地上全容式混凝土頂LNG儲罐的冷卻動態(tài)模擬

摘 要

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

摘　要：LNG儲罐冷卻是LNG接收站投產(chǎn)過程中風(fēng)險最高、難度最大的環(huán)節(jié)，為了合理地控制冷卻速度、儲罐壓力，以及選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度以降低BOG的排放量，對地上全容式混凝土頂LNG儲罐的冷卻過程進(jìn)行了動態(tài)模擬?；谫|(zhì)量、能量守恒原理建立了LNG儲罐冷卻計算模型，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算模型中的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而分析了LNG儲罐冷卻過程中冷卻速度、環(huán)境溫度、儲罐壓力與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，相同儲罐溫度下，LNG流量逐漸增加，排放BOG流量逐漸減??；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。據(jù)此，提出建議：①在LNG接收站對儲罐進(jìn)行冷卻時應(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儲罐  冷卻  冷卻速度  環(huán)境溫度  儲罐壓力LNG需求量  BOG排放量  計算模型  動態(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儲罐冷卻又是整個儲罐投用過程中風(fēng)險最高、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、除水、氣密試驗、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，同時保證儲罐壓力穩(wěn)定[4]。圖l為LNG儲罐氮?dú)庵脫Q工藝簡圖，如圖l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％時關(guān)閉放空閥門，氮?dú)庵脫Q完成。氮?dú)庵脫Q的同時，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?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，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，儲罐冷卻完成。

2　冷卻計算模型

2．1　建立計算模型

根據(jù)開口系統(tǒng)能量方程，建立儲罐冷卻的計算模型[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)整個系統(tǒng)的機(jī)械能為0。

6)在所取的微元時間內(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儲罐冷卻過程的計算模型。

冷卻過程中時間(t)與儲罐溫度(Tt)的關(guān)系：

Tt=kt+T0     　　             (1)

式中Tt為t時刻的儲罐溫度，K；k為儲罐的冷卻速度，K／h；t為冷卻時間，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dt時間微元作為研究分析，則在(t+dt)時刻的儲罐溫度用式(1)表示為：

Tdt＝k(t+dt)+ T0 　　　　　　　(2)

式中Tdt為(t+dt)時刻的儲罐溫度，K；dt為時間微元，h。

在dt時間微元內(nèi)質(zhì)量守恒：

MLtdt=DM+MBtdt       　　       (3)

式中MLt為(t，t+dt)時間內(nèi)進(jìn)入儲罐的LNG流量，kg／h；DM為(t，t+dt)時間內(nèi)儲罐中BOG的增加量，kg；MBt為(t，t+dt)時間內(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DM與儲罐溫度的關(guān)系式：

 

式中Mdt為(t+dt)時刻儲罐內(nèi)BOG質(zhì)量，kg；Mt為t時刻儲罐內(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dt時間微元內(nèi)能量守恒：

 

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

其中

 

而

 

式中l為單位時間、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；bi為單位時間、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

2．2．1k及dt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lK所用的時間作為dt的取值。表l列出了不同k值對應(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hBdt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)計壓力一般為-0.50～29.O0kPa(表壓)，冷卻時的壓力通?？刂圃?span lang="EN-US">111.32～l21.32kPa(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l13.24～122.6lkPa時，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。

 

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)。

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)

hdBt=5.5×10-9Tdt4-2.3×10-6Tdt3+3.15×10-4Tdt2+2.1Tdt-12.8           (14)

2．2．3l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儲罐冷卻時的數(shù)據(jù)來確定l。l同時也可作為模型的一個修正參數(shù)，使所建立的模型更符合冷卻時的實(shí)際情況。表4為T-l201儲罐冷卻的相關(guān)數(shù)據(jù)及對應(yīng)的l值。

 

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

 

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)致瞬時進(jìn)入儲罐的LNG流量和冷卻所需的LNG需求量不同，同時導(dǎo)致瞬時排出儲罐的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293K，儲罐冷卻初始溫度為293K，冷卻速度分別為-1.5K／h、-2.5 K／h、-3.5K／h、-4.5K／h時，冷卻過程中冷卻時間(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。

 

 

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，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，進(jìn)入儲罐的LNG流量和排出儲罐的BOG流量隨時間的變化趨勢如圖5所示。

 

圖5表明，儲罐壓力、儲罐冷卻初始溫度、冷卻速度相同時，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，進(jìn)入儲罐LNG流量和排出儲罐BOG流量隨時間的變化趨勢。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。

 

4　結(jié)論

在建立儲罐冷卻計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。

存LNG接收站對儲罐進(jìn)行冷卻時應(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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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