大型LNG储罐预冷过程非稳态传热分析

摘要

天然气是一种高效、无污染的一次能源，在当今世界能源消耗总量中位居第二。液化天然气（简称LNG）是天然气经压缩、冷却至沸点以下所产生的液体，为天然气的长距离输送、储存等各个方面提供了有利条件，而LNG产业链已经成为影响全球天然气供应格局的重要因素。随着全球能源需求量的持续增加以及LNG产业链的快速发展，中小型LNG储罐已无法满足LNG储存和运输的需求，大型LNG储罐以其节约材料、方便管理和节约投资等优点势必成为发展趋势。大型LNG储罐投产前的准备工作中，约有一半的低温储罐事故是发生在储罐的预冷过程中，因此预冷是大型LNG储罐投产前最为关键的一步。充分的储罐预冷作业前准备，冷却速率和预冷用LNG量的计算，以及安全措施的严格执行是大型LNG储罐预冷得以顺利实施的重要保证。
　　首先，简述了大型LNG储罐的预冷流程，包括吹扫干燥、氮气吹扫置换、LNG预冷等步骤。基于IAPWS-IF2008标准推导出湿空气含湿量和相对湿度计算公式，确定了水蒸气质量浓度计算公式，进而由全面通风微分方程确定了氮气置换所需时间。其次，对大型LNG储罐预冷过程进行了非稳态传热分析，表明在大型LNG储罐预冷过程中，热量消耗分为两大部分，一部分是冷却罐体、保温层和罐内气体所消耗的热量，另一部分是在预冷过程中储罐漏热所消耗的热量。储罐漏热包括罐顶漏热、罐底漏热及罐壁漏热。其中，罐顶漏热包括储罐内罐罐体冷却、吊顶间气体对流换热及热辐射;罐底漏热包括储罐内罐罐体冷却和保温层导热;罐壁漏热包括储罐内罐罐体、内罐外保温层冷却和内罐外保温层的导热、夹层内气体的对流传热。根据质量平衡方程和能量平衡方程，建立了整个预冷过程的传热模型，并应用MathCAD编制了大型LNG储罐预冷过程的计算程序。
　　最后，以一台16万m3LNG储罐为例，建立大型LNG储罐罐壁的有限元模型，对预冷过程中储罐罐壁的传热过程进行分析，得到保温层在预冷结束时的平均温度为246.3K。应用MathCAD编制的计算程序对预冷过程中内罐、绝热层和罐内气体到达使用温度所需要的热量以及预冷过程中储罐的漏热量进行了计算，最终得到了定压下该大型LNG储罐罐内温度变化趋势、冷却速率变化趋势、冷却速率峰值、冷却时间、冷却所需LNG总量、储罐各部分消耗热量比例和LNG释放热量比例。通过对大型LNG储罐预冷过程中非稳态传热计算，确定了大型LNG储罐预冷过程中所需时间、热量和进口LNG流速，保证储罐在预冷过程中的安全运行，为实际中的储罐预冷提供理论依据和技术支持。

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摘要

插图索引

插表索引

第1章 绪论

1．1 LNG概况

1．2 LNG发展现状

1．2．1 世界LNG发展现状

1．2．2 中国LNG发展现状

1．3 大型LNG储罐概况

1．3．1 大型LNG储罐简介

1．3．2 LNG储罐分类

1．4 本文研究内容

第2章 大型LNG储罐预冷流程

2．1 大型LNG储罐预冷概述

2．2 预冷前吹扫、干燥

2．2．1 吹扫、干燥空间及条件

2．2．2 干燥时间理论计算

2．3 预冷前氮气置换

2．3．1 罐内湿空气的物性计算

2．3．2 氮气吹扫置换流程

2．4 LNG预冷流程

2．5 本章小结

第3章 大型LNG储罐预冷传热分析

3．1 热分析概述

3．1．1 自由分子状态气体导热

3．1．2 绝热体传热分析

3．2 预冷能量分析

3．2．1 预冷能量分析假设

3．2．2 预冷热量分析

3．3 储罐漏热分析

3．3．1 太阳辐射

3．3．2 储罐罐顶漏热分析

3．3．3 储罐罐底漏热分析

3．3．4 储罐罐壁漏热分析

3．4 大型LNG储罐预冷编程

3．5 本章小结

第4章 16万m3LNG储罐预冷计算及结果分析

4．1 16万m3LNG储罐数据

4．2 预冷能量计算

4．2．1 罐体预冷能量计算

4．2．2 储罐罐壁温度场分析

4．3 预冷过程中的漏热量计算

4．3．1 罐顶漏热量计算

4．3．2 罐底漏热量计算

4．3．3 罐壁漏热量计算

4．4 16万m3LNG储罐预冷结果分析

4．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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