LNG汽化站储罐自增压过程动态模拟研究

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-)利用上述计算方法对本文第四章的算例进行计算，得出=0.11465kg/s，与上文模拟计算结果0.11047kg/s对比，误差为3.6%，同时进行了多组验证，发现平均小于5%，足以满足工程要求。增压计算工况分析在LNG汽化站的储罐自增压工艺过程中，增压器的主要功能是保证储罐的压力不低于汽化器中的压力，以保证储罐能够稳定的供气。这需要所选的增压器能够满足以下的两个个要求：（1）稳压供气阶段，储罐的顶部气相空间必须达到设定最低工作压力以上，并且在储罐工作压力范围内输送LNG可以达到安全而快速。（2）预增压阶段，储罐压力能够在一定的时间内提高到设定压力值，但压力上升不能过快，保证储罐安全阀不会段时间超压起跳。（3）能够顺利完成倒罐流程。储存过程中为了保证LNG储罐内各种成分的均匀性，需要隔一段时间对LNG储罐进行倒罐，即从一个储罐内的LNG倒至另一个储罐中，其压力主要来自液位差与自增压器。由于倒罐流程是很长时间进行一次，对其时间要求并不严格，对于一些调峰型汽化站甚至不需要进行倒罐工艺，因此在选型一般不考虑倒罐过程。增压器的选型一般是根据增压时间，自增压流量大小及经济性，安全性等几个方面确定的。下面选取汽化站中最常用的100m3与150m3的LNG储罐，考虑不同工况进行计算。增压计算工况采用预增压工况计算按最低不利工况计算，储罐充满率为40%，初始压力为0.4MPa，环境温度为零下20℃，在20分钟内将储罐压力从0.4MPa增压至0.6MPa计算。按照最优工况计算，储罐充满率最大90%，初始压力为0.4MPa，环境温度为30℃，在20分钟内将储罐压力由0.4MPa增压至0.6MPa计算。考虑不同增压时间，时间分别取10分钟、20分钟、30分钟，储罐充满率为85%，初始压力为0.4MPa，环境温度为20℃，将储罐压力从0.4MPa增压至0.6MPa计算。考虑不同的充满率，充满率分别取70%、80%、90%，初始压力为0.4MPa，环境温度为20℃，在20分钟内将储罐压力从0.4MPa增压至0.6MPa计算。考虑不同的环境温度，环境温度分别取-20℃，0℃，20℃，储罐充满率为85%，初始压力为0.4MPa，环境温度为20℃，在20分钟内将储罐压力从0.4MPa增压至0.6MPa计算。采用稳压工况计算，取供液速率为0.1kg/s。按最低不利工况计算，储罐充满率为40%，初始压力为0.4MPa，环境温度为零下20℃，在20分钟内将储罐压力从0.4MPa增压至0.6MPa计算。按照最优工况计算，储罐充满率最大90%，初始压力为0.4MPa，环境温度为30℃，在20分钟内将储罐压力由0.4MPa增压至0.6MPa计算。考虑不同增压时间，时间分别取10分钟、20分钟、30分钟，储罐充满率为85%，初始压力为0.4MPa，环境温度为20℃，将储罐压力从0.4MPa增压至0.6MPa计算。考虑不同的充满率，充满率分别取70%、80%、90%，初始压力为0.4MPa，环境温度为20℃，在20分钟内将储罐压力从0.4MPa增压至0.6MPa计算。考虑不同的环境温度，环境温度分别取-20℃，0℃，20℃，储罐充满率为85%，初始压力为0.4MPa，环境温度为20℃，在20分钟内将储罐压力从0.4MPa增压至0.6MPa计算。利用以上算法对以上各个工况分别进行计算，为方便选型，天然气密度取0.71kg/m3，将质量流量转化为标准状态下（20℃，0.101325MPa）的体积流量。100m3储罐增压工况计算结果工况1最不利工况下的增压气体体积流量为1217.71Nm3/h；工况2最优工况下的增压气体体积流量为17.51Nm3/h；工况3时间分别取10分钟、20分钟、30分钟时，对应的增压气体体积流量分别为282.66Nm3/h、141.33Nm3/h、94.21Nm3/h；工况4充满率分别取70%、80%、90%时，对应的增压气体体积流量分别为243.21Nm3/h、188.44Nm3/h、94.22Nm3/h；工况5环境温度分别取-20℃，0℃，20℃时，对应的增压气体体积流量分别为209.61Nm3/h、185.15Nm3/h、141.33Nm3/h；工况6最不利工况下的增压气体体积流量为1288.33Nm3/h；工况7最优工况下的增压气体体积流量为81.07Nm3/h；工况8时间分别取10分钟、20分钟、30分钟时，对应的增压气体体积流量分别为361.55Nm3/h、220.22Nm3/h、173.11Nm3/h；工况9充满率分别取70%、80%、90%，对应的增压气体体积流量分别为319.47Nm3/h、267.33Nm3/h、173.14Nm3/h；工况10环境温度分别取-20℃，0℃，20℃时，对应的增压气体体积流量分别为297.60Nm3/h、269.90Nm3/h、220.22Nm3/h。150m3储罐增压工况计算结果工况1最不利工况下的增压气体体积流量为1826.56Nm3/h；工况2最优工况下的增压气体体积流量为26.27Nm3/h；工况3时间分别取10分钟、20分钟、30分钟时，对应的增压气体体积流量分别为423.98Nm3/h、211.99Nm3/h、141.32Nm3/h；工况4充满率分别取70%、80%、90%，对应的增压气体体积流量分别为364.81Nm3/h、282.65Nm3/h、141.32Nm3/h；工况5环境温度分别取-20℃，0℃，20℃时，对应的增压气体体积流量分别为314.40Nm3/h、277.73Nm3/h、211.99Nm3/h；工况6最不利工况下的增压气体体积流量为1932.48Nm3/h；工况7最优工况下的增压气体体积流量为121.60Nm3/h；工况8时间分别取10分钟、20分钟、30分钟时，对应的增压气体体积流量分别为542.32Nm3/h、330.33Nm3/h、259.67Nm3/h；工况9充满率分别取70%、80%、90%，对应的增压气体体积流量分别为479.21Nm3/h、400.99Nm3/h、259.67Nm3/h；工况10环境温度分别取-20℃，0℃，20℃时，对应的增压气体体积流量分别为446.40Nm3/h、404.84Nm3/h、330.33Nm3/h。增压计算结果分析通过上述工况计算，可以发现无论对于100m3储罐还是150m3储罐，增压器的选择范围较大，对于100m3储罐，从17.51Nm3/h到1288.71Nm3/h可选，排出最不利工况与最优工况，选择范围在94.21Nm3/h到361.55Nm3/h之间。对于150m3储罐，从26.27Nm3/h到1932.48Nm3/h可选；排出最不利工况与最优工况，选择范围在141.32Nm3/h到542.32Nm3/h之间。表STYLEREF1\s5SEQ表\*ARABIC\s11各型号增压器的价格表增压器汽化量（Nm3/h）100200300400500价格（元）33506700100501340016750目前，市场上各个型号的增压器价格如图5-1所示，综合工艺要求、经济及安全各方面考虑，得出合理的选型方案：对于100m3储罐，选择汽化量为200Nm3/h或者300Nm3/h的增压器最为合理。对于150m3储罐，选择汽化量为400Nm3/h或者500Nm3/h的增压器最为合理。同时对于不同的增压时间，充满率和环境温度下，增压器的汽化量也不一样，因此，在考虑时应根据需要和地区合理的进行选择计算方法，给出以下选型建议：对于北方地区，由于冬天时间长，室外温度长期保持在零下，因考虑温度的影响，通过计算选择汽化量大一些的增压器。对于充满率经常保持较低的储罐，通过计算需要选择大一些的增压器，对于充满率较大的则反之。对于储罐设计初始压力较高的储罐，通过计算可以选择小一些的增压器，初始压力小的则反之。对于储罐供液量的场站，有些场站出口设置有泵，可以从稳压供气考虑，选择汽化量大一些的增压器，而对于调峰型场站，供气时间集中较短，在平时能够保证储罐高压，可以从稳压不供气考虑，选择增压器。对于储罐供气连续性大，增压时间要求较短的场站，根据计算，需要选用汽化量大一些的增压器。自增压过程的建议LNG汽化站的自增压过程运行过程中出现的主要问题是增压时间过长或者是增压速度过快导致安全阀起跳。结合计算结果，对于LNG汽化站的自增压过程，提出以下建议：（1）合理的选择增压器，对于北方地区，必须考虑环境温度与结霜现象的影响，选用汽化量更大的增压器。对于已经选型建成的汽化站，可以采用强制通风和水冷措施，均可以大幅度提高汽化能力。（2）对于储罐的增压器管道，可以采用控制阀连接，改变工艺管道布置，如图5-1所示，对于需要迅速增压时，可以采用多台增压器同时增压，在需要除霜时，也可以作为备用进行切换使用；对于一些已建成的汽化站，如果选型过小，可以添加一台增压器，通过阀门的开启和关闭实现不同储罐的自增压。储罐增压器1储罐增压器1储罐1储罐增压器2储罐2图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s11储罐增压器流程技术更改图（3）可以在保证安全性的基础上，采用较高的储存压力，这样不但可以减少压力差，还可以提高LNG的储存温度，减小与环境的漏热量与换热量，提高增压气体温度，从而缩短增压时间。（4）改善增压器的设计形式，由计算发现，增压器采用卧式布置，可以增加与储罐之间的液位差，从而增大增压流量；增压器的管道间距不宜布置过窄，会造成周围空气温度过低，增加结霜量；增压器在保证换热量的同时，尽量减小管道流动阻力，对于分流管与汇管做成弯管连接形式，减小管道的局部阻力，可以增大增压器的流量，从而提高增压速度。（5）对增压的监控系统进行改进。在站外天然气的主要管线上增设压力监控设施，以监控站外主要管线的供气压力是否正常，对站内的相关设施进行调整，以满足增压后快速供气的需求。（6）对储罐实现多功能的减压和超压控制。在储罐气相管道上安装减压调节阀，当储罐由于漏热或者增压阀失控等原因造成储罐压力超过设定值时，减压调节阀开启，将储罐内的气体放出，当压力下降到设定值以下时，减压调节阀关闭。对于释放的气体一般不直接排入大气，可以设置BOG储罐回收利用。同时在储罐上安装警报和安全放散阀，当减压阀失灵时，压力达到警报压力，手动开启泄压，当前两者均为开启时，压力超高安全阀设定值，则安全放散阀起跳，保证LNG储罐的运行安全。本章小结本章首先对国内LNG汽化站设计的自增压器选型做了概述，在保证工程误差的范围内，提出了自增压选型的计算方法，并选择了不同的工况进行计算分析，得出了100m3储罐和150m3在增压器的合理方案，并针对选型方面给出了几个可行性建议，同时对自增压的过程提出建议与改进措施。本文首先对天然气混合物的热力学性质和迁移性质的计算模型进行选择，编制了各个物性参数的求解程序，建立了自增压过程中低温储罐的热力学模型，对自增压管路的传热和流阻进行了计算，然后针对具体算例进行了模型的稳态和动态过程求解，最后对储罐增压器的选型进行了计算分析。主要得出以下结论：（1）对于自增压过程遇到的物性参数反向求解问题，可以采用25点法进行二维搜索进行求解，该方法可以保证精度的条件下收敛。从而实现了在自增压过程的数值模拟研究中采用天然气混合物组分的编程求解。（2）对自增压过程中储罐的传热传质建立了模型，针对天然气混合物，对原来的三区模型进行了改进，将储罐分为气相空间，液相空间和气液界面三个区，令泡点温度作为储罐的分界面的温度，解决了气液界面中传热传质的计算问题。（3）通过对增压管路的传热和流阻计算分析，得出了自增压过程中沿增压管路流线方向的压力、温度参数等的变化情况：对于压力，沿程不断降低，但主要压力降发生在增压器管段，气液相管段压力降很小；而对于温度，沿程不断升高，在液相段温度几乎不变，两相段上升最高。（4）通过对自增压过程的动态模拟，得出了自增压过程中压力、温度、流量、气体密度等参数的动态变化曲线：在自增压过程中，储罐气相压力和温度匀速上升；储罐的液位基本保持不变，增压气体流量则略有下降，但下降幅度不大；储罐气体的密度和质量随时间不断增大。（5）对天然气的组成、充满率、初始压力、环境温度、增压器换热这几个影响自增压过程的主要因素进行模拟分析，得出储罐压力随其变化的规律：对于天然气的组成，当增加天然气中的其他烷烃组分时，增压时间减小，而增加氮气成分时，增压时间增大；对于充满率、初始压力和增压器的换热，随着它们的增大储罐自增压时间是大大减小的；对于环境温度，随着温度的增大储罐自增压时间也是减小的，但是变化幅度要小一些。（6）通过对国内LNG汽化站设计资料和文献的分析，对储罐增压器选型提出了具体算法，并利用模拟结果进行验证，能够满足工程误差要求。通过对自增压选型的不同工况进行计算，给出了储罐增压器的选型方面合理方案：对于100m3储罐，选择汽化量为200Nm3/h或者300Nm3/h的增压器最为合理；对于150m3储罐，选择汽化量为400Nm3/h或者500Nm3/h的增压器最为合理。虽然本文对于自增压过程的动态模拟研究取得了一定成果，由于实际的自增压过程本身十分复杂，对储罐自增压过程的模型求解做了适度简化，仍存在许多的不足，针对自增压领域的研究，认为还可以在以下内容展开：对于储罐的热力学模型，本文基于三区模型进行建模求解，该模型是将储罐内部分为气相空间，液相空间以及气液界面三个区间。虽然该模型广泛应用于储罐无损贮存中，但是与实际自增压过程仍然存在一定的误差，对于今后的研究可以能将储罐内部气、液区间与边界层的温度分层进一步细化研究，得出储罐内部的温度、压力分布图，则模拟更为准确。学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的学位论文《LNG汽化站储罐自增压过程动态模拟研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨工业大学攻读学位期间独立进行研究工作所取得的成果，且学位论文中除已标注引用文献的部分外不包含他人完成或已发表的研究成果。对本学位论文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。作者签名：日期：2014年6月28日学位论文使用权限学位论文是研究生在哈尔滨工业大学攻读学位期间完成的成果，知识产权归属哈尔滨工业大学。学位论文的使用权限如下：（1）学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文，并向国家图书馆报送学位论文；（2）学校可以将学位论文部分或全部内容编入有关数据库进行检索和提供相应阅览服务；（3）研究生毕业后发表与此学位论文研究成果相关的学术论文和其他成果时，应征得导师同意，且第一署名单位为哈尔滨工业大学。保密论文在保密期内遵守有关保密规定，解密后适用于此使用权限规定。本人知悉学位论文的使用权限，并将遵守有关规定。作者签名：日期：2014年6月28日导师签名：日期：2014年6月28日时光如水，岁月如梭，转眼就到了毕业的季节。六年，北国冰城松花