150 m3LNG储罐蒸发率计算及影响因素实验分析

2019-03-18周可，朱波

煤气与热力 2019年3期

周可，朱波

(佛山市天然气高压管网有限公司，广东佛山528000)

1 概述

LNG储罐作为储存液化天然气的重要设备[1-3]，起着极其关键的作用，其良好的性能是保证整个LNG利用系统安全的关键[4-7]。由于LNG的低温特性及LNG储罐隔热材料性能的局限性[8-10]，环境向LNG储罐传输热量会引起罐内低温介质温度上升，压力升高。当储罐内压力增大到一定值后，为了保护储罐不会因为内部压力过大，需要将LNG储罐上的相应阀门打开，释放部分蒸发气体[11-14]。为了减少LNG储运成本，消除LNG储罐运行过程中的安全隐患，需要对LNG储罐蒸发率特性加以分析研究。

本文以佛山市某LNG储配站内有效容积为150 m3的LNG储罐为例，通过实验测量并计算该储罐的蒸发率，分析初始充满率、LNG含氮量及环境温度对储罐蒸发率的影响，为LNG储罐的安全运行提供支持。

2 蒸发率计算

2.1 LNG储罐的技术参数

本文研究的LNG储罐为地上型立式储罐，设计压力为0.77 MPa，工作压力为0.7 MPa，设计温度为-196～50 ℃。储罐主要技术参数见表1。储罐空罐质量为54 250 kg，高22.185 m。

实验测量的数据主要有：通过压力表测得气相空间的压力，温度计测得气相空间的温度，液位计测得LNG液位高度。

表1 LNG储罐主要技术参数

2.2 计算方法

在实验过程中，主要测试储罐气相空间的压力、温度及液位，通过计算得到储罐的蒸发率。本文LNG储罐的蒸发率是指储罐的静态蒸发率，即储罐装有LNG时，静置达到热平衡后，一定时间内自然蒸发损失的LNG质量和储罐内初始LNG质量的比值[15]。蒸发率能较为直观地反映储罐使用时的保冷性能[16]。日蒸发率：储罐在一定充满率下，静置达到热平衡后，24 h内自然蒸发损失的LNG质量与储罐静置后的LNG质量之比。平均蒸发率：本文指7 d的日蒸发率的平均值。

LNG储罐的蒸发率表达式为：

(1)

式中α——LNG储罐的蒸发率

ρ1——储罐自然蒸发24 h后气相空间的气体密度，kg/m3

V1——储罐自然蒸发24 h后气相空间的气体体积，m3

ρ2——储罐静置后气相空间的气体密度，kg/m3

V2——储罐静置后气相空间的气体体积，m3

m——储罐静置后初始状态下的液体质量，kg

将LNG蒸发后得到的天然气视为理想气体，则符合理想气体状态方程，对天然气进行取样检测，得到天然气的组成，查询得到标况(273.15 K，101.325 kPa)下的各组分密度，计算得到标况下的天然气密度。根据测得的气相空间压力、温度计算得到ρ1、ρ2。再根据测得的液位和LNG密度，根据公式(1)计算得到LNG储罐的蒸发率。

2.3 实验介质和条件

实验选取该LNG储配站内8台储罐中的8#储罐作为实验罐，测试并计算得到2017年中5个时间段内，平均环境温度分别为10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃时的日蒸发率和平均蒸发率。实验时LNG储罐初始压力为0.36 MPa，最高压力为0.7 MPa，终点压力范围为0.52～0.64 MPa。

实验使用来自北海中石化、深圳大鹏、珠海金湾、东莞九丰及东莞九丰(船货)的5种LNG，5种LNG的组成及温度为-162.3 ℃,压力为101.325 kPa的密度见表2。

表2 5种LNG的组成及密度

3 实验结果分析

3.1 初始充满率对蒸发率的影响

实验首先选取平均环境温度为20 ℃，8#储罐装有东莞九丰LNG为研究对象，实验得到不同初始充满率下8#储罐的日蒸发率，见图1；不同初始充满率下储罐的平均蒸发率见图2。

从图1、2可以看出：在其他条件相同的情况下，150 m3LNG储罐日蒸发率随着时间的增加而变大，特别是在低初始充满率下，变大得更为明显；当时间不变时，随着初始充满率的增大，LNG储罐蒸发率在减小，但减小的幅度在变慢。

初始充满率不同即为储罐内气液相体积不同，储罐气相空间气体的质量与储罐的压力密切相关。储罐内LNG蒸发引起的压力升高和储罐内气液相体积膨胀是储罐压力升高的主要方面。当初始充满率较小时，储罐的日蒸发率较大，此时储罐压力主要由LNG蒸发引起。随着充满率的增大，储罐的日蒸发率减小，储罐的压力上升变慢，所以储罐的安全储存时间也随着初始充满率的增大而增加。当初始充满率较大时，液相体积增加，环境漏入储罐的热量大部分用于储罐内液体热力学能的增加，使得储罐蒸发率减小。