.83=47.6m考慮儲罐的最低液面為了達到全氣化的效果，汽化器高度最好不超過1.5米。以3.1米一根計算，需21根，按3X6排列，臥式，出口口徑根據(jù)公式（2）計算，取Q=300S=12P=8，計算得D=18mm，考慮其它因素取出口口徑DN50滿足流量要求，因為LNG氣化比例是1：600，進口口徑選取為DN32滿足流量要求，外形尺寸為3400x2000x1350（長x寬x高）。

5 在設計儲罐增壓撬中根據(jù)公式（2）和公式（3）計算出各進出管口的口徑為DN50選￠57x3.5

①閥門選型：工藝系統(tǒng)閥門應滿足輸送LNG的壓力和流量要求，同時必須具備耐-196℃的低溫性能。常用的LNG閥門主要有增壓調(diào)節(jié)閥、減壓調(diào)節(jié)閥、緊急切斷閥、低溫截止閥、安全閥、止回閥等。閥門材料為06Cr19Ni10。選用川空機械產(chǎn)品。

②管材、管件、法蘭選型：介質(zhì)溫度≤-20℃的管道采用輸送流體用不銹鋼無縫鋼管(GB/T 14976—2002)，材質(zhì)為06Cr19Ni10。管件均采用材質(zhì)為06Cr19Ni10的無縫沖壓管件(GB/T 12459)。法蘭采用RF面長頸對焊鋼制管法蘭(HG 20592—09)，其材質(zhì)為06Cr19Ni10。法蘭密封墊片采用耐低溫的填充改性聚四氟乙烯材料。緊固件采用專用雙頭螺柱、螺母，材質(zhì)為06Cr19Ni10，螺母為了防咬死改成鍍鉻不銹鋼螺母。

根據(jù)選取的閥門，按照工藝流程圖的走向和已經(jīng)確定的儲罐增壓空溫式汽化器，對儲罐增壓撬進行布局，設計的原則操作方便、維護維修方便和方便運輸?shù)纫蛩亍ＴO計時根據(jù)低溫閥門的流向布置低溫閥門，每條管線上的放散閥管線都集中到一個出口，低溫管線的液相管線需要加低溫保冷，為了防止溫度升高使LNG氣化，通過CAD設計繪圖經(jīng)過最終完成了儲罐增壓撬的設計。

參考文獻：

[1]GB50028-500《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》.

[2]GB50235《工業(yè)金屬管道工程施工及驗收》.

[3]GB50236《現(xiàn)場設備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗收規(guī)范》.

[4]GB50316《工業(yè)金屬管道設計規(guī)范》.