摘 要

摘　要：LNG储罐冷却是LNG接收站投产过程中风险最高、难度最大的环节，为了合理地控制冷却速度、储罐压力，以及选择适当的环境温度以降低BOG的排放量，对地上全容式混凝土顶LNG储罐

摘　要：LNG储罐冷却是LNG接收站投产过程中风险最高、难度最大的环节，为了合理地控制冷却速度、储罐压力，以及选择适当的环境温度以降低BOG的排放量，对地上全容式混凝土顶LNG储罐的冷却过程进行了动态模拟。基于质量、能量守恒原理建立了LNG储罐冷却计算模型，根据甲烷特性参数及大连LNG接收站实际冷却情况确定了冷却计算模型中的相关参数，进而分析了LNG储罐冷却过程中冷却速度、环境温度、储罐压力与LNG需求量、BOG排放量之间的变化规律。结果表明：①随着冷却速度的增大，LNG需求量、BOG排放量逐渐减小，相同储罐温度下，LNG流量逐渐增加，排放BOG流量逐渐减小；②随着环境温度的增大，LNG需求量和流量逐渐增加，BOG排放量和流量也逐渐加；③储罐压力对LNG需求量和BOG排放量影响较小。据此，提出建议：①在LNG接收站对储罐进行冷却时应尽量选择在环境温度较低的冬季，以降低BOG的排放量；②在确保罐内温差正常的情况下，可尽量提高储罐冷却速度至-5K／h，以便减少BOG的排放量，达到节能减排的目的。

关键词：LNG储罐  冷却  冷却速度  环境温度  储罐压力LNG需求量  BOG排放量  计算模型  动态模拟

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

大型常压LNG储罐是LNG接收站最重要的设备单元。国内已建成的LNG接收站都采用了地上全容式混凝土顶储罐(简称FCCR)，其有效容积一般为16×10⁴m³，内罐材质采用9％镍钢，外罐由预应力混凝土材料建成，内罐和外罐均具有独立储存LNG的功能^[1]。LNG储罐的设计压力为-0.5～29.0kPa，其环隙空间以及吊顶板都设有保冷层，以确保在设计环境下储罐的日最大蒸发量不超过储罐容量的0.05％^[2]。LNG接收站运营的前提是LNG储罐的正常投用，而LNG储罐冷却又是整个储罐投用过程中风险最高、难度最大的环节^[3]。因此，将以地上全容式混凝土顶LNG储罐为研究对象，对其冷却过程进行动态模拟研究。

1　冷却过程

1．1　冷却准备

冷却之前需要对LNG储罐进行水压试验、除水、气密试验、干燥和氮气置换，完成以上步骤之后，储罐进入备冷状态。备冷储罐在冷却之前，需要用BOG气体将罐内及环隙的氮气置换排放，同时完成进料总管的冷却和充液。

由于常温下甲烷的密度比氮气小，为了达到较好的置换效果，通常采用上进下排的方式进行氮气置换，同时保证储罐压力稳定^[4]。图l为LNG储罐氮气置换工艺简图，如图l所示，置换用的BOG进入进料总管，通过顶进料管线到达罐内，将罐内的氮气通过MV06阀放空排放，环隙的氮气通过MV07和MV08阀放空排放。在氮气置换过程中定期检查放空处的甲烷含量，当甲烷体积分数达到5％时关闭放空阀门，氮气置换完成。氮气置换的同时，BOG会逐渐完成进料总管的冷却。为了避免管道和支架的应力过大，温降通常控制在-10℃／h以内，当进料总管顶端温度下降至-l00℃时，进料总管冷却完成。当氮气置换和进料总管冷却完成后，便可以对进料总管进行充液。

 

1．2　冷却

进料总管充液完成后即可对储罐进行冷却。储罐的冷却是通过预冷管线喷淋完成。如图1所示，通过调节MV02阀的开度控制进入罐内LNG的流量以达到控制冷却速度的目的，同时冷却过程中产生的BOG气体通过XV04阀所在BOG管线排至BOG总管后进行后续处理^[5]。在冷却过程中，为了避免冷却时应力过大损坏储罐，应严格控制冷却速度。对于全容式混凝土顶储罐，通常要求最大冷却速度不能超过-5K／h，同时还要保证罐内相邻两处测温点的温差小于20℃，任意两点的温差小于50℃。当储罐底部所有测温点都达到-150℃时，储罐冷却完成。

2　冷却计算模型

2．1　建立计算模型

根据开口系统能量方程，建立储罐冷却的计算模型^[6-12]。(图2)，并在该模型中进行如下假设：

 

1)在整个冷却过程中，将储罐内的BOG气体都当做理想气体。

2)提供冷量的LNG进入储罐后瞬间气化并与罐内BOG均匀混合为等温气体。

3)在冷却过程的任何时刻，储罐内不存在温度分层，罐内为等温均质气体。

4)环境与储罐之间的传热为稳态传热过程。

5)整个系统的机械能为0。

6)在所取的微元时间内进入储罐的LNG流量为定值，排出储罐的BOG流量也为定值。

在以上的假设条件下，建立LNG储罐冷却过程的计算模型。

冷却过程中时间(t)与储罐温度(Tt)的关系：

Tt=kt+T0     　　             (1)

式中Tt为t时刻的储罐温度，K；k为储罐的冷却速度，K／h；t为冷却时间，h；T0为储罐冷却前初始温度(假设为环境温度)，K。

冷却过程中取dt时间微元作为研究分析，则在(t+dt)时刻的储罐温度用式(1)表示为：

Tdt＝k(t+dt)+ T0 　　　　　　　(2)

式中Tdt为(t+dt)时刻的储罐温度，K；dt为时间微元，h。

在dt时间微元内质量守恒：

MLtdt=DM+MBtdt       　　       (3)

式中MLt为(t，t+dt)时间内进入储罐的LNG流量，kg／h；DM为(t，t+dt)时间内储罐中BOG的增加量，kg；MBt为(t，t+dt)时间内储罐排出的BOG流量，kg／h。

根据理想气体状态方程pV=nRT可变形为M=pVMmol／RT，得到DM与储罐温度的关系式：

 

式中Mdt为(t+dt)时刻储罐内BOG质量，kg；Mt为t时刻储罐内BOG质量，kg；pt为储罐的绝对压力，kPa；V为储罐的容积，m³；Mmol为罐内BOG的摩尔质量，g／mol；R为摩尔气体常数，8.315J／(mol·K)。

在dt时间微元内能量守恒：

 

式中hL为进入储罐的LNG液体比焓，kJ／kg；F为(t，t+dt)时间段单位时间内传入储罐的热量，kJ／h；hBt为t时刻BOG气体的比焓，kJ／kg；hBd_t为(t+dt)时刻BOG气体的比焓，kJ／kg；DEcv为从t时刻到(t+dt)时刻储罐储存能的增量，kJ。

其中

 

而

 

式中l为单位时间、温差内传入储罐的热量，kJ／(K·h)；Te为环境温度，K；Ai为储罐不同位置的面积，m²；bi为单位时间、温差、面积内传入储罐的热量，kJ／(m²·K·h)。

2．2　模型相关参数的确定

2．2．1k及dt的确定

由于全容式混凝土顶储罐要求其最大冷却速度不能超过-5K／h，所以k的范围为[-5，0]。dt的取值将直接影响到模型的精度，若dt取值过大，则模型的准确性将会下降。通过综合分析，确定以储罐温度每下降lK所用的时间作为dt的取值。表l列出了不同k值对应的dt取值。

再运用matlab拟合出dt与k的关系函数^[13]：

 

 

2．2．2hL、hBt及hBd_t的确定

由于LNG的主要成分为甲烷，所以采用纯甲烷的物性参数来确定hL和hBt^[14]。而国内常压全容式混凝土顶储罐的设计压力一般为-0.50～29.O0kPa(表压)，冷却时的压力通常控制在111.32～l21.32kPa(绝对压力)。表2列出了不同压力下甲烷的饱和温度与比焓值，从表2不难看出压力在l13.24～122.6lkPa时，蒸汽比焓的变化较小，所以取其对应液体比焓的平均值作为hL值，即hL为-280.06kJ／kg。

 

对于hBt的确定，首先通过EPCON Engineer′s Aide Toolbox 7.0软件查询出理想甲烷气体不同温度时所对应的比定压热熔Cp(表3)，再运用matlab拟合出Cp与T的关系函数。

Cp＝2.2×10^-8Ｔ³-6.9×10^-6T²+6.3×10^-4T+2.1　　TÎ[113,310]      (10)

 

其中拟合残差为0.003651。

而理想气体的焓只是温度的函数，并且有：

= Cp                                                     (11)

因此，以式(11)为依据对式(10)求不定积分得：

hBt=5.5×10^-9Ｔt⁴-2.3×10^-6Ｔt³+3.15×10^-4Ｔt²+2.1Ｔt+A           (12)

将113K时甲烷蒸汽比焓为226.08kJ／kg作为式(12)的初始量，带入式(12)得：

hBt=5.5×10^-9Ｔt⁴-2.3×10^-6Ｔt³+3.15×10^-4Ｔt²+2.1Ｔt-12.8        (13)

hdB_t=5.5×10^-9Td_t⁴-2.3×10^-6Td_t³+3.15×10^-4Td_t²+2.1Td_t-12.8           (14)

2．2．3l的确定

16×10⁴m³常压全容式混凝土顶储罐的结构及保温材料都是相同的，因此，以大连LNG接收站T-1201储罐冷却时的数据来确定l。l同时也可作为模型的一个修正参数，使所建立的模型更符合冷却时的实际情况。表4为T-l201储罐冷却的相关数据及对应的l值。

 

将编号1～6所计算出的li通过式(15)求得平均值后作为l的值，即为83624.67kJ／(K·h)。

 

3　动态模拟

3．1　不同冷却速度对进入储罐LNG需求量和BOG排放量的影响

由于冷却速度不同会导致瞬时进入储罐的LNG流量和冷却所需的LNG需求量不同，同时导致瞬时排出储罐的BOG流量和冷却过程总共排出的BOG量也不同。当储罐压力为111kPa，环境温度为293K，储罐冷却初始温度为293K，冷却速度分别为-1.5K／h、-2.5 K／h、-3.5K／h、-4.5K／h时，冷却过程中冷却时间(t)与LNG流量(MLt)、排放BOG流量(MBt)间的关系如图3所示，冷却过程中储罐温度(Tt)与LNG流量(MLt)、排放BOG流量(MBt)间的关系如图4所示。

 

 

由图3、4可知，在储罐压力、环境温度和储罐冷却初始温度相同的情况下，随着冷却速度增大，冷却所用时间逐渐减小，LNG需求量逐渐减小，BOG排放量逐渐减小。当储罐温度相同时，随着冷却速度增大，LNG流量逐渐增加，排放的BOG流量逐渐减小。

3．2　不同环境温度对进入储罐LNG需求量和BOG排放量的影响

由于环境温度的不同会导致单位时间内传入储罐的热量不同，进而导致冷却过程中进入储罐的LNG流量和排出储罐的BOG流量不同。当储罐压力为111kPa，储罐冷却初始温度为273K，冷却速度为-3.5K／h，环境温度分别为273K、283K、293K和303K时，进入储罐的LNG流量和排出储罐的BOG流量随时间的变化趋势如图5所示。

 

图5表明，储罐压力、储罐冷却初始温度、冷却速度相同时，随着环境温度的增加，冷却所需的LNG流量和需求量逐渐增加，BOG流量和排放量也逐渐增加。

3．3　储罐不同压力对进入储罐LNG需求量和BOG排放量的影响

图6为当环境温度为293K、储罐冷却初始温度为273K、冷却速度为-3.5K／h，储罐压力分别为111kPa、116kPa和121kPa时，进入储罐LNG流量和排出储罐BOG流量随时间的变化趋势。由图6可知，储罐压力的变化对进入储罐的LNG需求量和BOG排放量影响很小。

 

4　结论

在建立储罐冷却计算模型和确定了模型中相关参数的基础上，得到了冷却过程中冷却速度、环境温度、储罐压力与LNG流(需求)量、BOG排放流(排放量)量间的变化规律：

1)随着冷却速度的增大，LNG总量逐渐减小，BOG排放量也逐渐减小，相同储罐温度下，LNG流量逐渐增加、排放BOG流量逐渐减小。

2)随着环境温度的增大，LNG需求量和流量逐渐增加，BOG排放量和流量也逐渐加。

3)储罐压力对LNG需求量和BOG排放量影响较小。

存LNG接收站对储罐进行冷却时应尽量选择在环境温度较低的冬季，以降低BOG的排放量。大连LNG接收站储罐实际冷却时发现：随着冷却速度的增大，罐内不同测温点间的温差也会增大，因此，一般将冷却速度控制在-3.5～-4.5K／h范围内比较适合。而在实际冷却过程中，在确保罐内温差正常的情况下可尽量提高储罐冷却速度至-5K／h，以便减少BOG的排放，达到节能减排的目的。

 

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本文作者：陈帅  田士章  魏念鹰

作者单位：中石油大连液化天然气有限公司