LNG常压储罐预冷热力分析

摘 要

摘　要：对LNG常压储罐预冷进行热力分析，得到定压下LNG储罐液氮质量流量与储罐温度的关系、预冷时间与储罐温度的关系，探讨了LNG储罐实际预冷过程控制。关键词：LNG常压储罐； 热力

摘　要：对LNG常压储罐预冷进行热力分析，得到定压下LNG储罐液氮质量流量与储罐温度的关系、预冷时间与储罐温度的关系，探讨了LNG储罐实际预冷过程控制。

关键词：LNG常压储罐；  热力分析；  预冷

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年全国多个大中城市出现了严重气荒情况，杭州市也未能幸免。2009年底杭州市启动了杭州市西部应急气源站工程的建设，经过两年的建设，2011年12月5日开始对5000m3常压低温储罐进行预冷，经过20 d的预冷调试，于2011年12月28日完成LNG的进液。对于大型常压LNG储罐的预冷常直接采用LNG进行预冷，但城市燃气工程考虑到安全、成本等因素，一般都采用液氮先行预冷，而后再利用LNG对液氮进行置换。常压下液氮的沸点为一195．81 0E，要使LNG储罐内存有液氮，罐内的温度必须低于-195.81℃。而初始状态罐内的空气和罐壁温度为室外温度，这就需要利用液氮气化吸热降低罐内温度，同时把罐内的空气置换出去。在储罐预冷过程中，液氮进入罐内气化吸热，和空气混合后，一起从罐顶排气阀排出。当进液量大于排气量时，罐内压力会升高，易造成储罐超压及内罐焊缝拉裂。相反，如果进液量太小，则预冷时间和成本增加。因此控制合理的液氮流量不仅可以保证安全操作，而且可以缩短预冷时间。本文通过对常压储罐的预冷实践和热力计算以及在稳压情况下预冷参数之间的关系进行分析，进而安全经济地控制预冷进程。

2　预冷热力计算和分析

①预冷热力计算模型

方程推导基本假设：a．LNG储罐保冷效果很好，为绝热状态；b．LNG储罐预冷过程中工作压力保持不变；c．不考虑储罐内气体、排出气体的组成变化，储罐预冷过程中采用液氮，计算过程只考虑氮气热交换。由此可导出储罐预冷时液氮流量与储罐温度以及储罐温度与预冷时间的函数关系。

LNG储罐内气体状态方程：

pV＝mRNT   　　　 (1)

式中p——工况下储罐内气体的绝对压力，Pa

V——储罐容积，m3，取5000m3

m——储罐内气体的质量，kg

RN——氮气气体常数，J／(kg·K)

T——工况下储罐内气体的温度，K

对方程(1)取微分，得：

 

式(2)表示在压力和体积不变的条件下，储罐内气体温度变化和质量变化的关系。

由物料平衡可知，进入储罐的液氮质量应该等于排出的气体质量加上储罐内气体的质量变化量。瞬态下的物料平衡方程式为：

qmdt＝qmodt+dm  　　  (3)

式中qm——液氮质量流量，kg／s

t——储罐预冷时间，s

qmo——排气出口质量流量，kg/s

将式(2)代入式(3)，得：

 

根据假设，储罐为绝热状态。瞬时状态下，储罐内的热量保持平衡，可列出瞬时的热量平衡方程式。

设dt时间内温度降低了dT，则液氮气化吸收的热量为：

Q1＝rqmdt 　　　   (5)

式中Q1——液氮气化吸收的热量，kJ

r——液氮气化潜热，kJ／kg

氮气升温吸收的热量为：

Q2＝c2qm(T-TN)dt    (6)

式中Q2——氮气升温吸收的热量，kJ

C2——氮气的比定压热容，kJ／(kg·K)

TN——氮气的沸点，K

罐体降温放出的热量为：

Q3＝-ac3m3dT      (7)

式中Q3——罐体降温放出的热量，kJ

a——保冷材料放热的当量系数，取1.5

c3——内筒材料的比热容，kJ／(kg·K)

m3——内筒材料的质量，kg

罐内气体降温放出的热量为：

 

式中Q4——罐内气体降温放出的热量，kJ

C4——罐内气体比定压热容，kJ／(kg·K)，可取c4＝c2

热量平衡方程式[1]：

Q1+Q2+Q3+Q4=0        (9)

将式(5)～(8)代入式(9)，整理得：

 

②液氮流量与储罐温度的关系令：

 

将式(10)、(11)代入式(4)，整理得：

 

排气出口体积流量理论计算时基本考虑为常量，且存在关系：

 

式中qV——排气出口体积流量(折算成标准状态)，m3／s

将式(13)代入(12)得到：

 

式(14)反映了LNG储罐预冷时液氮流量与储罐温度的函数关系。液氮流量与罐内压力成相同趋势，液氮流量过大，则罐内压力迅速上升，局部温降过快，势必造成储罐焊缝拉裂；由于预冷过快的危害性限制，所以按式(14)可计算出流量的上限，液氮流量不能过大。

③储罐温度与预冷时间的关系

将式(14)代入式(10)，整理得：

 

式(15)反映了储罐温度与预冷时间的函数关系，可作为制定LNG储罐液氮预冷方案的理论依据。

3　储罐预冷实际数据验算分析

根据杭州市西部应急气源站常压罐内筒容积、材料和质量、常压罐的排气阀口径，通过上述公式计算预冷时的操作曲线。将呼吸阀作为排气阀，取预冷时储罐的绝对压力p＝1.06×105Pa，根据阀门厂家提供的排气阀排量的经验公式，排气阀的排量为：

 

式中qV——常压罐排气阀的排量(折算成标准状态)，m3／s

pc——常压罐绝对压力，kPa

x——摩阻参数，N·s／g，取4N·s／g

p——氮气的密度(标准状态下)，kg／m3，取1.25kg／m3

d——常压罐排气阀内径，m，取0.2m

将上述参数代入式(16)，经过计算得到qVp＝0.33284m3／s。

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

将参数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)即为常压罐预冷液氮流量qm与罐内温度T的关系。把上述各参数代入式(15)得：

 

积分得：

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

初始条件：

t＝0s时，T＝283.15K。

解得：

C＝-1313543.7

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

式(18)表示了常压罐预冷时间t与罐内温度T的关系。

图1表示了式(17)和式(18)代表的曲线关系。

 

由图1曲线可以看出：

①储罐预冷总共耗时约35h。

②液氮流量随温度降低而增加。

③温度降低速率随时间增加而减小。

4　预冷实际过程控制

杭州市西部应急气源站的储罐为常压立式储罐，直径为20m，筒体高15m，几何容积为5000m3，内筒体材料为不锈钢，顶部装有安全阀和排气阀，内罐侧壁设有7个温度测点，从底部往上每隔2m一个，内罐底部也呈梅花状布置了7个温度测点。预冷时将排气阀作为出气口，预冷时常压罐的绝对压力设定为p＝1.06×105Pa。

在采用液氮预冷的过程中，根据储罐生产厂家经验数据，通过对罐内温度测点的监控，控制预冷过程中的温降速率不大于5℃／h，控制液氮的进液质量流量。具体设定参数如下：

①内筒各温度测点之间的最大温差大于50℃时，监控系统自动报警；

②内筒任意相邻温度测点之间的温差大于20℃时，监控系统自动报警；

③内筒任意温度测点的温降速率大于8℃／h时，监控系统自动报警，采集频率为每15min一次：

④内筒任意温度测点的温降速率大于5℃／h时，监控系统自动报警，采集频率为每1h一次；

经过44h的预冷，最终达到储罐积液效果，储罐预冷完成。

5　结论与建议

①理论上每1h温降控制在6℃比较合适，但实际操作过程中由于受到压力变化以及液氮的供应量的变化等人为因素的影响，实际很难准确控制进液质量流量以及罐内压力恒定。从实际预冷过程中记录的数据图表分析，本项目的预冷温降速率控制相对比较保守。

②液氮流量随温度降低而增加。这表明随着温度的降低，在保持罐内压力不变的条件下，应不断增加液氮的流量。

③温度降低速度随时间增加而减小。这表明，在液氮质量流量恒定、罐内压力不变的条件下，降温速率随时间的增加而减小。

④在储罐液氮预冷的临时管道上建议增加液氮流量计，方便及时调整预冷过程中的液氮流量。

 

参考文献：

[1]邱信立，廉乐明，李力能．工程热力学[M]．北京：中国建筑工业出版社，1992：100-105．

 

 

 

本文作者：王忠平  俞建国  吴军贵

作者单位：杭州市燃气集团有限公司