影响LNG储存容器蒸发率因素的研究

【摘要】： LNG(Liquefied Natural Gas的简写)就是将矿场生产的天然气经过净化、制冷、液化等措施后,在常压、-160℃下成为液态的天然气。LNG是一种多组分混合物,其温度和组分的变化都会引发诸多问题,如储罐中LNG分层和翻滚问题、蒸发问题等。为了解决这些问题,就需要了解LNG分层和翻滚的演变规律,弄清楚LNG储罐内温度场分布、压力及蒸发变化规律。 利用储罐的静态日蒸发率和保温层导热系数表达的修正格拉晓夫数Gr*,在国内首次建立了LNG在储罐内自然对流流态的判别准则,并用实例进行计算,判别结果和实测结果一致。用该判别准则对不同类型的LNG储罐进行计算,结果表明LNG在储罐内的自然对流流态可能为层流,也可能为紊流。 基于双扩散理论和粘性流体方程,建立了紊流态LNG分层和翻滚演变的数学模型,借助于改进的FLUENT软件对紊流态LNG分层和翻滚演变模型进行求解,可以直观地看到LNG分层和翻滚的演变过程分为:固定分界面阶段、移动分层界面阶段、分层界面加速移动阶段和翻滚阶段四个阶段,这与国外文献中的模拟试验结果一致。通过分析计算结果,作者认为LNG分层和储罐内LNG的热边界层流动是产生翻滚的根本原因,中心射流的冲击和卷携作用及热边界层流动是破坏LNG分层界面的主要因素。利用紊流态LNG分层与翻滚演变模型对影响LNG分层与翻滚演变过程的各种因素进行分析发现,当液体分为两层时,上重下轻分层在环境的漏热作用下会发生分层位置的自发调整现象,且发生翻滚的时间(508min)比下重上轻分层发生翻滚需要的时间(445min)长;当储罐内液体的分层数趋于无穷多,相邻分层间密度差趋于零时,分层发生翻滚的时间将趋于无穷大,即混合均匀的LNG不会发生翻滚。 在国内首次以LNG为试验介质、以密闭LNG储罐为对象进行了储罐的压力、日蒸发气体量及蒸发率试验,结果证明:(1)密闭LNG储罐内的温度场是非均匀的,即气相部分温度高于气液分界面处温度、气液分界面处液体温度高于液相主体的温度;(2)存在临界初始充满率,当初始充满率小于临界充满率时,某一充满率下的日蒸发气体量和蒸发率随时间增加而增大;当初始充满率大于临界充满率时,某一充满率下的日蒸发气体量和蒸发率先随着时间增加而增大,后又随着时间的增加而减小。 基于试验结果和质量守恒及能量守恒原理,建立了密闭LNG储罐三分相蒸发率模型,用C语言编制了计算程序,并进行了实例验证。结果证明三分相蒸发率模型的计算结果与试验结果基本一致,且比HYSYS软件的计算结果更接近试验值。 利用三分相蒸发率模型分析了各种影响密闭LNG储罐的压力和蒸发率的因素,结果显示在计算的压力范围(0.35MPa~0.75MPa)内:(1)密闭LNG储罐存在一“最佳初始充满率(本论文计算: ? ic = 0.805)”,当初始充满率小于最佳初始充满率时,储罐的安全储存时间随着初始充满率增大而增大;初始充满率大于最佳初始充满率时,储罐的安全储存时间随初始充满率增大而减小;充满率等于最佳初始充满率时密闭LNG储罐的安全储存时间最大(本论文计算t max = 23.77天)。(2)储罐保温层导热系数越大,储罐内压力上升得越快,安全储存时间就越短。(3)LNG含氮量越高,储罐的日蒸发气体量越多,压力上升的越快,安全储存时间越短。