独立C型LNG储罐蒸发率实验设计

管 官, 林 焰,2, 杨 蕖, 周 帅

(1. 大连理工大学 船舶CAD工程中心, 辽宁 大连 116024; 2. 大连理工大学 工程装备结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连 116024)

独立C型LNG储罐蒸发率实验设计

管 官1, 林 焰1,2, 杨 蕖1, 周 帅1

(1. 大连理工大学 船舶CAD工程中心, 辽宁 大连 116024; 2. 大连理工大学 工程装备结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连 116024)

为使学生充分理解LNG蒸发规律,针对研制的独立C型LNG储罐及保温层装置,进行适用于实验教学的创新实验设计,开发了独立C型LNG储罐蒸发率实验,设计了实验方案,介绍了实验原理、实验测量方法、实验目的、实验装置、实验内容及步骤等。此实验的开设不仅可以大大增强科研设备的利用率,而且对提高教学效果有很大帮助,有利于激发学生的科学探索精神,也为相关课程的实验教学改革提供借鉴。

LNG储罐； 蒸发率； 实验设计

在进行科研工作的同时,探讨如何在实验中引入科研设备以改进教学方式的做法已成为当今实验教学改革的一种重要途径[1-3]。本实验基于大连理工大学船舶制造国家工程中心实验室,针对研制的独立C型LNG储罐及保温层装置(已授权发明专利)[4-5],进行适用于本科生实验教学的创新实验设计,创新并丰富船舶与海洋工程专业实验教学内容。

随着液化天然气(liquefied natural gas，LNG)船型的开发和广泛应用,LNG的安全存储已经成为一个关键问题。由于LNG易燃易爆的特性,必须保证其不能泄漏,因此LNG储罐的绝热性至关重要,而蒸发率是评价绝热性的重要指标。为保证船舶LNG储罐的安全使用,对LNG蒸发率进行研究,对工程应用和科研教学都具有重要的意义[6-7]。

为了加强培养学生的科研能力与创新能力,本文将LNG储罐蒸发率研究内容引入到实验教学当中,开发了独立C型LNG储罐蒸发率实验,给学生创建一个接触科研前沿、应用专业知识的平台,创建科学研究的情境,激发学生的科学探索热情。此实验的开设不仅可以大大增强科研设备的利用率,而且对创新本科研实验教学、提高学生专业技能有很大帮助。将科研与实践相结合的教学模式能有效提高教学质量,有利于培养学生从中学到新的思维方式和实验手段,也为相关课程的实验教学改革提供借鉴[8-11]。

1 LNG蒸发率测试方法

实验中,主要测量低温系统各部位及环境的温度、过程中的压力变化和装置总体质量变化。LNG实验储罐的蒸发率是指LNG储罐达到热平衡状态下,24 h内蒸发所消耗的LNG质量占原来实验罐中的液态LNG质量的比例。储罐内LNG蒸发率α计算公式[12]为

(1)

其中Δm是指达到热平衡后实验罐中损失的LNG的质量,ρ指液态LNG的密度,V指实验罐中液态LNG的体积。

LNG实验储罐由于罐内LNG的温度(101 kPa,-163 ℃)与外界的环境温度相差较大,在热对流和热传导的作用下会有一部分的热量漏入实验罐中引起LNG的蒸发。利用质量感应仪器可以测得在稳定的压力热平衡的条件下,24 h内实验罐中液态LNG质量的变化,由式1可以得到LNG储罐的日蒸发率。

实验中,通过传感器可以测得压力、温度、液体质量的变化曲线,LNG实验储罐为主体实验器材,外界环境温度和压力作为外部的条件,在保证一定的压力范围内进行实验。

2 实验

2.1 实验内容

(1) 保压时间测试。对独立C型LNG储罐,测试其在5种(至少包含50%、40%、30%、20%、10%)以上LNG充装量下,罐体内部从0.001 MPa(表压)升至0.7 MPa(表压)全过程的无损保持时间长度。

(2) 蒸发率测试。对独立C型LNG储罐,测试其在5个(至少包含容积的50%、40%、30%、20%、10%)以上LNG充装量、罐内压力维持0.7 MPa±0.01 MPa(表压)条件下LNG的日蒸发量。

(3) 国产化技术和设备试验验证。对研制的独立C型LNG储罐和设备中采用的国产化技术和设备进行实际验证,包括国产9Ni钢罐体本身和接管的耐温性和焊接工艺、罐体加工技术、国产LNG阀件、国产温度和压力传感器。

(4) 前两项测试过程中全程实时采集罐体的内外温度、内部压力、装置质量。

2.2 实验装置

2.2.1 实验储罐、底座和固定架

该实验储罐的罐体是采用圆筒主体,两端采用标准椭圆封头,卧式放置的独立C型储罐,容积为1.5 m3[4]。罐体表面敷设聚氨酯泡沫作为保温层[5]。罐体由专用底座承载,罐体和底座之间用硬木支撑。罐体附接管路、阀件、传感器。底座和运输固定架组成一个框架结构,便于在实验罐体的吊运移动和长距离(空罐)安全运输。实验装置见图1。

图1 实验装置

2.2.2 测试系统

测试系统包括监控及数据记录计算机1台、质量实时监测电子地泵1套、罐体内气相压力数字式监测系统1套、罐内气相温度变送器2套、罐钢壁表面温度变送器4套、罐体绝热层表面温度变送器4套、环境温度变送器2套。

2.2.3 辅助装置

氮气供给装置提供纯度为99.9%、露点为-80 ℃的氮气。供气压力为0.02 MPa以上,供气量30 m3。LNG液货驳出储存装置用来设置双层真空陆用LNG钢瓶储存驳出的LNG,装置共3只,每只容量为400 L;安全放散系统为不锈钢管路段设置空气加热装置,其连接到放散塔管路,其中发散塔高度10 m；闪蒸气(BOG)收集处理装置为不锈钢管路段设置空气加热装置,并连接焚烧火炬；水喷淋系统为安全起见在实验装置上方布置温感控制水喷淋系统,气体温度高于45 ℃时开启水喷淋,给实验装置降温；系统静电接地,要求实验场地埋设符合要求的接地点,接地电阻小于100 Ω；燃气探测系统包括设置在在试验场地地面1只,距离地面3 m高处1只;滴液托盘包括加注口处1只、液货驳出管路法兰盘处1只。

2.3 实验装置功能

2.3.1 罐体充装介质

LNG介质温度为-164 ℃，工作压力为1.1 MPa，设计蒸气压力为1.21 MPa，安全阀整定压力为1.21 MPa，总容积为1.5 m3。独立C型LNG实验罐体系统见图2。

图2 独立C型LNG实验罐体系统

2.3.2 干燥和惰化

(1) 罐体首次使用前惰化。打开阀门CV2和CV5,氮气由此处进入罐体,氮气供气压力为0.01～0.02 MPa。里面的气体经过两条路径放出:一条经过管路④,打开阀门CV4和由阀门CV9处放散；另一条经过管路⑤,打开阀CV3和CV6放散。两条放散路径接连开关。充气及发散过程中维持罐体气体表压0.01 MPa以上。总充入氮气量不小于罐体容积的10倍(15 m3)。使用的氮气纯度起码达到99.9%,露点小于-80 ℃。充入规定体积的氮气后,关闭出口。继续充入氮气,让里面的气体压力升至0.2MPa。对CV9处、CV6处和CV5处分别采样罐内气体,监测氮气浓度和露点。要求氮气浓度不能高于百分之一,露点低于20 ℃。任何点的气样未达到要求,则继续进行气体置换。惰化完成后,调节罐体压力至0.01 MPa,关闭所有阀。

(2) 使用及长期搁置前惰化。先将剩余的LNG液货完全驳出。打开阀门CV2和CV5,氮气由此处进入罐体,氮气供气压力为0.005 MPa。罐内气体经过管路④,打开阀门CV4和由阀门CV9处通过BOG收集管路进入火炬系统焚烧。充入氮气量15 m3。

(3) 测试系统。监控实时计算机由RS232接口从数字信号采集模块收集到的如下数据:

罐内温度TS1、TS2；

罐体钢壁外表面温度TS3-1、TS3-2、TS3-3、TS3-4；

罐体绝热层外表面温度TS3-5、TS3-6、TS3-7、TS3-8；

环境温度TS3-9、TS3-10；

罐体内气相压力PS1和PS2(这两个压力变送器位于阀CV7后端)；

电子地泵质量测量数据M。

采集数据写入文件的格式:记录采样的时刻和15个参数。采样频率为每秒1次。

2.4 实验步骤

2.4.1 罐体耐压测试

在建造工厂内进行。在罐体加工完成后、敷设绝热装置前,将所有阀件、仪表、传感器等安装好的条件下进行罐体耐压测试。

2.4.2 仪表和传感器测试

在建造工厂内,耐压测试通过后进行，共进行2次测试。一次在敷设绝热层之间,另一次在敷设绝热层之后。

第1次测试内容:液位报警器是否正常，测试确认其是否有作用,采用注入水的方式进行；温度传感器是否正常，采用注入热水方式测量；压力传感器是否正常，充气打压方式验证。

2.4.3 实验过程

一次完整的实验须严格按如下各小节的次序进行操作。实验拟定进行2次。

(1) 仪表调试。如果罐内尚未充装过LNG,可以采用充气打压方式来验证压力传感器。如果罐内有残余LNG可通过BOG收集方式调整压力来验证压力传感器。测试气动应急截止阀是否正常，测试压力表及其传感器是否正常，测试温度传感器是否有信号输出。

(2) 干燥和惰化处理。如果罐体是首次使用,要求进行干燥和惰化处理。若罐体内有残留LNG则忽略此步骤。

(3) 系统连接和开启。连接BOG收集和焚烧系统管路至CV9；连接液货驳出管路,由CV6至储存钢瓶(3只储液钢瓶并联),关闭CV6，同时连接储液钢瓶的回气口至BOG收集管路；连接氮气供给管路至CV5,并关闭CV5；开启BOG收集管路和安全阀管路的热空气供给系统；确认3个应急截止阀处于打开位置；开启计算机,启动监测程序,确认每个信号正确。

(4) 净化和冷却。该操作需由加注槽车到实验现场进行。若罐体是首次使用,须按照要求进行净化和冷却处理；若罐体内有残留LNG则忽略此步骤。

(5) LNG加注。该操作步骤需由加注槽车到实验现场进行。

按照要求加注LNG至罐体内。加注量为容积的50%(330 kg)。

(6) 测试过程。

基坑浸水试验的设计、观测以及稳定条件皆按GB 50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》 [12]标准进行操作，具体方法如下：

① 确认15个信号监测计算机上采集正常:罐内温度TS1、TS2；罐体钢壁外表面的温度数值TS3-1、TS3-2、TS3-3、TS3-4；罐体保温层表面的温度数值TS3-5、TS3-6、TS3-7、TS3-8；环境温度TS3-9、TS3-10；罐体内气相压力PS1、PS2(这两个压力变送器位于阀CV7后端)；电子地泵质量测量数据M；

② 将通过BOG收集系统调节罐体气相表压至0.001 MPa；

③ 监测程序开始记录数据。记录并换算出罐内LNG净质量M′的数值,标记该时刻T0；

④ 监测其内部气相压力,气相压力达到0.7 MPa的时侯,标记该时刻T1；

⑤ 通过BOG收集系统调节气相压力,维持气相压力为0.7 MPa±0.01 MPa范围内,同时监测罐LNG质量变化,当质量约为0.8M′时,标记该时刻T2;

⑥ 调节气相压力至0.001 MPa;

⑦ 监测其内部气相压力,当气相压力达到0.7 MPa的时侯,标记该时刻T3;

⑧ 通过BOG收集系统调节气相压力,维持气相压力为0.7 MPa±0.01 MPa范围内,同时监测罐LNG质量,当质量约为0.6 M′时,标记该时刻T4;

⑨ 调节气相压力至0.001 MPa;

⑩ 监测其内部气相压力,当气相压力升至0.7 MPa的时侯,标记该时刻T5;

(7) 实验后处理。如果1次实验后,3 d内不再进行实验,则须按本步骤做处理；如果在3 d内将开始下一次实验,则不必进行此步骤的处理,但罐体需有人12 h进行查看,保证压力的数值不大于1.0 MPa,且进行压力改变的时侯需打开BOG收集处理系统。并且在下次继续新的实验前确保罐体压力不低于0.001 MPa否则需要进行重新的惰化处理。开启阀门,拆除传感器线路。

3 结语

本文将LNG储罐蒸发率研究内容引入到实验教学当中,开发了独立C型LNG储罐蒸发率实验。通过该实验,给学生创建了一个接触科研前沿的平台,创建了科学研究的情境,激发了学生科学探索热情。此实验的开设不仅可以大大增强科研设备的利用率,而且对创新本科生实验教学、提高学生专业技能有很大帮助。这种科研与实践相结合的教学模式能有效提高教学质量,有利于培养学生从中学到新的思维方式和实验手段,也为相关课程的实验教学改革提供借鉴。

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Design on experiment of evaporation rate of independent C type LNG storage tank

Guan Guan1, Lin Yan1,2, Yang Qu1, Zhou Shuai1

(1. Ship CAD Engineering Center, Dalian University of Technology, Dalian 116024 China; 2. State Key Laboratory of Structural Analysis for Engineering Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

In order to enable the students to fully understand the evaporation law of LNG (liquefied natural gas), and based on the developed independent C type LNG storage tank and the insulation layer, an innovative experiment for undergraduate experimental teaching is designed, and an experiment of the evaporation rate of the independent C type LNG storage tank is developed. The experimental scheme is proposed, and the principle, the method, the objective, the apparatus, the content, the steps, etc., of the experiment are introduced. The results show that the experiment not only greatly increases the utilization ratio of the research equipment, but also helps to improve the teaching effect. It is beneficial to stimulate students’ scientific exploration spirit, and also provides reference for the experimental teaching reform of the related courses.

LNG storage tank; evaporation rate; experimental design

U677.2；G642.423

: B

: 1002-4956(2017)09-0056-04

2017-03-09修改日期:2017-04-26

国家自然科学基金项目(51609036)；中国博士后科学基金资助项目(2014M561234、2015T80256)；辽宁省博士启动基金项目(201501176)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DUT16RC(4)26)

管官(1983—), 男(满), 辽宁丹东,博士,讲师,主要从事船舶与海洋工程专业相关教学与科研工作.

E-mail:guanguan@dlut.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.015