摘 要

摘　要：針對(duì)現(xiàn)有LNG儲(chǔ)罐蒸發(fā)率測(cè)量的局限性，基于LNG常壓儲(chǔ)罐的日常運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)稱重法和蒸氣流量法分別測(cè)量?jī)?chǔ)罐的蒸發(fā)率，分析充滿率及環(huán)境溫度等對(duì)蒸發(fā)率的影響。充滿率在75％～55

摘　要：針對(duì)現(xiàn)有LNG儲(chǔ)罐蒸發(fā)率測(cè)量的局限性，基于LNG常壓儲(chǔ)罐的日常運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)稱重法和蒸氣流量法分別測(cè)量?jī)?chǔ)罐的蒸發(fā)率，分析充滿率及環(huán)境溫度等對(duì)蒸發(fā)率的影響。充滿率在75％～55％時(shí)，對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)率呈先降低再升高的趨勢(shì)。環(huán)境溫度越高，BOG產(chǎn)生量越大，蒸發(fā)率越高，密閉LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力上升越快。儲(chǔ)罐漏熱量越大，外界擾動(dòng)越大，蒸發(fā)率越高。

關(guān)鍵詞：LNG常壓儲(chǔ)罐  蒸發(fā)率  環(huán)境溫度  充滿率

Evaporation Rate Measurement of LNG Atmospheric Tank and Analysis of Influencing Factors

Abstract：Aiming at the limitations of evaporation rate measurement of existing LNG storage tank，based on the daily operation data of LNG atmospheric storage tank，the evaporation rate of the storage tank is measured respectively by the weighing method and steanl flow method，and the influences of filling rate and environmental temperature Oil the evaporation rate are analyzed．When the filling rate is between 75％ and 55％，the corresponding evaporation rate shows a trend that first decreases and then increases．The higher the environmental temperature，the greater the BOG quantity，and the higher the evaporation rate，the faster the rise of pressure inside he sealed LNG storage tank．The greater the storage tank heat leakage，or the larger the external perturbation，the higher the evaporation rate．

Keywords：LNG atmospheric tank  evaporation rate　environmental temperature；filling rate

 

1　概述

隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)和相關(guān)技術(shù)的成熟，近年來(lái)中國(guó)LNG工業(yè)正逐步興起，并形成了一些發(fā)展LNG產(chǎn)業(yè)的有利條件。LNG的體積約為同等質(zhì)量天然氣體積的1／600，可以節(jié)約儲(chǔ)運(yùn)空間和成本。天然氣在液化時(shí)除去了雜質(zhì)，故LNG是一種清潔、高效的能源，是優(yōu)質(zhì)的工業(yè)與民用燃料^[1]。LNG儲(chǔ)罐作為LNG儲(chǔ)存系統(tǒng)的核心設(shè)備，其良好的性能是保證整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。蒸發(fā)率作為儲(chǔ)罐的主要性能指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行研究有著重要的意義。由于設(shè)備局限，目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有文獻(xiàn)多停留于理論方法及實(shí)驗(yàn)研究層面，對(duì)實(shí)際工況中的蒸發(fā)率及其影響因素缺乏直觀的了解。本文以杭州市西部LNG氣化站4500m³的常壓LNG儲(chǔ)罐為例，計(jì)算它的蒸發(fā)率，分析溫度及充滿率對(duì)蒸發(fā)率的影響，從而對(duì)儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)以及LNG的高效、安全儲(chǔ)存有一定的借鑒意義。

2　蒸發(fā)率測(cè)量

本文研究的LNG儲(chǔ)罐為有效容積4500m³的地上型單容罐。該LNG儲(chǔ)罐為常壓罐，設(shè)計(jì)壓力為20kPa，工作壓力為l0kPa，設(shè)計(jì)溫度為-196～38℃。內(nèi)筒主要由頂蓋、簡(jiǎn)體和底板組成，結(jié)構(gòu)為平底圓拱型儲(chǔ)罐，材質(zhì)均采用奧氏體不銹鋼。外筒也主要由頂蓋、簡(jiǎn)體和底板組成，結(jié)構(gòu)與內(nèi)筒類似，材質(zhì)為Q345R。外筒與內(nèi)筒間的空間為真空絕熱層，厚度為lm，夾層空間約1828m³，其中充滿堆密度為40～60kg／m³的珠光砂作為絕熱材料。受罐體絕熱材料的限制，外界熱量通過(guò)罐壁、罐頂及罐底等部位傳至儲(chǔ)罐內(nèi)，LNG吸收來(lái)自外界的熱量后溫度不斷上升，當(dāng)打破儲(chǔ)罐內(nèi)的氣液平衡時(shí)，LNG便由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣(BOG)。

站里日常記錄的數(shù)據(jù)主要包括：溫度計(jì)測(cè)得的溫度，液位計(jì)測(cè)得的LNC液位高度，流最計(jì)測(cè)得的BOG的排放量。測(cè)量開始時(shí)間為每天上午8時(shí)。

2．1　測(cè)量方法

在測(cè)量過(guò)程中，主要測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)壓力、溫度及LNG儲(chǔ)罐的蒸發(fā)率。LNG儲(chǔ)罐的蒸發(fā)率是指儲(chǔ)罐的靜態(tài)日蒸發(fā)率(依據(jù)GB l8442—2011《固定式真空絕熱深冷壓力容器》，以下簡(jiǎn)稱蒸發(fā)率)，即低溫絕熱儲(chǔ)罐在裝有大于1／2有效容積的LNG時(shí)，靜置達(dá)到熱平衡后，24h內(nèi)自然蒸發(fā)損失的LNG液體質(zhì)量與容器有效容積下低溫液體質(zhì)量之比，換算為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下(20℃，101.325kPa)的蒸發(fā)率值。蒸發(fā)率能較為直觀地反映儲(chǔ)罐使用時(shí)的保冷性能。目前，測(cè)試低溫液體蒸發(fā)率主要有3種方法^[2]：稱重法、蒸氣流量法、自然升壓法。其中，自然升壓法就是設(shè)備在低溫液體充分冷卻后，關(guān)閉所有閥門，不允許氣體排出，熱流進(jìn)入設(shè)備，使部分低溫液體蒸發(fā)。根據(jù)壓力升高的幅度和時(shí)間，計(jì)算出設(shè)備的蒸發(fā)率。而實(shí)際工況中無(wú)法做到密閉狀態(tài)，故不采用自然升壓法進(jìn)行蒸發(fā)率測(cè)試。下面主要介紹分別用稱重法和蒸氣流量法對(duì)4500m³單容常壓罐測(cè)量其蒸發(fā)率。

2．1．1稱重法

稱重法就是用衡器直接稱量低溫液體容器的質(zhì)量，保持容器內(nèi)的壓力恒定，在熱平衡條件下，24h測(cè)試一次，前后兩次稱量的質(zhì)量之差，即是蒸發(fā)的液體質(zhì)量。對(duì)于大型常壓儲(chǔ)罐，可近似認(rèn)為容器內(nèi)的壓力恒定，其質(zhì)量則可以通過(guò)低溫液體的密度以及低溫液體在容器中的實(shí)際體積來(lái)求得。實(shí)際上可通過(guò)重量法計(jì)算蒸發(fā)率，它是指一天(24h)內(nèi)蒸發(fā)的低溫液體質(zhì)量與儲(chǔ)液容器有效容積下低溫液體質(zhì)量之比，見(jiàn)式(1)：

 

式中a1——稱重法測(cè)得的工況蒸發(fā)率

m1——24h內(nèi)損耗的低溫液體質(zhì)量，kg

m2——儲(chǔ)液容器有效容積下低溫液體質(zhì)量，kg

選取杭州燃?xì)馕鞑?span lang="EN-US">LNG氣化站內(nèi)無(wú)進(jìn)出液等操作的情況下，記錄常壓罐每日液位，以5月上旬實(shí)際液位為例(日平均氣溫取25℃)，計(jì)算儲(chǔ)罐的蒸發(fā)率。

①計(jì)算24h后減少的LNG液體體積DV

杭州燃?xì)馕鞑?span lang="EN-US">LNG氣化站有效容積為4500m³的內(nèi)罐結(jié)構(gòu)為平底圓拱型，內(nèi)罐半徑為10m，故計(jì)算液體體積時(shí)在未超過(guò)最高液位14324mm前，均可按圓柱體體積公式計(jì)算。

5月5日8時(shí)，液位高度8728mm；5月6日8時(shí)，液位高度8712mm；24h內(nèi)液位下降16mm；假設(shè)24h前后液體密度不變。計(jì)算出5月5日8時(shí)，LNG體積為2741.982m³；減少液體高度16mm，減少LNG體積為5.027m³。同理，計(jì)算不同日期靜置24h減少的LNG液體體積見(jiàn)表l。

 

②計(jì)算工況下蒸發(fā)率a1

m1＝rDV　　　　 　   (2)

m2＝rV0   　　 　　　 (3)

式中r——罐內(nèi)LNG實(shí)測(cè)液體密度，kg／m³，取422.4701kg／m³

DV——減少的LNG體積，m³

V0——儲(chǔ)罐的有效容積，m³，取4500m³

計(jì)算得工況下的蒸發(fā)率a1，見(jiàn)表l。

③折算成標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下蒸發(fā)率a2

根據(jù)GB／T l8443.6—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法第6部分：漏熱量測(cè)量》，有：

 

式中a2——稱重法測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下蒸發(fā)率

r1——罐內(nèi)平均壓力(表壓10kPa)下飽和液體氣化潛熱，kJ／kg，查CH4壓焓圖得520kJ／kg

r2——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力(絕壓l01.325kPa)下的飽和液體氣化潛熱，kJ／kg，查CH4壓焓圖得510.8kJ／kg

T0——標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)溫度，K，取293K

Ts——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力(絕壓l01.325kPa)下液體的飽和溫度，K，取111K

T1——實(shí)測(cè)平均環(huán)境溫度，K，取298K

T2——罐內(nèi)平均壓力(表壓10kPa)對(duì)應(yīng)的深冷液體飽和溫度，K，取112K

由于初始充滿率不同，對(duì)于同一容器也會(huì)產(chǎn)生單位液體體積受熱量不同。為盡量減少充滿率對(duì)蒸發(fā)率的影響，這里在計(jì)算蒸發(fā)率時(shí)盡可能在充滿率相近的情況下進(jìn)行比較。儲(chǔ)罐的充滿率F計(jì)算公式為：

 

式中F——儲(chǔ)罐的充滿率

V1——罐內(nèi)儲(chǔ)存的LNG體積，m³

　　計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下的蒸發(fā)率a2和充滿率F見(jiàn)表2

 

2．1．2蒸氣流量法

該方法是通過(guò)流量計(jì)，如濕式流量計(jì)、干式流量計(jì)(燃?xì)獗?span lang="EN-US">)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等儀器儀表，測(cè)量蒸發(fā)氣體的流量。通過(guò)流量計(jì)測(cè)量的氣體流量是在一定的溫度、壓力條件下的氣體流量。由于測(cè)量時(shí)的溫度、壓力等條件不同，此時(shí)的氣體密度也會(huì)變化，因此需做必要的修正。

首先要將測(cè)得的流量換算成標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下的流量q0：

 

式中q0——標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下日體積流量，m³／d

qV——實(shí)測(cè)蒸發(fā)氣體的日體積流量平均值，m³／d

p——被測(cè)氣體的絕對(duì)壓力，MPa

p0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力(絕對(duì))，MPa

Tf——流量計(jì)測(cè)量時(shí)的氣體溫度，K

液化氣體從液態(tài)蒸發(fā)為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下的氣態(tài)，需要對(duì)低溫液體與氣體進(jìn)行溫度修正，假設(shè)其體積增為n倍，則低溫液體的損耗速率N0為：

 

式中N0——低溫液體的損耗速率，m³／d

n——標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)(20℃，101325Pa)下的液化氣體的氣液體積比

這里n在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下的氣液體積比無(wú)資料，故只能借用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(0℃，101325Pa)的氣液體積比(參照GB／T l8443.5—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法  第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量》)。

實(shí)際上液體的損耗速率要大于Ⅳn值。因?yàn)殡S著氣相空間的增大，需用冷氣體來(lái)填補(bǔ)，因此要對(duì)此值進(jìn)行修正，低溫液體的實(shí)際損耗速率N為：

N＝yN0　　　　　　　　(8)

式中N——低溫液體的實(shí)際損耗速率，m³／d

y——氣體修正系數(shù)

這樣，低溫容器的日蒸發(fā)率a3便可以由下式確定：

 

式中a3——蒸氣流量法測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下蒸發(fā)率

將式(6)～(8)代入式(9)，得式(10)：

 

式(10)中y取1.002，n取591，V0取4500m³，p取0.111325MPa，Tf取298K，Ts取298K，T取111K。

產(chǎn)生的蒸發(fā)氣BOG體積，正是通過(guò)流量計(jì)所測(cè)量的氣體流量，見(jiàn)表3。但實(shí)際上，隨著容器中液體的蒸發(fā)，蒸發(fā)掉液體的空間為蒸氣所填補(bǔ)，蒸發(fā)出來(lái)的蒸氣有一部分留在容器中，通過(guò)流量計(jì)的氣體量小于容器內(nèi)實(shí)際蒸發(fā)量^[3]。利用式(10)對(duì)qV做一定的修正后，用蒸氣流量法折算成標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下蒸發(fā)率a3見(jiàn)表3。

 

2．2　測(cè)量結(jié)果比較分布

通過(guò)稱重法和蒸氣流量法兩種方法計(jì)算低溫液體的蒸發(fā)率，該罐的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下蒸發(fā)率接近0.1％，符合儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行要求。在充滿率比較接近的情況下，蒸發(fā)率并沒(méi)有明顯的規(guī)律性。

稱重法求得的蒸發(fā)率a2和蒸氣流量法求得的蒸發(fā)率a3的比較見(jiàn)圖1。

 

兩種結(jié)果趨勢(shì)曲線基本接近，相對(duì)來(lái)講，第二種方法求得的曲線較為平緩，蒸發(fā)率在0.09％～0.13％范圍，波動(dòng)較小。

3　影響因素分析

影響LNG在常壓下儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)短的主要因素是溫度、LNG充滿率、儲(chǔ)罐漏熱量等。要延長(zhǎng)LNG的安全儲(chǔ)存時(shí)間，就需要了解各因素的變化規(guī)律和LNG蒸發(fā)規(guī)律，尋求合適方法保障LNG的安全長(zhǎng)期儲(chǔ)存。

3．1　充滿率

由于初始充滿率不同，對(duì)于同一容器也會(huì)導(dǎo)致單位液體體積受熱量不同。隨著容器中充滿率增加，整個(gè)容器的熱容量增大，達(dá)到熱平衡時(shí)兩相壓力增加的速率減小。但是，由于液體熱膨脹，氣相空間減少，使壓力增長(zhǎng)速度加快。這一矛盾的結(jié)果，使得在充滿率過(guò)大或過(guò)小時(shí)都能使LNG無(wú)損儲(chǔ)存的時(shí)間縮短。

記錄在1月22日至7月25日期間按每隔l5d的數(shù)據(jù)，計(jì)算求得的充滿率與蒸發(fā)率a2隨時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖2、3。

 

 

從圖2、3可以得出：從l月到7月整個(gè)過(guò)程來(lái)看，當(dāng)充滿率在75％～55％區(qū)間時(shí)，隨著充滿率的逐漸降低，蒸發(fā)率趨于先降低再升高的趨勢(shì)。其中4月23日的蒸發(fā)率有細(xì)微的波動(dòng)，可能是LNG輕微翻滾等其他因素的影響。

3．2　環(huán)境溫度

環(huán)境溫度對(duì)漏熱和蒸發(fā)率的影響與傳導(dǎo)傳熱、輻射傳熱在整個(gè)漏熱中所占的比例有關(guān)。如果已知各種漏熱所占的比例，則可以根據(jù)傳熱學(xué)的基本定律，計(jì)算出環(huán)境溫度變化對(duì)蒸發(fā)率的影響。設(shè)輻射漏熱占總漏熱的比例為¦^[4]406-408，傳導(dǎo)傳熱所占的比例為g^[4]41-45，¦+g=1。設(shè)環(huán)境溫度為Tm時(shí)的蒸發(fā)率為am，環(huán)境溫度為Tn時(shí)的蒸發(fā)率為an，可由傳熱學(xué)基本定律導(dǎo)出下式：

 

式中an——環(huán)境溫度為Tn時(shí)的蒸發(fā)率

am——環(huán)境溫度為Tm時(shí)的蒸發(fā)率

¦——輻射漏熱占總漏熱的比例系數(shù)

 

——熱輻射溫度系數(shù)

g——傳導(dǎo)傳熱占總漏熱的比例系數(shù)

 

——無(wú)量綱過(guò)余溫度^[4]80

儲(chǔ)罐蒸發(fā)量越大，蒸發(fā)氣BOG體積流量越大(這里產(chǎn)生的BOG均可通過(guò)裝有體積修正儀的流量計(jì)讀得，均為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下的體積流量)。下面就以每月日平均BOG體積流量來(lái)比較各個(gè)月份日蒸發(fā)量的大小。因3月份流量計(jì)出現(xiàn)故障，故不計(jì)數(shù)。這里比較低溫容器的日蒸發(fā)率時(shí)，選取了相對(duì)較寬的時(shí)間范圍內(nèi)的日平均BOG體積流量來(lái)比較蒸發(fā)率。與溫度影響程度相比，壓力影響很小^[5]?？纱致哉J(rèn)為，此時(shí)的日平均BOG體積流量是在相同大氣壓下不同溫度下的蒸發(fā)量。各個(gè)月份的日平均BOG體積流量(標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下)見(jiàn)表4。

 

從表4可以看出，各月的日平均BOG體積流量基本隨環(huán)境溫度升高而增加，7月份平均氣溫最高，該月日平均BOG體積流量也最大，即儲(chǔ)罐蒸發(fā)量最大。從19℃上升到25℃時(shí)，產(chǎn)生BOG量迅速增加。環(huán)境溫度越高，密閉LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力上升越快，LNG儲(chǔ)罐的安全儲(chǔ)存時(shí)間越短，蒸發(fā)率越大。這和LNG密閉儲(chǔ)存時(shí)冬季儲(chǔ)存時(shí)間較長(zhǎng)夏季儲(chǔ)存時(shí)間較短一致。為了安全起見(jiàn)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)LNG儲(chǔ)罐密閉儲(chǔ)存時(shí)間應(yīng)按照夏天的環(huán)境溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3．3　其他因素

密閉LNG儲(chǔ)罐的保冷性能越好，蒸發(fā)率越低，LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力上升越慢，LNG安全密閉儲(chǔ)存時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)容器充注低溫液體開始儲(chǔ)存后，由于漏熱量的影響，一方面由于系統(tǒng)熱力學(xué)能的增加，溫度上升，而使其飽和壓力增加；另一方面，由于溫度上升，而使液體的體積膨脹，使氣相空間減少，而使氣相壓力急劇增大。因此提高低溫容器的絕熱性能，減小日蒸發(fā)率是延長(zhǎng)無(wú)損儲(chǔ)存時(shí)間的主要途徑之一。

此外液面氣相壓力的變化必然引起低溫液體蒸發(fā)溫度和氣化潛熱的改變，從而引起傳熱量和蒸發(fā)率的改變。

LNG裝卸液或杜瓦瓶充裝等日常操作也產(chǎn)生影響。10月份杭州市西部LNG氣化站共向儲(chǔ)罐卸液2000m³左右，該月的日平均BOG體積流量相對(duì)其他月份大大增加，10月份的日平均BOG體積流量為6482.92m³／d。當(dāng)有卸液操作時(shí)，會(huì)影響罐內(nèi)液體本身的自然對(duì)流，對(duì)其產(chǎn)生擾動(dòng)，從而會(huì)增大低溫液體的蒸發(fā)率。

在長(zhǎng)期儲(chǔ)存的條件下，罐內(nèi)LNG會(huì)發(fā)生分層，分層液體在儲(chǔ)罐周邊漏熱作用下，形成各自獨(dú)立的自然對(duì)流循環(huán)，進(jìn)而使各層液體的密度不斷發(fā)生變化，當(dāng)上下兩層的密度足夠接近時(shí)發(fā)生快速混合，下層積聚的熱量突然釋放出來(lái)，同時(shí)伴隨著LNG表面蒸發(fā)率的驟增，從而易引起儲(chǔ)罐內(nèi)過(guò)熱的LNG大量蒸發(fā)而導(dǎo)致翻滾事故的發(fā)生^[6]。翻滾會(huì)迅速產(chǎn)生很大的蒸發(fā)量，這也是生產(chǎn)過(guò)程中要盡量避免的。

4　結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有LNG儲(chǔ)罐蒸發(fā)率測(cè)量的局限性，本文通過(guò)實(shí)際工況記錄，計(jì)算了LNG常壓儲(chǔ)罐的蒸發(fā)率。通過(guò)稱重法和蒸氣流量法兩種方法分別計(jì)算了低溫液體儲(chǔ)罐蒸發(fā)率，蒸氣流量法測(cè)蒸發(fā)率誤差相對(duì)較小。影響LNG在常壓下儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)短的主要因素是LNG充滿率、環(huán)境溫度、儲(chǔ)罐漏熱量、外界擾動(dòng)等。1月到7月，當(dāng)充滿率在75％～55％區(qū)間內(nèi)時(shí)，隨著充滿率的逐漸降低，蒸發(fā)率曲線趨于先降低、再上升的趨勢(shì)。在充滿率過(guò)大或過(guò)小時(shí)都能使LNG無(wú)損儲(chǔ)存的時(shí)間縮短。環(huán)境溫度越高，儲(chǔ)罐漏熱量越大，外界擾動(dòng)越大，蒸發(fā)率越高，LNG儲(chǔ)罐的安全儲(chǔ)存時(shí)間就越短。

 

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本文作者：朱麗芳  沈德利

作者單位：杭州市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司