摘 要

摘　要：對LNG常壓儲罐預冷進行熱力分析，得到定壓下LNG儲罐液氮質量流量與儲罐溫度的關系、預冷時間與儲罐溫度的關系，探討了LNG儲罐實際預冷過程控制。關鍵詞：LNG常壓儲罐； 熱力

摘　要：對LNG常壓儲罐預冷進行熱力分析，得到定壓下LNG儲罐液氮質量流量與儲罐溫度的關系、預冷時間與儲罐溫度的關系，探討了LNG儲罐實際預冷過程控制。

關鍵詞：LNG常壓儲罐；  熱力分析；  預冷

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年全國多個大中城市出現(xiàn)了嚴重氣荒情況，杭州市也未能幸免。2009年底杭州市啟動了杭州市西部應急氣源站工程的建設，經(jīng)過兩年的建設，2011年12月5日開始對5000m³常壓低溫儲罐進行預冷，經(jīng)過20 d的預冷調試，于2011年12月28日完成LNG的進液。對于大型常壓LNG儲罐的預冷常直接采用LNG進行預冷，但城市燃氣工程考慮到安全、成本等因素，一般都采用液氮先行預冷，而后再利用LNG對液氮進行置換。常壓下液氮的沸點為一195．81 0E，要使LNG儲罐內(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，這就需要利用液氮氣化吸熱降低罐內(nèi)溫度，同時把罐內(nèi)的空氣置換出去。在儲罐預冷過程中，液氮進入罐內(nèi)氣化吸熱，和空氣混合后，一起從罐頂排氣閥排出。當進液量大于排氣量時，罐內(nèi)壓力會升高，易造成儲罐超壓及內(nèi)罐焊縫拉裂。相反，如果進液量太小，則預冷時間和成本增加。因此控制合理的液氮流量不僅可以保證安全操作，而且可以縮短預冷時間。本文通過對常壓儲罐的預冷實踐和熱力計算以及在穩(wěn)壓情況下預冷參數(shù)之間的關系進行分析，進而安全經(jīng)濟地控制預冷進程。

2　預冷熱力計算和分析

①預冷熱力計算模型

方程推導基本假設：a．LNG儲罐保冷效果很好，為絕熱狀態(tài)；b．LNG儲罐預冷過程中工作壓力保持不變；c．不考慮儲罐內(nèi)氣體、排出氣體的組成變化，儲罐預冷過程中采用液氮，計算過程只考慮氮氣熱交換。由此可導出儲罐預冷時液氮流量與儲罐溫度以及儲罐溫度與預冷時間的函數(shù)關系。

LNG儲罐內(nèi)氣體狀態(tài)方程：

pV＝mRNT   　　　 (1)

式中p——工況下儲罐內(nèi)氣體的絕對壓力，Pa

V——儲罐容積，m³，取5000m³

m——儲罐內(nèi)氣體的質量，kg

RN——氮氣氣體常數(shù)，J／(kg·K)

T——工況下儲罐內(nèi)氣體的溫度，K

對方程(1)取微分，得：

 

式(2)表示在壓力和體積不變的條件下，儲罐內(nèi)氣體溫度變化和質量變化的關系。

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

qmdt＝qmodt+dm  　　  (3)

式中qm——液氮質量流量，kg／s

t——儲罐預冷時間，s

qmo——排氣出口質量流量，kg/s

將式(2)代入式(3)，得：

 

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

設dt時間內(nèi)溫度降低了dT，則液氮氣化吸收的熱量為：

Q1＝rqmdt 　　　   (5)

式中Q1——液氮氣化吸收的熱量，kJ

r——液氮氣化潛熱，kJ／kg

氮氣升溫吸收的熱量為：

Q2＝c2qm(T-TN)dt    (6)

式中Q2——氮氣升溫吸收的熱量，kJ

C2——氮氣的比定壓熱容，kJ／(kg·K)

TN——氮氣的沸點，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液氮流量與儲罐溫度的關系令：

 

將式(10)、(11)代入式(4)，整理得：

 

排氣出口體積流量理論計算時基本考慮為常量，且存在關系：

 

式中qV——排氣出口體積流量(折算成標準狀態(tài))，m³／s

將式(13)代入(12)得到：

 

式(14)反映了LNG儲罐預冷時液氮流量與儲罐溫度的函數(shù)關系。液氮流量與罐內(nèi)壓力成相同趨勢，液氮流量過大，則罐內(nèi)壓力迅速上升，局部溫降過快，勢必造成儲罐焊縫拉裂；由于預冷過快的危害性限制，所以按式(14)可計算出流量的上限，液氮流量不能過大。

③儲罐溫度與預冷時間的關系

將式(14)代入式(10)，整理得：

 

式(15)反映了儲罐溫度與預冷時間的函數(shù)關系，可作為制定LNG儲罐液氮預冷方案的理論依據(jù)。

3　儲罐預冷實際數(shù)據(jù)驗算分析

根據(jù)杭州市西部應急氣源站常壓罐內(nèi)筒容積、材料和質量、常壓罐的排氣閥口徑，通過上述公式計算預冷時的操作曲線。將呼吸閥作為排氣閥，取預冷時儲罐的絕對壓力p＝1.06×10⁵Pa，根據(jù)閥門廠家提供的排氣閥排量的經(jīng)驗公式，排氣閥的排量為：

 

式中qV——常壓罐排氣閥的排量(折算成標準狀態(tài))，m³／s

pc——常壓罐絕對壓力，kPa

x——摩阻參數(shù)，N·s／g，取4N·s／g

p——氮氣的密度(標準狀態(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)過計算得到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)即為常壓罐預冷液氮流量qm與罐內(nèi)溫度T的關系。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，T＝283.15K。

解得：

C＝-1313543.7

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

式(18)表示了常壓罐預冷時間t與罐內(nèi)溫度T的關系。

圖1表示了式(17)和式(18)代表的曲線關系。

 

由圖1曲線可以看出：

①儲罐預冷總共耗時約35h。

②液氮流量隨溫度降低而增加。

③溫度降低速率隨時間增加而減小。

4　預冷實際過程控制

杭州市西部應急氣源站的儲罐為常壓立式儲罐，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)罐側壁設有7個溫度測點，從底部往上每隔2m一個，內(nèi)罐底部也呈梅花狀布置了7個溫度測點。預冷時將排氣閥作為出氣口，預冷時常壓罐的絕對壓力設定為p＝1.06×10⁵Pa。

在采用液氮預冷的過程中，根據(jù)儲罐生產(chǎn)廠家經(jīng)驗數(shù)據(jù)，通過對罐內(nèi)溫度測點的監(jiān)控，控制預冷過程中的溫降速率不大于5℃／h，控制液氮的進液質量流量。具體設定參數(shù)如下：

①內(nèi)筒各溫度測點之間的最大溫差大于50℃時，監(jiān)控系統(tǒng)自動報警；

②內(nèi)筒任意相鄰溫度測點之間的溫差大于20℃時，監(jiān)控系統(tǒng)自動報警；

③內(nèi)筒任意溫度測點的溫降速率大于8℃／h時，監(jiān)控系統(tǒng)自動報警，采集頻率為每15min一次：

④內(nèi)筒任意溫度測點的溫降速率大于5℃／h時，監(jiān)控系統(tǒng)自動報警，采集頻率為每1h一次；

經(jīng)過44h的預冷，最終達到儲罐積液效果，儲罐預冷完成。

5　結論與建議

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

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，應不斷增加液氮的流量。

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

④在儲罐液氮預冷的臨時管道上建議增加液氮流量計，方便及時調整預冷過程中的液氮流量。

 

參考文獻：

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

 

 

 

本文作者：王忠平  俞建國  吳軍貴

作者單位：杭州市燃氣集團有限公司