地上全容式混凝土頂LNG儲罐的冷卻動態(tài)模擬

陳帥 田士章 魏念鷹

中石油大連液化天然氣有限公司

大型常壓LNG儲罐是LNG接收站最重要的設(shè)備單元。國內(nèi)已建成的LNG接收站都采用了地上全容式混凝土頂儲罐（簡稱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)立儲存LNG的功能［1］。LNG儲罐的設(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)境下儲罐的日最大蒸發(fā)量不超過儲罐容量的0．05%［2］。LNG接收站運(yùn)營的前提是LNG儲罐的正常投用，而LNG儲罐冷卻又是整個(gè)儲罐投用過程中風(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儲罐為研究對象，對其冷卻過程進(jìn)行動態(tài)模擬研究。

1 冷卻過程

1．1 冷卻準(zhǔn)備

冷卻之前需要對LNG儲罐進(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，儲罐進(jìn)入備冷狀態(tài)。備冷儲罐在冷卻之前，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)保證儲罐壓力穩(wěn)定［4］。圖1為LNG儲罐氮?dú)庵脫Q工藝簡圖，如圖1所示，置換用的BOG進(jìn)入進(jìn)料總管，通過頂進(jìn)料管線到達(dá)罐內(nèi)，將罐內(nèi)的氮?dú)馔ㄟ^MV06閥放空排放，環(huán)隙的氮?dú)馔ㄟ^MV07和MV08閥放空排放。在氮?dú)庵脫Q過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)力過大，溫降通?？刂圃冢?0℃／h以內(nèi)，當(dāng)進(jìn)料總管頂端溫度下降至－100℃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儲罐進(jìn)行冷卻。儲罐的冷卻是通過預(yù)冷管線噴淋完成。如圖1所示，通過調(diào)節(jié)MV02閥的開度控制進(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)冷卻過程中產(chǎn)生的BOG氣體通過XV04閥所在BOG管線排至BOG總管后進(jìn)行后續(xù)處理［5］。在冷卻過程中，為了避免冷卻時(shí)應(yīng)力過大損壞儲罐，應(yīng)嚴(yán)格控制冷卻速度。對于全容式混凝土頂儲罐，通常要求最大冷卻速度不能超過－5K／h，同時(shí)還要保證罐內(nèi)相鄰兩處測溫點(diǎn)的溫差小于20℃，任意兩點(diǎn)的溫差小于50℃。當(dāng)儲罐底部所有測溫點(diǎn)都達(dá)到－150℃時(shí)，儲罐冷卻完成。

圖1 LNG儲罐氮?dú)庵脫Q工藝簡圖

2 冷卻計(jì)算模型

2．1 建立計(jì)算模型

根據(jù)開口系統(tǒng)能量方程，建立儲罐冷卻的計(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)冷卻過程中，將儲罐內(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）在冷卻過程的任何時(shí)刻，儲罐內(nèi)不存在溫度分層，罐內(nèi)為等溫均質(zhì)氣體。

4）環(huán)境與儲罐之間的傳熱為穩(wěn)態(tài)傳熱過程。

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)入儲罐的LNG流量為定值，排出儲罐的BOG流量也為定值。

在以上的假設(shè)條件下，建立LNG儲罐冷卻過程的計(jì)算模型。

冷卻過程中時(shí)間（t）與儲罐溫度（Tt）的關(guān)系：

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

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

式中Tδt為（t＋δt）時(shí)刻的儲罐溫度，K；δt為時(shí)間微元，h。在δt時(shí)間微元內(nèi)質(zhì)量守恒：

式中MLt為（t，t＋δt）時(shí)間內(nèi)進(jìn)入儲罐的LNG流量，kg／h；ΔM為（t，t＋δt）時(shí)間內(nèi)儲罐中BOG的增加量，kg；MBt為（t，t＋δt）時(shí)間內(nèi)儲罐排出的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ΔM與儲罐溫度的關(guān)系式：

式中Mδt為（t＋δt）時(shí)刻儲罐內(nèi)BOG 質(zhì)量，kg；Mt為t時(shí)刻儲罐內(nèi)BOG質(zhì)量，kg；pt為儲罐的絕對壓力，kPa；V為儲罐的容積，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δt時(shí)間微元內(nèi)能量守恒：

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

其中

而

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

2．2 模型相關(guān)參數(shù)的確定

2．2．1к及δt的確定

由于全容式混凝土頂儲罐要求其最大冷卻速度不能超過－5K／h，所以к的范圍為［－5，0）。δt的取值將直接影響到模型的精度，若δt取值過大，則模型的準(zhǔn)確性將會下降。通過綜合分析，確定以儲罐溫度每下降1K所用的時(shí)間作為δt的取值。表1列出了不同к值對應(yīng)的δt取值。

再運(yùn)用matlab擬合出δt與к的關(guān)系函數(shù)［13］：

表1 不同к值對應(yīng)的δt取值表

2．2．2hL、hBt及hBδt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)來確定hL和hBt［14］。而國內(nèi)常壓全容式混凝土頂儲罐的設(shè)計(jì)壓力一般為－0．50～29．00kPa（表壓），冷卻時(shí)的壓力通常控制在111．32～121．32kPa（絕對壓力）。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113．24～122．61 kPa時(shí)，蒸汽比焓的變化較小，所以取其對應(yīng)液體比焓的平均值作為hL值，即hL為－280．06kJ／kg。

表2 不同壓力下甲烷的飽和溫度與比焓值表

對于hBt的確定，首先通過 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)。

其中擬合殘差為0．003 651。

而理想氣體的焓只是溫度的函數(shù)，并且有：

表3 不同溫度對應(yīng)的理想甲烷氣體比定壓熱熔值表

因此，以式（11）為依據(jù)對式（10）求不定積分得：

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：

2．2．3λ的確定

16×104m3常壓全容式混凝土頂儲罐的結(jié)構(gòu)及保溫材料都是相同的，因此，以大連LNG接收站T－1201儲罐冷卻時(shí)的數(shù)據(jù)來確定λ。λ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－1201儲罐冷卻的相關(guān)數(shù)據(jù)及對應(yīng)的λi值。

將編號1～6所計(jì)算出的λi通過式（15）求得平均值后作為λ的值，即為83 624．67kJ／（K·h）。

表4 T－1201儲罐冷卻的相關(guān)數(shù)據(jù)及對應(yīng)的λi表

3 動態(tài)模擬

3．1 不同冷卻速度對進(jìn)入儲罐LNG需求量和BOG排放量的影響

由于冷卻速度不同會導(dǎo)致瞬時(shí)進(jìn)入儲罐的LNG流量和冷卻所需的LNG需求量不同，同時(shí)導(dǎo)致瞬時(shí)排出儲罐的BOG流量和冷卻過程總共排出的BOG量也不同。當(dāng)儲罐壓力為111kPa，環(huán)境溫度為293 K，儲罐冷卻初始溫度為293K，冷卻速度分別為－1．5 K／h、－2．5K／h、－3．5K／h、－4．5K／h時(shí)，冷卻過程中冷卻時(shí)間（t）與LNG流量（MLt）、排放BOG流量（MBt）間的關(guān)系如圖3所示，冷卻過程中儲罐溫度（Tt）與LNG流量（MLt）、排放BOG流量（MBt）間的關(guān)系如圖4所示。

圖3 不同к值下MLt、MBt與t的關(guān)系曲線圖

圖4 不同к值下MLt、MBt與Tt的關(guān)系曲線圖

由圖3、4可知，在儲罐壓力、環(huán)境溫度和儲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)境溫度對進(jìn)入儲罐LNG需求量和BOG排放量的影響

由于環(huán)境溫度的不同會導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)傳入儲罐的熱量不同，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻過程中進(jìn)入儲罐的LNG流量和排出儲罐的BOG流量不同。當(dāng)儲罐壓力為111kPa，儲罐冷卻初始溫度為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)入儲罐的LNG流量和排出儲罐的BOG流量隨時(shí)間的變化趨勢如圖5所示。

圖5 不同Te值下MLt、MBt與t的關(guān)系曲線圖

圖5表明，儲罐壓力、儲罐冷卻初始溫度、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 儲罐不同壓力對進(jìn)入儲罐LNG需求量和BOG排放量的影響

圖6為當(dāng)環(huán)境溫度為293K、儲罐冷卻初始溫度為273K、冷卻速度為－3．5K／h，儲罐壓力分別為111kPa、116kPa和121kPa時(shí)，進(jìn)入儲罐LNG流量和排出儲罐BOG流量隨時(shí)間的變化趨勢。由圖6可知，儲罐壓力的變化對進(jìn)入儲罐的LNG需求量和BOG排放量影響很小。

圖6 不同pt值下MLt、MBt與t的關(guān)系曲線圖

4 結(jié)論

在建立儲罐冷卻計(jì)算模型和確定了模型中相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，得到了冷卻過程中冷卻速度、環(huán)境溫度、儲罐壓力與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）儲罐壓力對LNG需求量和BOG排放量影響較小。

在LNG接收站對儲罐進(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)不同測溫點(diǎn)間的溫差也會增大，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)際冷卻過程中，在確保罐內(nèi)溫差正常的情況下可盡量提高儲罐冷卻速度至－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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