大型LNG儲罐預冷動態模擬

鄧文源，田連軍，童文龍，李寧，郭開華，黎文鋒

（1中山大學工學院，廣東 廣州510006；2廣東珠海金灣液化天然氣有限公司，廣東 珠海519000）

引 言

液化天然氣是由85%～98%的甲烷混合其他烴類所組成的物質。目前，被視為一種相對清潔、低碳的一次能源被多國政府提倡使用，使得天然氣生產貿易量不斷上升，LNG （液化天然氣）產業也隨之快速發展起來。國內多個LNG接收站都在建設或者進行二期建設中［1］。大型常壓LNG儲罐在接收站中是初期投入最大的設備之一，正式啟用時對調試技術的要求較高［2］。其中，LNG儲罐的冷卻是最為重要調試環節之一。低溫儲罐需要緩慢均勻地進行降溫，以防對儲罐造成損壞。

本文針對國內LNG接收站常見的16萬立方米地上全容式混凝土儲罐在預冷過程進行動態模擬計算，分析儲罐的壓力、溫度、BOG排量在預冷過程中的動態變化。為實際大型LNG儲罐預冷過程的優化提供理論支持。

1 LNG儲罐預冷流程

大型LNG儲罐預冷流程如圖1所示。預冷LNG經臨時搭建的預冷管線從噴淋環進入罐內，通過閥門兩端壓力表監測噴淋流量，噴淋環上的噴頭為螺旋型噴嘴；甲烷混合氣體通過蒸發氣系統排出控制罐內壓力。

圖1 儲罐預冷簡圖Fig.1 Process sketch of LNG storage tank

在儲罐預冷過程中需控制的參數主要有兩個：

（1）溫度，計劃預冷溫度為每小時3℃，最大溫度變化不得超過每小時5℃；

（2）壓力，通過將過量的氣體排向蒸發氣系統，將儲罐壓力控制在約20kPa。

2 LNG儲罐預冷動態模型的建立

2.1 基本動態方法

建立160000m3大型LNG儲罐預冷過程的集中參數模型，得到LNG儲罐平均溫度、壓力及罐體溫度隨預冷時間的變化關系。考慮到計算的復雜性，對預冷過程作如下基本假設：

（1）任一時刻，LNG儲罐內氣相介質具有均一的溫度、壓力；

圖2 儲罐預冷計算拓撲圖Fig.2 Sketch of topology for calculation process

（2）罐內介質與內罐各壁面的對流傳熱系數為常數；

（3）忽略儲罐側壁、底部、頂面保溫材料的熱物理特性隨溫度的變化；

（4）忽略罐體熱角保護層的絕熱保護。

圖2示出LNG儲罐動態模擬的計算拓撲圖。LNG噴淋量通過LNG管線與儲罐內部壓差和閥門開度k決定；同理，BOG排量通過儲罐內部與大氣壓差和閥門開度k決定，根據壓力－流量方程，確定流量。其基本形式表述如下

LNG進入儲罐之后迅速氣化，使得儲罐內工質溫度下降，當儲罐內部溫度較低時，LNG并不能完全氣化，部分液體沉降到儲罐底部形成液位，對某一時刻τ，當前LNG噴淋量的氣化率為e（τ），0≤e≤1。

2.2 LNG儲罐降溫的動態模型

2.2.1 儲罐傳熱模型 LNG儲罐預冷過程中有部分的冷量用于冷卻罐體，所以，計算罐體傳熱的精確度對模擬預冷過程時的降溫速度有很大影響。本文將對罐體隔熱層分成多層進行計算。儲罐外罐混凝土壁面與空氣換熱方式為自然對流換熱，傳熱系數10W·m－2·K－1；甲烷與儲罐內表面傳熱方式為強制對流換熱，傳熱系數為20W·m－2·K－1。儲罐隔熱層分層及建造材料熱力學參數如表1。

對于罐體各面每層溫度變化

式中，Ci為第i層隔熱層總熱容，Ti為第i層溫度，Ri為第i層傳熱熱阻。罐體傳給儲罐內介質的熱量

式中，Tsw＿1，Tbw＿1，Ttw＿1分別是罐體側壁、底部和頂部與罐內介質接觸層的溫度。Rsw＿0，Rbw＿0，Rtw＿0是對應隔熱層的熱阻。

表1 大型LNG儲罐隔熱層材料參數Table1 Material parameters of LNG storage tank

2.2.2 儲罐兩相容積節點模型 儲罐數學模型采用集總參數法處理，節點的壓力、工質組成、溫度的變化，可分別由質量守恒方程、物料守恒方程、能量方程導出，基本方程如下

對于四元混合工質 （氮氣，甲烷，乙烷，丙烷），式 （4）中組分zi的方程共包括3個獨立方程。對于罐內壓力

壓縮因子Zm隨著溫度和壓力的改變而改變，由PR 狀態方程［3］求解。

物性參數：密度、焓、內能等均可通過相應的狀態方程和理想氣體比熱方程求得［3］。

2.3 噴淋LNG氣化量的確定

系統降溫過程共經歷了約70h，在儲罐預冷開始時，LNG進入儲罐后全部氣化，但是當溫度下降到足夠低溫時，噴淋的過冷LNG并不能完全氣化，一部分液體沉降到儲罐底部，導致預冷過程后期，即使加大噴淋量，溫度下降速度依然變慢［4］。

過冷LNG進入儲罐后的傳熱過程可看作多個分散液滴表面蒸發的過程。由于傳熱過程受到氣液相間的物理作用影響，這些互相作用非常復雜，而且包含許多因素，如溫度、壓力、湍流、液滴在氣相中的擴散、液滴與液滴之間的相互作用［5］，參考燃油液滴蒸發過程的傳熱機理［5－7］、甲烷沸騰傳熱研究［8－10］和噴嘴霧化特性研究［11－12］。本文建立一個弱化物理模型的考慮，針對預冷過程影響因素，并且通過因次分析得到的關于噴淋預冷過程的總換熱系數h（W·K－1）關聯式

式中，P為儲罐壓力，˙min為該時刻噴淋LNG的流量，dn為噴淋口直徑，λ為天然氣的熱導率，SMD為索太爾平均半徑。

噴淋LNG后，LNG的霧化情況與傳熱面積呈正相關關系，液霧由大小不等的液滴顆粒組成，為了可以量化考慮霧化質量和表示其霧化特性，需要一個既可以表示顆粒直徑大小又適用于傳熱計算的表達式，即液滴尺寸分布表達式［11］。目前常用的液滴特征直徑表達式都是經驗公式，至今還沒有從理論上推導出量化液體顆粒分布的表達式，比較流行的方法是用索太爾平均直徑 （SMD）作為液滴出口特征直徑，其物理意義為液霧內全部液滴的總體積與總表面積的比值，如式 （7）所示［11－14］

預冷過程中，噴淋環上的噴頭為螺旋式噴嘴，共有18個噴嘴，噴嘴內徑為5.6mm，因此對于LNG液霧的索太爾平均直徑，采用螺旋噴嘴液滴平均直徑dn的擬合式［13］

式中，We、Ren為 Weber數和噴頭出口LNG的Reynolds數，ρG、ρL為天然氣的氣相和液相密度，vL、σ、μL為LNG的噴射速度、表面張力系數和液體的動力黏度。

另外，SMD決定了LNG液霧的初始直徑，但是在蒸發過程中液霧的碰撞和下落會對平均蒸發面積有一定影響，而且，隨著噴淋量的增大，液霧碰撞概率會明顯增加，所以定義為換熱過程的液滴平均直徑

式中，δ為關于平均直徑的修正系數，為一經驗參數，可根據實測數據確定，一般取δ＝0.8。對于傳熱過程，采用廣泛使用的Ranz－Marshall關聯式［11］

式中，μG為罐內氣相介質的動力黏度，v為液滴相對氣相介質的速度，由于液滴半徑非常小，噴射后阻力和重力會迅速達到平衡，g為重力加速度，所以式 （13）中，v由斯托克斯定律求得［11］

綜上，大型儲罐預冷噴淋傳熱系數的表達式為

式中，N為液霧的特征數量，由噴淋量和液霧的擴散特性決定，所以對任一時刻τ

進入儲罐LNG蒸發量可由式 （19）求出

式中，γLNG為噴淋LNG的蒸發潛熱。

對τ時刻，噴淋LNG蒸發率可表示為

若e≥1，則進入的LNG全部蒸發；若0≤e＜1，則有一部分液體沉降至儲罐底部，使得液位上升。其液位L的函數為

式中，D為儲罐內徑。

3 動態模擬計算結果

儲罐預冷過程約需要70h，預冷開始前，儲罐充滿室溫下的甲烷，預冷工質組成如表2，預冷模擬的初始溫度及壓力條件如表3。

表2 預冷噴淋LNG組成Table 2 Composition of LNG

表3 儲罐預冷計算初始條件Table3 Initial conditions of pre－cooling simulation

以某LNG接收站的一次儲罐預冷的噴淋量作為對比噴淋量，通過建立的仿真系統以穩定的降溫速度為優化目標，計算出一個LNG噴淋量的優化策略。動態模擬儲罐預冷的對比工況的噴淋量和優化工況的噴淋量如圖3所示。

圖4為對比工況值與優化工況值的壓力值，可以看出，在預冷開始時，儲罐壓力會上升約0.3kPa，優化工況下，較大的噴淋量會使得儲罐壓力上升較快，但是通過調整BOG流量，可以使得儲罐壓力維持在設計壓力之內，預冷時間大于45h后，儲罐壓力開始緩慢下降，主要是因為噴淋的LNG有部分開始沉降到罐底，使得BOG量變小。預冷過程中，儲罐壓力波動不大，較為穩定。

圖3 對比工況與優化工況的噴淋量Fig.3 LNG inject rates of experimental and optimized processes

圖4 對比工況與優化工況的壓力變化Fig.4 Pressure variation of experimental and optimized processes

圖5 對比工況與優化工況的溫度變化曲線Fig.5 Temperature variation of experimental and optimized processes

圖5為對比工況與優化工況的溫度變化曲線，圖中可以看出，優化的噴淋量溫度下降速率較為平穩，在儲罐溫度下降至135K前，降溫速率都維持在3.8K·h－1左右；而對比值降溫速率變化較大，數值變化范圍從0.5K·h－1到4.8K·h－1，降溫速率波動較大，將會對預冷所需時間、儲罐安全等造成不確定的影響，由圖5可以看出，優化工況下，儲罐在60h左右已經完成預冷。儲罐內部溫度下降至130K之后，降溫速度逐漸變慢，這是由于在低溫下，噴淋的LNG不能完全蒸發造成的，溫度越低，蒸發量越小。

如圖6所示，兩種預冷策略對BOG流量的控制區別較大。在對比工況下，預冷前期噴淋量較小，產生BOG量不多，但是預冷時間到了34h后，噴淋量維持在較高水平，此時為了維持罐內壓力，增大BOG流量。在優化工況下，預冷開始儲罐內部的降溫速率就維持在比較合理的數值，噴淋量較大，所以BOG流量一直較為穩定，在47h后，由于儲罐內部溫度足夠低，噴淋的LNG有較多部分沉降至罐底，于是BOG流量可以維持在較低水平。儲罐達到115K時，兩種工況分別排出BOG氣體239.3t（對比工況）和240t（優化工況），但對比工況在后期排出較多低溫BOG，這對冷量造成了一定的浪費。

圖6 對比工況與優化工況的BOG流量Fig.6 BOG flow rates of experimental and optimized processes

圖7為兩個工況下的液位高度。在優化工況下，其降溫速率較快而且穩定，所以會更早形成液位，產生液位的時間比較對比工況提早12h。實際操作中，當儲罐的液位有一定高度時，可以使用進液管對儲罐進行大流量進液。采用優化的儲罐預冷策略有利于加快預冷工作的完成。

圖7 對比工況與優化工況的液位高度Fig.7 Liquid levels of experimental and optimized processes

4 結 論

建立了對大型LNG儲罐的氣液兩相容積節點模型的儲罐預冷動態模擬的方法，基于模型，搭建了動態模擬計算平臺，對儲罐預冷過程中的噴淋流量和BOG流量操作策略進行了研究，得出如下結論：

（1）在儲罐預冷開始時，儲罐壓力會有明顯的上升，根據不同的操作策略，調節BOG流量，基本可以維持儲罐壓力的穩定。

（2）在預冷過程前期，過于謹慎的預冷策略會導致儲罐降溫速度不穩定、預冷時間延長和預冷后期BOG流量過大而導致冷量的浪費問題。

（3）優化工況和對比工況在70h內的LNG噴淋量分別是967t和700t，排出的BOG分別是265t和245t。在排出的BOG相差不足10%的情況下，采用經過系統優化的預冷策略，可以保證儲罐快速穩定地降至目標溫度，減少冷量的浪費。優化工況下產生液位的時間比對比工況提前了約12h，大流量進液過程也相應提前，加快預冷后續工作的完成。

（4）所建立的氣液兩相容積節點LNG儲罐和噴淋LNG蒸發模型以及動態模擬方法可以較準確地模擬LNG儲罐的預冷降溫規律，可為實際系統預冷過程的調試優化、設計冷卻策略，提供科學和準確的預測手段。

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