LNG儲罐自增壓氣化器的計算選型
LNG儲罐自增壓氣化器的計算選型
一、概述
隨著管道天然氣的覆蓋范圍和消費群體不斷擴大，用氣的不均勻性的矛盾也逐步顯現(xiàn)，比如居民和餐飲用氣的潮汐現(xiàn)象突出。此外，冬季的供氣矛盾近年來日益明顯。用氣的不均勻性矛盾考驗著城鎮(zhèn)燃氣企業(yè)的運行水平和運行保障能力?，F(xiàn)在，單純地依靠管網(wǎng)儲氣已經(jīng)滿足不了用氣調(diào)節(jié)需求，這就要求燃氣企業(yè)具有一定程度的調(diào)峰儲備和應(yīng)急儲備?！冻擎?zhèn)燃氣管理條例》中也提出要健全燃氣應(yīng)急儲備制度，提高燃氣應(yīng)急保障能力。而城鎮(zhèn)燃氣多層次儲備體系氣源以液化天然氣為主，常用儲備方式為LNG儲罐。
LNG儲罐充液卸液主要依靠儲罐頂部氣相空間壓力和罐內(nèi)液體自重進行，一般無機械外力作用。為維持罐內(nèi)氣液平衡，需要利用增壓氣化器生成足夠的滿足氣相空間壓力要求的氣體?？梢娫鰤簹饣鞯倪x型關(guān)乎儲罐的運行和安全。
二、LNG儲罐自增壓氣化器的工作流程
2.1 理論分析
LNG儲罐正常工作時，LNG儲罐出液管穩(wěn)定出液，儲罐內(nèi)液面不斷下降，氣相空間容積不斷增大，為維持氣相空間穩(wěn)定的壓力，氣相空間內(nèi)需要不斷補充飽和氣體，補充的氣體體積V等于液體輸送量V液；LNG的輸送壓力P=P空+P靜。（其中P空-氣相空間壓力，P靜-罐內(nèi)LNG液體靜壓。因為P空>>P靜，可認為P=P空。）在此過程中，氣相空間氣體對液體所作的功為=PV。
自增壓氣化器生成的氣體為輸送壓力下的過飽和氣體，氣體的工作溫度取輸送壓力下的飽和溫度T飽。自增壓氣化器進口的液體壓力為P，不計液體輸送過程中的溫升，進入氣化器的液體溫度可等同于儲罐內(nèi)液體的溫度，該狀態(tài)下液體的焓為i?。氣化器出口飽和氣體被引入儲罐氣相空間，該氣體的焓記為i（壓力為P、溫度為T飽）。根據(jù)能量守恒定理，氣化器吸入的熱量應(yīng)滿足液體氣化和罐內(nèi)氣體做功的能量，即：
Q=Vρ（i-i?）+N。（ρ -飽和氣體的密度）。
2.2 LNG儲罐自增壓流程
儲罐自增壓工藝部分涉及設(shè)備有增壓調(diào)節(jié)閥和自增壓氣化器。自增壓氣化器主要工作過程分為LNG儲罐充液后的增壓和LNG儲罐正常工作持續(xù)出液時的增壓兩部分。增壓調(diào)節(jié)閥的壓力設(shè)置與LNG儲罐的工作壓力有關(guān)，假定儲罐正常工作壓力為0.6MPa。
LNG儲罐正常工作時，增壓調(diào)節(jié)閥的開啟壓力設(shè)為0.6MPa，當(dāng)LNG儲罐內(nèi)壓力低于0.6MPa時，增壓調(diào)節(jié)閥開啟，液相天然氣經(jīng)出液管進入自增壓汽化器后氣化，經(jīng)由增壓調(diào)節(jié)閥后沿氣相管進入儲罐氣相空間；當(dāng)儲罐內(nèi)壓力高出增壓調(diào)節(jié)閥開啟壓力10%~15%時，增壓調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，自增壓氣化器停止工作。
LNG儲罐充液時，為保證槽車卸液順利，需要對LNG槽車增壓、LNG儲罐降壓，LNG儲罐常降壓到0.3MPa左右，以讓槽車與儲罐之間維持0.2MPa以上的壓差。卸液完成后，LNG儲罐需利用自增壓氣化器將儲罐內(nèi)壓力由0.3MPa增加至0.6MPa。
三、選型計算
3.1 LNG槽車卸液完成后儲罐增壓
以100 m3儲罐為例，充裝率按0.9計算，氣相空間為10 m3。LNG槽車卸液完成后，儲罐內(nèi)將氣相空間壓力要由0.3MPa提升到0.6MPa，完成時間按30min計算。
查《液化天然氣技術(shù)》，甲烷在0.4MPa（絕壓）時，飽和氣體溫度為131.4K；在0.7MPa（絕壓）時，飽和氣體溫度為141.7K。《燃氣工程技術(shù)手冊》中指出，在溫度較低，實際氣體的狀態(tài)方程在計算時需計入壓縮系數(shù)。查甲烷臨界溫度190.58K，臨界壓力4.544MPa。
在0.4MPa（絕壓）時，對比溫度Tr=131.4/190.58=0.69，對比壓力Pr=0.4/4.544=0.09,查表得壓縮系數(shù)Z1=0.89。
同理，在0.7MPa（絕壓）時Z2=0.84。
儲罐由0.3MPa增壓至0.6MPa時所需氣化量：Q1=0.7*10/141.7*293/0.101325*1/0.84-0.4*10/131.4*293/0.101325*1/0.89=71m3。
單位時間內(nèi)氣化量為142m3。
3.2 LNG儲罐向管網(wǎng)供氣時儲罐增壓
氣化站向管網(wǎng)供氣，儲罐持續(xù)出液，LNG在管內(nèi)流速不大于1m/s,以LNG儲罐出液管DN50（D57x3.5）為例。
儲罐出液流量：3.14/4*0.052*1*3600=7.07m3/h。
減少的液相空間需要0.6MPa飽和氣體填充，折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時：07*7.07/141.7*293/0.101325*1/0.84=120m3/h。
兩個計算結(jié)果取大值，自增壓氣化器的規(guī)格不小于142m3/h，考慮綜上到實際氣化效果，自增壓汽化器規(guī)格不小于200m3/h。
四、結(jié)論
1.自增壓氣化器的規(guī)格與LNG儲罐的工作壓力、所處環(huán)境等情況有關(guān)。LNG儲罐在正常工作狀態(tài)時和儲罐充裝完成后增壓狀態(tài)時所需的飽和氣量是不一樣的，應(yīng)取兩者中的大值。
2.BOG、EAG氣化器規(guī)格型號可根據(jù)運行參數(shù)參照計算選型。
3.在0.6MPa工作壓力時，100 m3儲罐的自增壓氣化器規(guī)格不小于200 m3/h。
隨著管道天然氣的覆蓋范圍和消費群體不斷擴大，用氣的不均勻性的矛盾也逐步顯現(xiàn)，比如居民和餐飲用氣的潮汐現(xiàn)象突出。此外，冬季的供氣矛盾近年來日益明顯。用氣的不均勻性矛盾考驗著城鎮(zhèn)燃氣企業(yè)的運行水平和運行保障能力?，F(xiàn)在，單純地依靠管網(wǎng)儲氣已經(jīng)滿足不了用氣調(diào)節(jié)需求，這就要求燃氣企業(yè)具有一定程度的調(diào)峰儲備和應(yīng)急儲備?！冻擎?zhèn)燃氣管理條例》中也提出要健全燃氣應(yīng)急儲備制度，提高燃氣應(yīng)急保障能力。而城鎮(zhèn)燃氣多層次儲備體系氣源以液化天然氣為主，常用儲備方式為LNG儲罐。
LNG儲罐充液卸液主要依靠儲罐頂部氣相空間壓力和罐內(nèi)液體自重進行，一般無機械外力作用。為維持罐內(nèi)氣液平衡，需要利用增壓氣化器生成足夠的滿足氣相空間壓力要求的氣體?？梢娫鰤簹饣鞯倪x型關(guān)乎儲罐的運行和安全。
二、LNG儲罐自增壓氣化器的工作流程
2.1 理論分析
LNG儲罐正常工作時，LNG儲罐出液管穩(wěn)定出液，儲罐內(nèi)液面不斷下降，氣相空間容積不斷增大，為維持氣相空間穩(wěn)定的壓力，氣相空間內(nèi)需要不斷補充飽和氣體，補充的氣體體積V等于液體輸送量V液；LNG的輸送壓力P=P空+P靜。（其中P空-氣相空間壓力，P靜-罐內(nèi)LNG液體靜壓。因為P空>>P靜，可認為P=P空。）在此過程中，氣相空間氣體對液體所作的功為=PV。
自增壓氣化器生成的氣體為輸送壓力下的過飽和氣體，氣體的工作溫度取輸送壓力下的飽和溫度T飽。自增壓氣化器進口的液體壓力為P，不計液體輸送過程中的溫升，進入氣化器的液體溫度可等同于儲罐內(nèi)液體的溫度，該狀態(tài)下液體的焓為i?。氣化器出口飽和氣體被引入儲罐氣相空間，該氣體的焓記為i（壓力為P、溫度為T飽）。根據(jù)能量守恒定理，氣化器吸入的熱量應(yīng)滿足液體氣化和罐內(nèi)氣體做功的能量，即：
Q=Vρ（i-i?）+N。（ρ -飽和氣體的密度）。
2.2 LNG儲罐自增壓流程
儲罐自增壓工藝部分涉及設(shè)備有增壓調(diào)節(jié)閥和自增壓氣化器。自增壓氣化器主要工作過程分為LNG儲罐充液后的增壓和LNG儲罐正常工作持續(xù)出液時的增壓兩部分。增壓調(diào)節(jié)閥的壓力設(shè)置與LNG儲罐的工作壓力有關(guān)，假定儲罐正常工作壓力為0.6MPa。
LNG儲罐正常工作時，增壓調(diào)節(jié)閥的開啟壓力設(shè)為0.6MPa，當(dāng)LNG儲罐內(nèi)壓力低于0.6MPa時，增壓調(diào)節(jié)閥開啟，液相天然氣經(jīng)出液管進入自增壓汽化器后氣化，經(jīng)由增壓調(diào)節(jié)閥后沿氣相管進入儲罐氣相空間；當(dāng)儲罐內(nèi)壓力高出增壓調(diào)節(jié)閥開啟壓力10%~15%時，增壓調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，自增壓氣化器停止工作。
LNG儲罐充液時，為保證槽車卸液順利，需要對LNG槽車增壓、LNG儲罐降壓，LNG儲罐常降壓到0.3MPa左右，以讓槽車與儲罐之間維持0.2MPa以上的壓差。卸液完成后，LNG儲罐需利用自增壓氣化器將儲罐內(nèi)壓力由0.3MPa增加至0.6MPa。
三、選型計算
3.1 LNG槽車卸液完成后儲罐增壓
以100 m3儲罐為例，充裝率按0.9計算，氣相空間為10 m3。LNG槽車卸液完成后，儲罐內(nèi)將氣相空間壓力要由0.3MPa提升到0.6MPa，完成時間按30min計算。
查《液化天然氣技術(shù)》，甲烷在0.4MPa（絕壓）時，飽和氣體溫度為131.4K；在0.7MPa（絕壓）時，飽和氣體溫度為141.7K。《燃氣工程技術(shù)手冊》中指出，在溫度較低，實際氣體的狀態(tài)方程在計算時需計入壓縮系數(shù)。查甲烷臨界溫度190.58K，臨界壓力4.544MPa。
在0.4MPa（絕壓）時，對比溫度Tr=131.4/190.58=0.69，對比壓力Pr=0.4/4.544=0.09,查表得壓縮系數(shù)Z1=0.89。
同理，在0.7MPa（絕壓）時Z2=0.84。
儲罐由0.3MPa增壓至0.6MPa時所需氣化量：Q1=0.7*10/141.7*293/0.101325*1/0.84-0.4*10/131.4*293/0.101325*1/0.89=71m3。
單位時間內(nèi)氣化量為142m3。
3.2 LNG儲罐向管網(wǎng)供氣時儲罐增壓
氣化站向管網(wǎng)供氣，儲罐持續(xù)出液，LNG在管內(nèi)流速不大于1m/s,以LNG儲罐出液管DN50（D57x3.5）為例。
儲罐出液流量：3.14/4*0.052*1*3600=7.07m3/h。
減少的液相空間需要0.6MPa飽和氣體填充，折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時：07*7.07/141.7*293/0.101325*1/0.84=120m3/h。
兩個計算結(jié)果取大值，自增壓氣化器的規(guī)格不小于142m3/h，考慮綜上到實際氣化效果，自增壓汽化器規(guī)格不小于200m3/h。
四、結(jié)論
1.自增壓氣化器的規(guī)格與LNG儲罐的工作壓力、所處環(huán)境等情況有關(guān)。LNG儲罐在正常工作狀態(tài)時和儲罐充裝完成后增壓狀態(tài)時所需的飽和氣量是不一樣的，應(yīng)取兩者中的大值。
2.BOG、EAG氣化器規(guī)格型號可根據(jù)運行參數(shù)參照計算選型。
3.在0.6MPa工作壓力時，100 m3儲罐的自增壓氣化器規(guī)格不小于200 m3/h。