地上全容式混凝土顶LNG储罐的冷却动态模拟

陈帅 田士章 魏念鹰

中石油大连液化天然气有限公司

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1为LNG储罐氮气置换工艺简图，如图1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－100℃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。

图1 LNG储罐氮气置换工艺简图

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：

式中Tt为t时刻的储罐温度，K；к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δt时间微元作为研究分析，则在（t＋δt）时刻的储罐温度用式（1）表示为：

式中Tδt为（t＋δt）时刻的储罐温度，K；δt为时间微元，h。在δt时间微元内质量守恒：

式中MLt为（t，t＋δt）时间内进入储罐的LNG流量，kg／h；ΔM为（t，t＋δt）时间内储罐中BOG的增加量，kg；MBt为（t，t＋δt）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ΔM与储罐温度的关系式：

式中Mδt为（t＋δt）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δt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；Ф为（t，t＋δt）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；hBδt为 （t＋δt）时刻BOG气体的比焓，kJ／kg；ΔEcv为从t时刻到（t＋δt）时刻储罐储存能的增量，kJ。

其中

而

式中λ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；βi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

2．2．1к及δt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к的范围为［－5，0）。δt的取值将直接影响到模型的精度，若δt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1K所用的时间作为δt的取值。表1列出了不同к值对应的δt取值。

再运用matlab拟合出δt与к的关系函数［13］：

表1 不同к值对应的δt取值表

2．2．2hL、hBt及hBδt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－0．50～29．00kPa（表压），冷却时的压力通常控制在111．32～121．32kPa（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113．24～122．61 kPa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。

表2 不同压力下甲烷的饱和温度与比焓值表

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。

其中拟合残差为0．003 651。

而理想气体的焓只是温度的函数，并且有：

表3 不同温度对应的理想甲烷气体比定压热熔值表

因此，以式（11）为依据对式（10）求不定积分得：

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：

2．2．3λ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λ。λ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－1201储罐冷却的相关数据及对应的λi值。

将编号1～6所计算出的λi通过式（15）求得平均值后作为λ的值，即为83 624．67kJ／（K·h）。

表4 T－1201储罐冷却的相关数据及对应的λi表

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293 K，储罐冷却初始温度为293K，冷却速度分别为－1．5 K／h、－2．5K／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。

图3 不同к值下MLt、MBt与t的关系曲线图

图4 不同к值下MLt、MBt与Tt的关系曲线图

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 不同Te值下MLt、MBt与t的关系曲线图

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。

图6 不同pt值下MLt、MBt与t的关系曲线图

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。

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。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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