摘 要

摘　要：對(duì)LNG常壓儲(chǔ)罐預(yù)冷進(jìn)行熱力分析，得到定壓下LNG儲(chǔ)罐液氮質(zhì)量流量與儲(chǔ)罐溫度的關(guān)系、預(yù)冷時(shí)間與儲(chǔ)罐溫度的關(guān)系，探討了LNG儲(chǔ)罐實(shí)際預(yù)冷過(guò)程控制。關(guān)鍵詞：LNG常壓儲(chǔ)罐； 熱力

摘　要：對(duì)LNG常壓儲(chǔ)罐預(yù)冷進(jìn)行熱力分析，得到定壓下LNG儲(chǔ)罐液氮質(zhì)量流量與儲(chǔ)罐溫度的關(guān)系、預(yù)冷時(shí)間與儲(chǔ)罐溫度的關(guān)系，探討了LNG儲(chǔ)罐實(shí)際預(yù)冷過(guò)程控制。

關(guān)鍵詞：LNG常壓儲(chǔ)罐；  熱力分析；  預(yù)冷

Thermodynamic Analysis on Precooling of LNG Atmospheric Storage Tank

Abstract：The precooling of LNG atmospheric storage tank is thermodynamically analyzed．The relationship between liquid nitrogen mass flow rate and storage tank temperature，relationship between precooling time of LNG storage tank and storage tank temperature under the constant pressure condition are obtained．The actual precooling process control of LNG storage tank is discussed．

Keywords：LNG atmospheric storage tank；thermodynamic analysis；precooling

 

1　概述

2009年全國(guó)多個(gè)大中城市出現(xiàn)了嚴(yán)重氣荒情況，杭州市也未能幸免。2009年底杭州市啟動(dòng)了杭州市西部應(yīng)急氣源站工程的建設(shè)，經(jīng)過(guò)兩年的建設(shè)，2011年12月5日開(kāi)始對(duì)5000m³常壓低溫儲(chǔ)罐進(jìn)行預(yù)冷，經(jīng)過(guò)20 d的預(yù)冷調(diào)試，于2011年12月28日完成LNG的進(jìn)液。對(duì)于大型常壓LNG儲(chǔ)罐的預(yù)冷常直接采用LNG進(jìn)行預(yù)冷，但城市燃?xì)夤こ炭紤]到安全、成本等因素，一般都采用液氮先行預(yù)冷，而后再利用LNG對(duì)液氮進(jìn)行置換。常壓下液氮的沸點(diǎn)為一195．81 0E，要使LNG儲(chǔ)罐內(nèi)存有液氮，罐內(nèi)的溫度必須低于-195.81℃。而初始狀態(tài)罐內(nèi)的空氣和罐壁溫度為室外溫度，這就需要利用液氮?dú)饣鼰峤档凸迌?nèi)溫度，同時(shí)把罐內(nèi)的空氣置換出去。在儲(chǔ)罐預(yù)冷過(guò)程中，液氮進(jìn)入罐內(nèi)氣化吸熱，和空氣混合后，一起從罐頂排氣閥排出。當(dāng)進(jìn)液量大于排氣量時(shí)，罐內(nèi)壓力會(huì)升高，易造成儲(chǔ)罐超壓及內(nèi)罐焊縫拉裂。相反，如果進(jìn)液量太小，則預(yù)冷時(shí)間和成本增加。因此控制合理的液氮流量不僅可以保證安全操作，而且可以縮短預(yù)冷時(shí)間。本文通過(guò)對(duì)常壓儲(chǔ)罐的預(yù)冷實(shí)踐和熱力計(jì)算以及在穩(wěn)壓情況下預(yù)冷參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析，進(jìn)而安全經(jīng)濟(jì)地控制預(yù)冷進(jìn)程。

2　預(yù)冷熱力計(jì)算和分析

①預(yù)冷熱力計(jì)算模型

方程推導(dǎo)基本假設(shè)：a．LNG儲(chǔ)罐保冷效果很好，為絕熱狀態(tài)；b．LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷過(guò)程中工作壓力保持不變；c．不考慮儲(chǔ)罐內(nèi)氣體、排出氣體的組成變化，儲(chǔ)罐預(yù)冷過(guò)程中采用液氮，計(jì)算過(guò)程只考慮氮?dú)鉄峤粨Q。由此可導(dǎo)出儲(chǔ)罐預(yù)冷時(shí)液氮流量與儲(chǔ)罐溫度以及儲(chǔ)罐溫度與預(yù)冷時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)氣體狀態(tài)方程：

pV＝mRNT   　　　 (1)

式中p——工況下儲(chǔ)罐內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力，Pa

V——儲(chǔ)罐容積，m³，取5000m³

m——儲(chǔ)罐內(nèi)氣體的質(zhì)量，kg

RN——氮?dú)鈿怏w常數(shù)，J／(kg·K)

T——工況下儲(chǔ)罐內(nèi)氣體的溫度，K

對(duì)方程(1)取微分，得：

 

式(2)表示在壓力和體積不變的條件下，儲(chǔ)罐內(nèi)氣體溫度變化和質(zhì)量變化的關(guān)系。

由物料平衡可知，進(jìn)入儲(chǔ)罐的液氮質(zhì)量應(yīng)該等于排出的氣體質(zhì)量加上儲(chǔ)罐內(nèi)氣體的質(zhì)量變化量。瞬態(tài)下的物料平衡方程式為：

qmdt＝qmodt+dm  　　  (3)

式中qm——液氮質(zhì)量流量，kg／s

t——儲(chǔ)罐預(yù)冷時(shí)間，s

qmo——排氣出口質(zhì)量流量，kg/s

將式(2)代入式(3)，得：

 

根據(jù)假設(shè)，儲(chǔ)罐為絕熱狀態(tài)。瞬時(shí)狀態(tài)下，儲(chǔ)罐內(nèi)的熱量保持平衡，可列出瞬時(shí)的熱量平衡方程式。

設(shè)dt時(shí)間內(nèi)溫度降低了dT，則液氮?dú)饣盏臒崃繛椋?span lang="EN-US">

Q1＝rqmdt 　　　   (5)

式中Q1——液氮?dú)饣盏臒崃浚?span lang="EN-US">kJ

r——液氮?dú)饣瘽摕幔?span lang="EN-US">kJ／kg

氮?dú)馍郎匚盏臒崃繛椋?span lang="EN-US">

Q2＝c2qm(T-TN)dt    (6)

式中Q2——氮?dú)馍郎匚盏臒崃浚?span lang="EN-US">kJ

C2——氮?dú)獾谋榷▔簾崛荩?span lang="EN-US">kJ／(kg·K)

TN——氮?dú)獾姆悬c(diǎn)，K

罐體降溫放出的熱量為：

Q3＝-ac3m3dT      (7)

式中Q3——罐體降溫放出的熱量，kJ

a——保冷材料放熱的當(dāng)量系數(shù)，取1.5

c3——內(nèi)筒材料的比熱容，kJ／(kg·K)

m3——內(nèi)筒材料的質(zhì)量，kg

罐內(nèi)氣體降溫放出的熱量為：

 

式中Q4——罐內(nèi)氣體降溫放出的熱量，kJ

C4——罐內(nèi)氣體比定壓熱容，kJ／(kg·K)，可取c4＝c2

熱量平衡方程式^[1]：

Q1+Q2+Q3+Q4=0        (9)

將式(5)～(8)代入式(9)，整理得：

 

②液氮流量與儲(chǔ)罐溫度的關(guān)系令：

 

將式(10)、(11)代入式(4)，整理得：

 

排氣出口體積流量理論計(jì)算時(shí)基本考慮為常量，且存在關(guān)系：

 

式中qV——排氣出口體積流量(折算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，m³／s

將式(13)代入(12)得到：

 

式(14)反映了LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷時(shí)液氮流量與儲(chǔ)罐溫度的函數(shù)關(guān)系。液氮流量與罐內(nèi)壓力成相同趨勢(shì)，液氮流量過(guò)大，則罐內(nèi)壓力迅速上升，局部溫降過(guò)快，勢(shì)必造成儲(chǔ)罐焊縫拉裂；由于預(yù)冷過(guò)快的危害性限制，所以按式(14)可計(jì)算出流量的上限，液氮流量不能過(guò)大。

③儲(chǔ)罐溫度與預(yù)冷時(shí)間的關(guān)系

將式(14)代入式(10)，整理得：

 

式(15)反映了儲(chǔ)罐溫度與預(yù)冷時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，可作為制定LNG儲(chǔ)罐液氮預(yù)冷方案的理論依據(jù)。

3　儲(chǔ)罐預(yù)冷實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)算分析

根據(jù)杭州市西部應(yīng)急氣源站常壓罐內(nèi)筒容積、材料和質(zhì)量、常壓罐的排氣閥口徑，通過(guò)上述公式計(jì)算預(yù)冷時(shí)的操作曲線(xiàn)。將呼吸閥作為排氣閥，取預(yù)冷時(shí)儲(chǔ)罐的絕對(duì)壓力p＝1.06×10⁵Pa，根據(jù)閥門(mén)廠(chǎng)家提供的排氣閥排量的經(jīng)驗(yàn)公式，排氣閥的排量為：

 

式中qV——常壓罐排氣閥的排量(折算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，m³／s

pc——常壓罐絕對(duì)壓力，kPa

x——摩阻參數(shù)，N·s／g，取4N·s／g

p——氮?dú)獾拿芏?span lang="EN-US">(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)，kg／m³，取1.25kg／m³

d——常壓罐排氣閥內(nèi)徑，m，取0.2m

將上述參數(shù)代入式(16)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到qVp＝0.33284m³／s。

將參數(shù)RN＝296.95J／(kg·K)，p＝1.06×10⁵Pa，V=5000m³代入式(11)，可得到b＝1.78×10⁶kg·K。

將參數(shù)b以及a＝1.5，m3＝105×10³kg，c2＝c4＝0.741kJ／(kg·K)，c3＝0.921kJ／(kg·K)，r＝201kJ／kg，TN＝77.34K代入式(14)得：

 

式(17)即為常壓罐預(yù)冷液氮流量qm與罐內(nèi)溫度T的關(guān)系。把上述各參數(shù)代入式(15)得：

 

積分得：

t＝-1450.58[283-184.271n(T+193.4)-9.131nT]+C

初始條件：

t＝0s時(shí)，T＝283.15K。

解得：

C＝-1313543.7

T＝-1450.58[283-184.271n(T+193.4)-9.131nT]-1313543.7 　　   (18)

式(18)表示了常壓罐預(yù)冷時(shí)間t與罐內(nèi)溫度T的關(guān)系。

圖1表示了式(17)和式(18)代表的曲線(xiàn)關(guān)系。

 

由圖1曲線(xiàn)可以看出：

①儲(chǔ)罐預(yù)冷總共耗時(shí)約35h。

②液氮流量隨溫度降低而增加。

③溫度降低速率隨時(shí)間增加而減小。

4　預(yù)冷實(shí)際過(guò)程控制

杭州市西部應(yīng)急氣源站的儲(chǔ)罐為常壓立式儲(chǔ)罐，直徑為20m，筒體高15m，幾何容積為5000m³，內(nèi)筒體材料為不銹鋼，頂部裝有安全閥和排氣閥，內(nèi)罐側(cè)壁設(shè)有7個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，從底部往上每隔2m一個(gè)，內(nèi)罐底部也呈梅花狀布置了7個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。預(yù)冷時(shí)將排氣閥作為出氣口，預(yù)冷時(shí)常壓罐的絕對(duì)壓力設(shè)定為p＝1.06×10⁵Pa。

在采用液氮預(yù)冷的過(guò)程中，根據(jù)儲(chǔ)罐生產(chǎn)廠(chǎng)家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)罐內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)的監(jiān)控，控制預(yù)冷過(guò)程中的溫降速率不大于5℃／h，控制液氮的進(jìn)液質(zhì)量流量。具體設(shè)定參數(shù)如下：

①內(nèi)筒各溫度測(cè)點(diǎn)之間的最大溫差大于50℃時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警；

②內(nèi)筒任意相鄰溫度測(cè)點(diǎn)之間的溫差大于20℃時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警；

③內(nèi)筒任意溫度測(cè)點(diǎn)的溫降速率大于8℃／h時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，采集頻率為每15min一次：

④內(nèi)筒任意溫度測(cè)點(diǎn)的溫降速率大于5℃／h時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，采集頻率為每1h一次；

經(jīng)過(guò)44h的預(yù)冷，最終達(dá)到儲(chǔ)罐積液效果，儲(chǔ)罐預(yù)冷完成。

5　結(jié)論與建議

①理論上每1h溫降控制在6℃比較合適，但實(shí)際操作過(guò)程中由于受到壓力變化以及液氮的供應(yīng)量的變化等人為因素的影響，實(shí)際很難準(zhǔn)確控制進(jìn)液質(zhì)量流量以及罐內(nèi)壓力恒定。從實(shí)際預(yù)冷過(guò)程中記錄的數(shù)據(jù)圖表分析，本項(xiàng)目的預(yù)冷溫降速率控制相對(duì)比較保守。

②液氮流量隨溫度降低而增加。這表明隨著溫度的降低，在保持罐內(nèi)壓力不變的條件下，應(yīng)不斷增加液氮的流量。

③溫度降低速度隨時(shí)間增加而減小。這表明，在液氮質(zhì)量流量恒定、罐內(nèi)壓力不變的條件下，降溫速率隨時(shí)間的增加而減小。

④在儲(chǔ)罐液氮預(yù)冷的臨時(shí)管道上建議增加液氮流量計(jì)，方便及時(shí)調(diào)整預(yù)冷過(guò)程中的液氮流量。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]邱信立，廉樂(lè)明，李力能．工程熱力學(xué)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992：100-105．

 

 

 

本文作者：王忠平  俞建國(guó)  吳軍貴

作者單位：杭州市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司