大型LNG儲罐內壓力及蒸發(fā)率的影響因素分析

摘 要

摘要：LNG在儲罐內的蒸發(fā)對LNG儲罐的安全有著非常大的影響。為此，以3×104m3的LNG儲罐為例，在分析研究的基礎上，基于質量守恒及能量守恒原理，建立了預測LNG儲罐內壓力及蒸發(fā)
摘要：LNG在儲罐內的蒸發(fā)對LNG儲罐的安全有著非常大的影響。為此，以3×104m3的LNG儲罐為例，在分析研究的基礎上，基于質量守恒及能量守恒原理，建立了預測LNG儲罐內壓力及蒸發(fā)率的模擬模型，經試驗驗證該模型的計算結果較為準確可靠。利用該模型分析了密閉LNG儲罐內壓力及蒸發(fā)率的影響因素。結果發(fā)現(xiàn)：密閉LNG儲罐存在1個“最優(yōu)直徑”和“最優(yōu)充滿率”；LNG儲罐保溫層導熱系數(shù)越大，LNG儲罐內壓力上升得越快，LNG安全儲存時間就越短；環(huán)境溫度越高，密閉LNG儲罐的壓力上升得越快，LNG安全儲存時間越短；LNG含氮量、外界大氣壓對LNG儲罐內的壓力影響不大；LNG含氮量越高其的蒸發(fā)率越低，向LNG儲罐內充注氮氣可以有效地降低LNG儲罐內液體的蒸發(fā)率。該項成果將為LNG儲罐的設計及運行提供技術支持。
關鍵詞：LNG儲罐；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儲運過程中，由于LNG的低溫特性及LNG儲罐隔熱材料性能的局限性[1]，環(huán)境向LNG儲罐內漏熱會引起罐內低溫介質的內能增加、溫度上升、壓力升高。當LNG儲罐內壓力達到安全極限值后，LNG儲罐的安全閥必須打開，釋放掉一部分蒸發(fā)氣體，以保證LNG儲罐的安全。把LNG儲罐內的蒸發(fā)氣體釋放到空氣中，不僅會增加儲運成本，還可能會給環(huán)境帶來安全隱患。這就需要對LNG儲罐內的壓力、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60年代，Neff首先指出：封閉儲罐中壓力的上升是低溫液體安全儲存所面臨的一個關鍵問題，容器中壓力可以通過儲罐中的溫度來計算[2]。然而實驗證明，容器中的實際壓力大于基于平均液體溫度而計算的壓力。Swim和Schmidt研究了容器中液體的自增壓，并通過不同的分析方法來比較了試驗結果[3～4]。Scott等人研究了一個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計算了容器中壓力的上升并同實際情況作了比較[5]。C.Beduz、R.Rebiai和R.G.Scurlock等人對低溫儲存過程中突然發(fā)生液體大量氣化，進而導致儲罐內壓力急劇上升的情況進行了探討[6]。Yu.A.Kirichenk0和Zh.A.Suprunova等人考慮到系統(tǒng)內部熱動力狀態(tài)改變明顯，利用相似理論通過實驗求取了描述系統(tǒng)傳熱流動過程的實驗關聯(lián)式[7]。C.M.Yu和N.U.Aydemir對部分充滿低溫液體的臥式筒形儲罐和球罐在均勻外部受力作用下的熱力響應作了分析[8]。汪榮順等人對飽和均質模型進行了修正[9]，并針對6m3液氧儲罐進行了數(shù)值計算和實驗研究，結果表明，修正后的飽和均質模型和實驗結果較為相符。徐烈等人分析了充滿率和環(huán)境溫度對升壓速率的影響，給出了不同充滿率下儲存壓力與容器單位容積受熱量的關系圖，以及不同充滿率下無損儲存壓力與時間的關系圖，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LNG汽車儲罐的無損儲存規(guī)律，提出了三區(qū)塊計算模型，并編制程序進行了計算[11]。
    由于商業(yè)價值的原因，國內外有關LNG蒸發(fā)率的數(shù)據(jù)及資料少之又少，為此，建立了計算模型并分析了各種影響密閉儲罐內壓力及蒸發(fā)率的因素。
1 LNG儲罐蒸發(fā)率計算模型的建立
    LNG儲罐的蒸發(fā)率是指LNG儲罐的靜態(tài)日蒸發(fā)率，即儲罐裝有LNG時，靜置達到熱平衡后24h內自然蒸發(fā)損失的LNG液體質量和儲罐內LNG液體質量的百分比。
1.1 模型的假設條件
    模擬計算介質LNG的組分為甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷、異戊烷、氮氣，其摩爾分數(shù)分別為80.80%、15.20%、2.10%、0.28%、0.30%、0.01%、0.01%、及1.30%。在模擬計算中，作出如下假設：①在低溫LNG儲罐內，氣、液相溫度一致，且系統(tǒng)壓力為液相工質的飽和壓力；②無損LNG儲罐內工質質量恒定；流體工質的平均密度為定值；③蒸發(fā)過程中，LNG儲罐內氣相部分和液相主體部分都是均勻溫度場。
    密閉LNG儲罐大都為真空絕熱類型，其結構由內筒、保溫層、支撐構件和外筒等部分組成。為方便計算儲罐的傳熱量，作出如下假設：①忽略LNG儲罐保溫層的側向導熱，認為整個LNG儲罐的傳熱為一維的，其方向垂直于保溫層。如是多層保溫結構，可認為保溫層是由多個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，假設其厚度hs≈0，環(huán)境漏入LNG儲罐內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儲罐為無損儲存，沒有質量損耗。根據(jù)質量守恒定律，減少的液體質量等于蒸發(fā)的氣體質量。
1) 氣相部分的質量守恒：
 
    2) 液體的質量守恒方程：
   
根據(jù)能量守恒，傳入LNG儲罐的熱量等于LNG儲罐內流體內能的增加。通過高真空多層絕熱體的綜合漏熱量為：
 
LNG儲罐內流體內能的變化為：
 
式中V為LNG儲罐體積，m3；ρ為儲液密度，kg/m3；U為單位內能，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為保溫層導熱系數(shù)，J/(m·℃)；Am為LNG儲罐的傳熱面積，m3；△T為LNG儲罐內外溫差，℃；δ為保溫層厚度，m；下標f代表末狀態(tài)；下標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 試驗驗證
    由于LNG的危險性，直接進行大容量LNG儲罐的試驗非常困難，而模擬的理論基礎是氣液相平衡原理，對于各種尺度LNG儲罐都是適用的。因此本試驗采用小型儲罐，用C02介質代替LNG進行低溫液體蒸發(fā)率試驗，測試該低溫液體儲罐靜態(tài)蒸發(fā)率，通過試驗來驗證模型的準確性，然后用研制并完善的模型來研究大尺度的LNG儲罐內的蒸發(fā)規(guī)律[12]。
    在相同初始充滿率下，測試不同環(huán)境溫度時儲存壓力及溫度的變化情況。試驗采用不銹鋼小型儲罐，運用自然升壓法測定儲罐內介質的蒸發(fā)量，利用恒溫槽改變介質溫度及環(huán)境溫度，利用壓力傳感器得出儲槽內壓力變化。試驗裝置如圖1所示，C02溫度為-33℃，環(huán)境溫度為-22℃時的試驗結果與模擬結果對比見圖2，CO2溫度為-33℃，環(huán)境溫度為-2℃時的試驗結果與模擬結果對比見圖3。
 

    由圖2、3可知，模擬計算結果與試驗結果相差較小，模型的準確性較好，故對模型做出的假設成立，可通過模擬來計算LNG儲罐內壓力及蒸發(fā)率的大小。
3 模擬結果及分析
    針對目前海上LNG的運輸發(fā)展，選用大型LNG儲罐進行了模擬研究。模擬的初始條件如下：選用LNG儲罐體積為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℃，初始壓力為101.325kPa，初始充滿率為70%。
3.1 LNG儲罐直徑的影響
    LNG儲罐內壓力、壓差及蒸發(fā)率隨儲罐直徑變化情況如圖4所示。
 

    根據(jù)LNG儲罐直徑對LNG儲罐內壓力及蒸發(fā)率的影響來看，必然存在某一極限值使得LNG儲罐內壓力及蒸發(fā)率最小。對于本研究而言，最優(yōu)直徑為30～40m。
3.2 初始充滿率的影響
    LNG儲罐內壓力、蒸發(fā)率及溫差與充滿率的關系，如圖5所示。
 

    由圖5可知，LNG儲罐中蒸發(fā)率隨初始充滿率的增大而減小，并且開始減小比較快。在初始蒸發(fā)率約為0.90時，蒸發(fā)率出現(xiàn)負值，即存在氣體再液化的現(xiàn)象，這是因為通常所說的蒸發(fā)率是LNG儲罐內液相蒸發(fā)和氣相冷凝的綜合，是有效蒸發(fā)率，LNG儲罐內儲液在蒸發(fā)的同時，氣相部分也不斷冷凝，在此過程中，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儲罐內的壓力較低，LNG的沸點也較低，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儲罐內壓力增大，LNG的沸點升高，部分儲液處于過冷狀態(tài)，這樣環(huán)境漏熱部分用于增加過冷儲液的內能，而不是全部用于蒸發(fā)，所以液相的蒸發(fā)速度減?。煌瑫r，因為壓力升高導致液相過冷，增大了氣液相的溫差，這樣加快了過熱氣體在氣液界面的冷凝速率，當LNG儲罐內壓力上升到一定程度后，LNG儲罐內液相的蒸發(fā)速率開始小于氣相的冷凝速率，此時有效蒸發(fā)率就開始變?yōu)樨撝?；隨著充滿率的增加，溫差變化趨于減小，升壓速率越來越慢，當初始充滿率接近92.7%時，LNG儲罐內壓力急劇下降，原因是過高的初始充滿率易造成LNG儲罐處于負壓狀態(tài)，對LNG儲存極為不利。故合理的初始充滿率對密閉LNG儲罐的安全儲存時間極為重要[13]，解決的辦法是LNG儲罐儲存壓力保持為0.1MPa。
    運行時，打開增壓器氣相低溫閥，當LNG儲罐壓力低于設定壓力0.1MPa時，調節(jié)閥開啟，LNG進入增壓器，在增壓器中與空氣換熱，氣化為NG，進入罐內，使氣相壓力變大，從而將LNG儲罐壓力維持在0.1MPa。隨著LNG的不斷流出，罐內液位不斷下降，氣相空間不斷變大，壓力不斷降低，這樣，通過增壓器不斷氣化LNG來補充罐內壓力，以維持LNG儲罐的壓力不變。
3.3 環(huán)境溫度的影響
    LNG儲罐內壓力、儲存時間及蒸發(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儲罐內壓力上升得越快，在一定的LNG儲罐承壓范圍內，LNG的儲存時間越短，蒸發(fā)率也就越大。
3.4 保溫性能的影響
    不同保溫材質LNG儲罐內壓力及蒸發(fā)率的變化規(guī)律如圖7所示。
    保溫材料性能越好，LNG儲罐內升壓及蒸發(fā)率就越小。合理選擇保溫材料對LNG的安全儲存具有重要意義。
 

3.5 含氦量的影響
    不同含氮量LNG儲罐內壓力及蒸發(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LNG儲罐內壓力影響不大，向LNG儲罐內充注氮氣可以有效地降低罐內液體的蒸發(fā)率。
4 結論
    1) 其他條件不變時，隨著儲存時間的增大，LNG儲罐的內部壓力也隨之增大；隨著LNG儲罐直徑的增大，LNG儲罐的內部壓力先減小，而后壓力增加，速率越來越快，這就必然存在一個最優(yōu)直徑使得艙內壓力最小。
    2) LNG密閉儲存時，大型LNG儲罐存在一個合理的充滿率范圍，一般為70.0%～92.7%，當初始充滿率小于這個范圍時，初始充滿率越小，LNG儲罐的安全儲存時間也越短，并隨著初始充滿率增大而增大；當初始充滿率大于這個范圍時，LNG儲罐的安全儲存時間不穩(wěn)定。
    3) 環(huán)境溫度越高，密閉LNG儲罐內的壓力上升越快，LNG儲罐的安全儲存時間越短，蒸發(fā)率越大。這和LNG密閉儲存時冬季儲存時間較長夏季儲存時間較短相一致，為了安全起見，在實際應用時LNG儲罐密閉儲存時間應按照夏天的環(huán)境溫度進行設計。
    4) 密閉LNG儲罐的保溫性能越好，LNG儲罐內的壓力上升越慢，蒸發(fā)率越低，LNG安全密閉儲存時間越長。
    5) 含氮量、外界大氣壓對LNG儲罐內的壓力影響不大；含氮量越高罐內LNG的蒸發(fā)率越低，向LNG儲罐內充注氮氣可以有效降低罐內液體的蒸發(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.中國石油大學(華東)；2.中國石油北京油氣調控中心)