碩士學(xué)位論文lng汽化站儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬研究

1、<p><b>　　碩士學(xué)位論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　LNG汽化站儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬研究</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí) 供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)

2、及空調(diào)工程</p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱(chēng) </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p&

3、gt;<p>　　隨著世界能源局勢(shì)的緊張和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，天然氣以其清潔、高效的特點(diǎn)逐步進(jìn)入國(guó)民的生產(chǎn)和生活等各個(gè)方面。為滿(mǎn)足日益擴(kuò)大的天然氣需求量，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱(chēng)LNG）作為非管輸天然氣的主要來(lái)源，在我國(guó)得到了迅速發(fā)展。在LNG汽化站的工藝流程中，儲(chǔ)罐的自增壓工藝是很重要的一步，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)于自增壓工藝的研究較少，缺乏專(zhuān)門(mén)針對(duì)增壓器方面的功能改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，工程設(shè)計(jì)中對(duì)于

4、增壓器的選型也基本憑借經(jīng)驗(yàn)，無(wú)具體的確定方法和規(guī)范可循。因此，若要更進(jìn)一步改進(jìn)LNG汽化站的自增壓工藝，為增壓器選型方面提供更多的理論指導(dǎo)，對(duì)整個(gè)自增壓過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模擬研究，是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的。</p><p>　　本文根據(jù)實(shí)際氣源成分確定LNG的組成，分別對(duì)天然氣的熱力學(xué)性質(zhì)和遷移性質(zhì)的計(jì)算模型和混合規(guī)則等進(jìn)行了選擇，選擇了相平衡計(jì)算方法，并給出了物性計(jì)算中反向求解問(wèn)題的解決辦法，利用Matlab軟件對(duì)各個(gè)

5、參數(shù)計(jì)算編寫(xiě)了程序。</p><p>　　對(duì)比國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的低溫儲(chǔ)罐熱力學(xué)模型，建立了針對(duì)LNG汽化站儲(chǔ)罐自增壓熱力過(guò)程的物理數(shù)學(xué)模型，給出了增壓管路的傳熱和流阻計(jì)算方法。針對(duì)具體算例，進(jìn)行了自增壓過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。對(duì)增壓管路的傳熱和流阻進(jìn)行計(jì)算，得出了壓力、溫度等參數(shù)沿增壓管路的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)變化曲線(xiàn)，確定了自增壓過(guò)程的增壓氣體流量；對(duì)儲(chǔ)罐的傳熱傳質(zhì)計(jì)算求解，得出了儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、溫度等參數(shù)的變化曲線(xiàn)。分析了影響自增壓過(guò)程

6、的幾個(gè)重要因素，得出自增壓過(guò)程中壓力隨之變化的規(guī)律。</p><p>　　根據(jù)自增壓模擬結(jié)果，提出了滿(mǎn)足工程精度的自增壓選型的具體算法，針對(duì)100m3和150m3儲(chǔ)罐預(yù)增壓和穩(wěn)壓供氣等10個(gè)不同自增壓過(guò)程工況進(jìn)行計(jì)算，給出了這兩種規(guī)模儲(chǔ)罐應(yīng)匹配的增壓器合理選型方案，并對(duì)自增壓工藝的優(yōu)化與改進(jìn)提出了可行性建議。</p><p>　　關(guān)鍵詞：液化天然氣；汽化站；增壓器；傳熱傳質(zhì)；動(dòng)態(tài)模擬 &l

7、t;/p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With tensions and environmental problems of the world's energy situation is increasingly grim, natural gas for its clean, efficient features, suc

8、h as gradually into all aspects of national production and life. In order to meet the growing demand for natural gas, LNG (Liquefied Natural Gas, referred to as LNG) as a major source of non-pipeline natural gas, has bee

9、n developing rapidly in China. In the technological process of LNG Vaporizing Station, since the tank’s pressurized process is a very i</p><p>　　This paper identifies the composition of LNG according to actu

10、al gas source components, respectively selecting the calculations models and mixed rules for the thermodynamic properties and migration properties of natural gas. Described the phase equilibrium calculations and the reve

11、rse solve the problem, using Matlab written each parameter for calculation program, and lay a good foundation for the subsequent simulation.</p><p>　　CoMParison of existing cryogenic tanks thermodynamic mode

12、l domestic and abroad, established a physical and mathematical model suitable for self-pressurization process simulation, selecting models for heat transfer and flow resistance calculated of the pressurized pipeline. For

13、 specific examples, simulate for the self-pressurized process. Calculate the heat transfer and flow resistance for pressurized pipeline, drawn steady-state and dynamic-state curves of pressure, temperature, and other par

14、ame</p><p>　　According to the simulation results, proposed a specific algorithm that meets project accuracy in selection of self-pressurized process. Calculate the 100 m3 and 150 m3 LNG storage tank self-pre

15、ssurization process for different conditions, obtained some guidance conclusions to the selection of self-pressurized vaporizer. Finally, make some ??feasible suggestions for the self-pressurized process.</p><

16、p>　　Key words: Liquefied Natural Gas，Vaporizing Station，self-pressurized vaporizer， Heat and Mass Transfer，dynamic simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b&g

17、t;</p><p>　　AbstractII</p><p>　　第 1 章緒論1</p><p>　　1.1 課題的背景及意義1</p><p>　　1.1.1 中國(guó)天然氣及LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展1</p><p>　　1.1.2 LNG汽化站及其工藝簡(jiǎn)介2</p><p>　　1.1

18、.3 LNG增壓器簡(jiǎn)介5</p><p>　　1.1.4 課題的研究意義7</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀8</p><p>　　1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀8</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀9</p><p>　　1.3 課題的主要研究?jī)?nèi)容10</p><p>

19、;　　第 2 章 天然氣物性參數(shù)計(jì)算12</p><p>　　2.1 LNG氣樣組成12</p><p>　　2.2 天然氣熱力學(xué)物性參數(shù)計(jì)算13</p><p>　　2.2.1 密度13</p><p>　　2.2.2 焓值15</p><p>　　2.2.3 定壓比熱18</p><

20、p>　　2.2.4 汽化潛熱19</p><p>　　2.2.5 干度20</p><p>　　2.2.6 體積膨脹系數(shù)20</p><p>　　2.2.7 相平衡的計(jì)算21</p><p>　　2.2.8 泡點(diǎn)的計(jì)算25</p><p>　　2.2.9 物性計(jì)算中的反向求解問(wèn)題25</p>

21、;<p>　　2.3 天然氣遷移物性參數(shù)計(jì)算26</p><p>　　2.3.1 動(dòng)力粘度26</p><p>　　2.3.2 導(dǎo)熱系數(shù)29</p><p>　　2.4 本章小結(jié)31</p><p>　　第 3 章 自增壓系統(tǒng)模型的建立和分析32</p><p>　　3.1 LNG儲(chǔ)罐的自增壓供

22、氣系統(tǒng)32</p><p>　　3.1.1 自增壓系統(tǒng)的工作原理32</p><p>　　3.1.2 自增壓系統(tǒng)控制方式33</p><p>　　3.1.3 LNG儲(chǔ)罐熱力學(xué)模型的選擇和建立33</p><p>　　3.2 儲(chǔ)罐熱力學(xué)過(guò)程數(shù)學(xué)模型的建立35</p><p>　　3.2.1 儲(chǔ)罐數(shù)學(xué)方程的離散化

23、39</p><p>　　3.3 增壓管路的傳熱以及流阻計(jì)算41</p><p>　　3.3.1 概述41</p><p>　　3.3.2 增壓管路的傳熱計(jì)算42</p><p>　　3.3.3 增壓管路的流阻計(jì)算48</p><p>　　3.4 自增壓過(guò)程程序的設(shè)計(jì)50</p><p&

24、gt;　　3.4.1 自增壓計(jì)算流程設(shè)計(jì)50</p><p>　　3.4.2 程序主要問(wèn)題50</p><p>　　3.4.3 初始條件和邊界條件51</p><p>　　3.5 本章小結(jié)52</p><p>　　第 4 章 自增壓過(guò)程的求解與分析56</p><p>　　4.1 算例及分析56</p

25、><p>　　4.1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)及初始條件56</p><p>　　4.1.2 增壓管路的傳熱和流阻穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析58</p><p>　　4.1.3 增壓管路的傳熱和流阻動(dòng)態(tài)計(jì)算分析62</p><p>　　4.1.4 儲(chǔ)罐傳熱傳質(zhì)計(jì)算結(jié)果分析65</p><p>　　4.2 自增壓影響因素分析68</p

26、><p>　　4.2.1 天然氣的組成68</p><p>　　4.2.2 初始充滿(mǎn)率69</p><p>　　4.2.3 儲(chǔ)罐初始?jí)毫?9</p><p>　　4.2.4 室外溫度70</p><p>　　4.2.5 增壓器換熱71</p><p>　　4.3 本章小結(jié)71</p

27、><p>　　第 5 章 選型計(jì)算分析及建議72</p><p>　　5.1 增壓器的選型概述72</p><p>　　5.2 增壓器的選型分析72</p><p>　　5.2.1 增壓選型計(jì)算方法72</p><p>　　5.2.2 增壓計(jì)算工況分析74</p><p>　　5.3 自增

28、壓過(guò)程的建議78</p><p>　　5.4 本章小結(jié)79</p><p><b>　　結(jié)論與展望80</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)82</b></p><p><b>　　致 謝87</b></p><p><b>

29、;　　緒論</b></p><p><b>　　課題的背景及意義</b></p><p>　　中國(guó)天然氣及LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展</p><p>　　當(dāng)今世界，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，能源消耗巨大，而煤、石油等能源逐漸瀕臨耗盡，溫室效應(yīng)和環(huán)境污染等問(wèn)題則層出不窮，對(duì)人類(lèi)的賴(lài)以生存的環(huán)境造成了極大的威脅[,]。在這一背景下，天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、清潔、

30、高效的能源正逐步進(jìn)入人們的視野，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于發(fā)電、汽車(chē)、工業(yè)以及民用等各個(gè)領(lǐng)域[]。國(guó)際能源（IEA）的預(yù)測(cè)，天然氣的使用量將逐步超過(guò)煤和石油，成為第一能源，21世紀(jì)必將是天然氣發(fā)揮能源優(yōu)勢(shì)的一個(gè)大舞臺(tái)。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，我國(guó)在2010年天然氣的總產(chǎn)量為942億m3，在一次能源產(chǎn)量中的比重為4.3%；天然氣的總消耗量為1072億m3，在一次能源消耗量中的比重為4.4%，距離國(guó)際的平均指標(biāo)24%還有很大差距[]。從1980到2010

31、年，我國(guó)天然氣的年產(chǎn)量平均增長(zhǎng)率為6.6%，天然氣的年消耗量平均增長(zhǎng)率為7%。從2000到2010年，其年產(chǎn)量平均增長(zhǎng)率為13.5%，天然氣的年消耗量平均增長(zhǎng)率為15.9%[]。2006-2010年天然氣供求量及供求差如圖1-1所示，近幾年內(nèi)，國(guó)內(nèi)天然氣需求量仍飛速上漲，天然氣在一次能源的比重越來(lái)越大，據(jù)中石油預(yù)測(cè)，未來(lái)十年內(nèi)我國(guó)天然氣仍將保持上漲勢(shì)頭，消費(fèi)的年均增長(zhǎng)</p><p>　　圖11 2006-20

32、10年我國(guó)天然氣供求關(guān)系圖</p><p>　　為了解決這一突出矛盾，我國(guó)提高了進(jìn)口天然氣的數(shù)量，一方面通過(guò)長(zhǎng)輸管線(xiàn)從俄羅斯和澳大利亞等國(guó)家進(jìn)口，另一方面通過(guò)在建設(shè)大量LNG接收終端，以L(fǎng)NG船海運(yùn)引進(jìn)，中石化預(yù)測(cè)，2015年，天然氣進(jìn)口量將達(dá)1000億m3， 2020進(jìn)口量將達(dá)1750億m3，2030進(jìn)口量將達(dá)2500億m3，如圖1-2所示，LNG的進(jìn)口量幾乎都是成倍增長(zhǎng)。大量的進(jìn)口LNG首先通過(guò)LNG船海運(yùn)到

33、LNG接收終端，再通過(guò)槽車(chē)運(yùn)至各個(gè)城市的LNG汽化站，進(jìn)行城市LNG的儲(chǔ)存與供應(yīng)。</p><p>　　圖12 2010-2030年我國(guó)天然氣進(jìn)口量圖</p><p>　　由于LNG資源進(jìn)口量的劇增與國(guó)內(nèi)政策的支持，LNG汽化站得到了迅速發(fā)展。僅2001-2006年5年時(shí)間，國(guó)內(nèi)已建成的LNG汽化站就超過(guò)100個(gè)，供氣能力400 萬(wàn)m3/d。2006年之后，由于沿海大型接收終端的建設(shè)投

34、產(chǎn)，為L(zhǎng)NG的供應(yīng)提供了更多保障，LNG汽化站供應(yīng)市場(chǎng)迎來(lái)了黃金時(shí)段，據(jù)新奧集團(tuán)統(tǒng)計(jì)，目前僅新奧燃?xì)饩鸵言谌珖?guó)上百個(gè)城市建立了200余個(gè)LNG汽化站，覆蓋城區(qū)人口達(dá)到5800萬(wàn)以上。</p><p>　　LNG汽化站及其工藝簡(jiǎn)介</p><p>　　LNG汽化站(也稱(chēng)為L(zhǎng)NG衛(wèi)星站、LNG供氣站)，它是一個(gè)接收與儲(chǔ)配LNG的場(chǎng)所，同時(shí)也是城市或者燃?xì)馄髽I(yè)將LNG從其生產(chǎn)基地轉(zhuǎn)到燃?xì)庥脩?hù)的中

35、間場(chǎng)所[]。從氣源上定義，LNG汽化站是對(duì)一些不能使用管輸天然氣城鎮(zhèn)的主要?dú)庠椿蛘哌^(guò)渡氣源，同時(shí)還可以作為眾多管輸天然氣城市的調(diào)峰或補(bǔ)充氣源[]。</p><p>　　LNG汽化站主要設(shè)備包括LNG儲(chǔ)罐、汽化器、增壓器、LNG槽車(chē)以及調(diào)壓、計(jì)量和加臭系統(tǒng)。一般的汽化站的平面布置簡(jiǎn)圖和工藝流程圖如圖1-3和1-4所示。首先通過(guò)槽車(chē)將LNG運(yùn)至LNG汽化站，將槽車(chē)氣、液相管分別與卸車(chē)增壓器進(jìn)行連接，對(duì)其進(jìn)行自增壓卸車(chē)

36、，在壓差的作用下，將低溫LNG通過(guò)液相管注入LNG低溫儲(chǔ)罐中進(jìn)行儲(chǔ)存。當(dāng)供氣壓力不足時(shí)，則將LNG低溫儲(chǔ)罐的氣液相管與儲(chǔ)罐自增壓器連接，通過(guò)自增壓過(guò)程將儲(chǔ)罐的壓力升至一定閥值，使LNG罐內(nèi)的LNG可以流入LNG汽化器，低溫LNG在LNG汽化器中迅速換熱汽化，再進(jìn)過(guò)調(diào)壓、計(jì)量和加臭系統(tǒng)后輸入城市管網(wǎng)進(jìn)行供氣。下面對(duì)其主要工藝流程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。</p><p>　　圖13 汽化站平面布置圖</p>

37、<p>　　1-儲(chǔ)罐；2-儲(chǔ)罐增壓器；3-汽化器；4-調(diào)壓計(jì)量加臭撬；5-卸車(chē)增壓器；6-槽車(chē)；7-控制室</p><p>　　圖14 LNG汽化站的工藝流程圖</p><p><b>　　卸車(chē)流程</b></p><p>　　LNG槽車(chē)將LNG運(yùn)到汽化站的第一道工序就是卸車(chē)，卸車(chē)分為上進(jìn)液和下進(jìn)液兩種，通常LNG槽車(chē)將LNG運(yùn)輸

38、到汽化站時(shí)，其溫度要高于站內(nèi)溫度，從而采用下進(jìn)液的方式將高溫的LNG與儲(chǔ)罐內(nèi)的低溫LNG混合，防止從上進(jìn)液時(shí)氣相空間溫度和壓力迅速上升而導(dǎo)致安全事故。卸車(chē)流程中同樣需要采用卸車(chē)增壓器對(duì)槽車(chē)進(jìn)行自增壓，使槽車(chē)壓力保持高壓儲(chǔ)罐壓力，才能順利地完成槽車(chē)卸車(chē)工藝。</p><p><b>　　LNG的儲(chǔ)存</b></p><p>　　LNG的儲(chǔ)存方式一般有：?jiǎn)喂迬簝?chǔ)存、子母

39、罐帶壓儲(chǔ)存、常壓儲(chǔ)存[]。這三種方式各有利弊，現(xiàn)將其總結(jié)列于表1-1：</p><p>　　表11 LNG儲(chǔ)存方式優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　通常LNG汽化站的儲(chǔ)存方式選擇是通過(guò)儲(chǔ)存量計(jì)算得出的[]。儲(chǔ)量在1200m3以下時(shí)，通常采用單罐帶壓儲(chǔ)存方式，單罐的容積大多數(shù)采用100 m3，特殊情況下也可以用50或者150 m3；儲(chǔ)量在1200到5000 m3時(shí)，一般采用常壓儲(chǔ)存或者子母罐帶壓

40、儲(chǔ)存，當(dāng)采用子母罐帶壓儲(chǔ)存事，其單罐容積一般控制在600到1750 m3之間[]。</p><p><b>　　LNG的汽化</b></p><p>　　當(dāng)需要進(jìn)行供氣時(shí)，打開(kāi)儲(chǔ)罐的液相管，使低溫的LNG進(jìn)入汽化器內(nèi)進(jìn)行汽化，如果汽化器出口的氣相天然氣溫度低于5攝氏度，則需要打開(kāi)水浴汽化器進(jìn)行加熱，直到符合要求。對(duì)于汽化器，通常會(huì)遇到結(jié)霜而導(dǎo)致汽化效率降低的問(wèn)題。因此

41、，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)基本采用一用一備。</p><p><b>　　LNG的增壓</b></p><p>　　LNG汽化站內(nèi)的增壓包括兩個(gè)方面，一是卸車(chē)增壓，另一個(gè)是儲(chǔ)罐增壓。LNG汽化站常用的增壓方式有壓縮機(jī)增壓法、低溫泵增壓法和自增壓法3種方式。這三種方式的對(duì)比如下表1-2[]：</p><p>　　表12 LNG增壓方式優(yōu)缺點(diǎn)</p

42、><p>　　由于自增壓方式相對(duì)其他方式都要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，目前通常采用自增壓方式進(jìn)行增壓，對(duì)于卸車(chē)增壓工藝，通常將槽車(chē)的壓力增至比儲(chǔ)罐壓力高0.1MPa以上。LNG增壓器通常的工作壓力為0.5~0.6，進(jìn)口LNG溫度為-145~-161攝氏度，出口氣態(tài)天然氣的溫度為-50~-80攝氏度。對(duì)于儲(chǔ)罐自增壓系統(tǒng)，下文會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的敘述。</p><p><b>　　LNG增壓器簡(jiǎn)介</b

43、></p><p>　　對(duì)于LNG汽化器按照用途可分為：增壓式和供氣式。在LNG場(chǎng)站中，增壓式汽化器一般都簡(jiǎn)稱(chēng)為增壓器，其本質(zhì)上就是一種小型的汽化器 。本文主要的研究對(duì)象也就是這種增壓式汽化器，因此，在這里首先對(duì)LNG汽化器進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。</p><p>　　按其熱源進(jìn)行分類(lèi)，LNG汽化器可以分為加熱汽化器、環(huán)境汽化器和工藝汽化器。加熱汽化器的熱源為化工燃料、工業(yè)鍋爐等產(chǎn)生的熱量；

44、環(huán)境汽化器的熱源為周?chē)h(huán)境中的熱量，如海水、空氣以及土壤等；工藝汽化器的熱源為工藝的熱力過(guò)程或者化學(xué)反應(yīng)過(guò)程以及LNG冷能利用過(guò)程釋放出的熱量。下面主要介紹LNG汽化站內(nèi)最常用的空溫式汽化器。</p><p>　　目前LNG汽化站中用的最多是空溫式汽化器，水浴式汽化器主要在東北嚴(yán)寒地區(qū)采用，其他地區(qū)主要都是采用空溫式汽化器[]。夏天由于空氣溫度較高，汽化器出口的LNG氣體溫度也相對(duì)較高，可以直接送入管網(wǎng)，而在冬季

45、，尤其是北方地區(qū)，外界溫度都在零下十幾度，汽化器的汽化效率大大降低，導(dǎo)致空溫式汽化器出口的LNG氣體溫度過(guò)低，此時(shí)，若將其直接輸入管網(wǎng)供氣，將會(huì)對(duì)管線(xiàn)造成很大的損害，因此必須采用水浴汽化器對(duì)其進(jìn)行加熱到一定溫度才能進(jìn)入管網(wǎng)。</p><p>　　空溫式汽化器與空氣的換熱過(guò)程中，其換熱量包括兩部分：顯熱和潛熱。顯熱的損失導(dǎo)致空氣溫度的下降，當(dāng)達(dá)到露點(diǎn)以下時(shí)，便會(huì)凝結(jié)，放出汽化潛熱。凝結(jié)在管壁上的小水珠溫度繼續(xù)降低，

46、當(dāng)下降到凝固點(diǎn)以下時(shí)，水珠便會(huì)發(fā)生凝固，在翅片管周?chē)纬山Y(jié)霜現(xiàn)象。由于汽化器存在結(jié)霜問(wèn)題，在工作一段時(shí)間以后，汽化器上面通常會(huì)結(jié)上一層厚霜，當(dāng)環(huán)境惡劣時(shí)，汽化器周?chē)€會(huì)產(chǎn)生霧氣，使汽化器的換熱效果大大降低。當(dāng)其表面的霧氣嚴(yán)重時(shí)，將會(huì)影響到的正常供氣。所以，在LNG汽化站設(shè)計(jì)中，汽化器通常都會(huì)配置兩組以上，一用一備，當(dāng)其中的一臺(tái)發(fā)生結(jié)霜時(shí)，可以切換到另一臺(tái)工作，使其可以通過(guò)自身進(jìn)行排霧和化霜。</p><p>　　

47、空溫式汽化器是一種空氣式的換熱器，為了擴(kuò)大與空氣的換熱面積，將其換熱管設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)型，在其管外布置翅片，其外形圖如圖1-5所示。其中最常用的汽化器是8翅片式，各個(gè)翅片管通過(guò)一定的間距串聯(lián)和并聯(lián)起來(lái)。為了增強(qiáng)浮力流動(dòng)作用，將汽化器設(shè)計(jì)成修長(zhǎng)型，一般空溫式汽化器高度為2~20m，供氣能力為50-8000Nm³/h(更大汽化量可采用組合方式）。設(shè)計(jì)時(shí)LNG汽化器的底部通常都要高于地面一定的距離，以減少對(duì)空氣的流通阻力。</p&g

48、t;<p>　　圖15 LNG空溫式汽化器</p><p>　　LNG汽化增壓器（即LNG增壓器），它屬于小型的空溫式汽化器，工程上，對(duì)于LNG儲(chǔ)罐增壓器的配置，增壓器汽化量一般選擇200~800m³/h，可采用立式與臥式兩種布置方式，增壓器形式結(jié)構(gòu)如下圖1-6所示。</p><p>　　圖16 LNG增壓器</p><p><b

49、>　　課題的研究意義</b></p><p>　　液化天然氣的生產(chǎn)、接收、儲(chǔ)存、汽化與利用等各個(gè)方面的技術(shù)對(duì)其快速發(fā)展具有決定性作用。在LNG汽化站工藝中，儲(chǔ)罐的增壓工藝是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其增壓方式主要有自增壓方式、泵增壓方式以及依靠外部氣源增壓方式。其中，自增壓方式是目前運(yùn)用最為廣泛的低溫儲(chǔ)罐增壓方式，本文所研究的LNG汽化站也采用的自增壓方式，其增壓過(guò)程是通過(guò)將LNG儲(chǔ)罐中的液相LNG送

50、入汽化器中進(jìn)行汽化，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的天然氣后再充入儲(chǔ)罐的中，從而達(dá)到壓力增大的目的。</p><p>　　當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于LNG汽化站自增壓工藝與設(shè)備方面的研究大多只針對(duì)LNG儲(chǔ)罐或者LNG汽化器的一個(gè)方面進(jìn)行研究， 很少將LNG汽化站自增壓過(guò)程整體進(jìn)行研究，因此對(duì)于整個(gè)自增壓流程的動(dòng)態(tài)模擬的研究相對(duì)滯后。對(duì)于設(shè)備規(guī)范方面，美國(guó)及歐洲LNG的相關(guān)規(guī)范已經(jīng)比較完善，有包括對(duì)于某種設(shè)備的設(shè)計(jì)、施工與檢驗(yàn)等，對(duì)于國(guó)內(nèi)規(guī)范的

51、編寫(xiě)有很多借鑒的地方，例如國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T20368-2006《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》是參考了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NEPA 59A：2001[]。國(guó)內(nèi)對(duì)于LNG方面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)仍未健全，在LNG汽化站的工程設(shè)計(jì)中，基本參照GB50028- 2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》和 GB 50183- 2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)[]。規(guī)范上沒(méi)有給出儲(chǔ)罐增壓器的設(shè)備選型計(jì)算方法，一般是依據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)備選型，經(jīng)濟(jì)性和可

52、靠性較差；儲(chǔ)罐增壓器的相關(guān)運(yùn)行調(diào)節(jié)主要依靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際運(yùn)行偏差較大。研究?jī)?chǔ)罐增壓器的設(shè)備選型及其自增壓過(guò)程工作壓力、溫度等相關(guān)運(yùn)行參數(shù)是一項(xiàng)十分重要的技術(shù)基礎(chǔ)性工作，可作為合理選擇儲(chǔ)罐增壓器及其安全維護(hù)與操作提供理論依據(jù)，也可作為工程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p><b>　　國(guó)外研究現(xiàn)狀</b>

53、</p><p>　　國(guó)外對(duì)于LNG相關(guān)設(shè)備及技術(shù)開(kāi)始研究的都比較早，但大多是對(duì)于儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程研究較少，相關(guān)課題研究方向有低溫容器無(wú)損貯存規(guī)律的研究、汽化器換熱性能的研究以及火箭的低溫推進(jìn)劑貯箱自增壓系統(tǒng)，下面分別對(duì)這三部分進(jìn)行介紹。</p><p>　　在儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程的研究中，對(duì)于儲(chǔ)罐內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過(guò)程建模是必不可少的，這部分的理論依據(jù)來(lái)自于低溫貯存規(guī)律的研究。建立一個(gè)良好的熱力學(xué)模

54、型才能準(zhǔn)確的得出儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力、溫度、密度等參數(shù)的變化規(guī)律，國(guó)外在這方面已經(jīng)提出了許多模型，其中運(yùn)用比較廣泛的主要有：飽和均質(zhì)模型[]、S.Gursu[]提出的均相表面蒸發(fā)模型（均質(zhì)模型）、俄羅斯模型[]、T.E.Bailey[]提出的三區(qū)模型。這些模型在解決低溫儲(chǔ)存時(shí)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，下文在儲(chǔ)罐熱力學(xué)模型的選取時(shí)會(huì)對(duì)其進(jìn)行具體描述。</p><p>　　此外，單獨(dú)在LNG領(lǐng)域，A.E.Germeles[]第一次通過(guò)動(dòng)

55、力學(xué)模型將LNG儲(chǔ)罐空間分為n層，并且計(jì)算了表面的蒸發(fā)、各層的傳熱傳質(zhì)、罐內(nèi)的對(duì)流循環(huán)以及加熱。Y.Sugaware[]建立的LNG儲(chǔ)罐熱力學(xué)模型假設(shè)在上層與下層之間還存在有中間層，通過(guò)其作用影響界面的傳熱。因?yàn)樯蠈右后w與下層液體間存在對(duì)流作用，會(huì)導(dǎo)致中間層的厚度越來(lái)越小。S.Bates[]經(jīng)過(guò)對(duì) Chatterjee and Geist 和 Germeles 的模型的修正，提出了新模型來(lái)模擬 LNG 的翻滾現(xiàn)象。Q.-S.Chen[]

56、將LNG近似用甲烷單質(zhì)代替，通過(guò)傳熱傳質(zhì)相關(guān)理論分析了儲(chǔ)罐內(nèi)壓力與溫度的變化。 </p><p>　　儲(chǔ)罐自增壓器實(shí)際上是一個(gè)小型的空溫式汽化器，在LNG汽化站的自增壓過(guò)程中，自增壓汽化器的換熱工況是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。國(guó)外對(duì)于LNG汽化器的研究比較多，下面對(duì)這部分研究?jī)?nèi)容進(jìn)行介紹。</p><p>　　Lee[]與 Kong[]分別對(duì)空溫式汽化器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法的研究。得出了空氣側(cè)

57、流速、溫度以及翅片夾角、形式、結(jié)構(gòu)等對(duì)其換熱的影響規(guī)律。</p><p>　　Aytune Erek[]對(duì)低溫翅片管傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了翅片管的分布、位置、結(jié)構(gòu)尺寸這幾個(gè)因素對(duì)傳熱性能的影響。</p><p>　　Hyo-Min Jeong和Han Shik Chung對(duì)較為典型的兩種的翅片管汽化器展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究，為了確保實(shí)驗(yàn)的安全性，以液氮來(lái)代替液化天然氣，并通過(guò)改變空氣的流速、溫

58、度等狀態(tài)參數(shù)來(lái)模擬不同季節(jié)和不同環(huán)境的影響，同時(shí)對(duì)汽化器的結(jié)霜工況進(jìn)行了分析，其主要研究指標(biāo)為進(jìn)出口的焓差與溫度[]。</p><p>　　Hyo-Min Jeong和Han Shik Chung還建立了汽化器外側(cè)濕空氣結(jié)霜的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)與其實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出了翅片管溫度與其形式尺寸的關(guān)系以及霜層厚度與其夾角的關(guān)系，為L(zhǎng)NG汽化器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)[]。</p><p&g

59、t;　　此外，在航天的低溫推進(jìn)劑貯箱增壓系統(tǒng)領(lǐng)域，有不少相關(guān)研究，A.M Momenthy等 [,]建立了貯箱自增壓系統(tǒng)模型，該模型假設(shè)液相空間的溫度一致，而氣相空間存在溫度梯度，對(duì)其氣液界面及罐壁的傳熱分別建立方程，并且第一次進(jìn)行了編程計(jì)算。Van Dresar[]給出了增壓系統(tǒng)建模時(shí)的兩種最理想的情況，根據(jù)兩種模型可以分別計(jì)算出最少和最大的增壓氣體量，從而得出增壓氣體量的范圍。Majum-dar[]對(duì)貯箱自增壓系統(tǒng)建立了五個(gè)節(jié)點(diǎn)的集

60、中參數(shù)模型，對(duì)液氧、液氫、液氮等不同介質(zhì)的自增壓過(guò)程進(jìn)行了分析。Mansu Seo，Sangkwon Jeong[]通過(guò)實(shí)驗(yàn)使用各種熱泄漏和液相分?jǐn)?shù)的液態(tài)氮，分析了自增壓和增壓曲線(xiàn)的趨勢(shì)。對(duì)LNG方面，Sangeun Roh[]研究了LNG儲(chǔ)罐內(nèi)增壓過(guò)程中的瞬態(tài)自然對(duì)流現(xiàn)象，通過(guò)建立質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程，同時(shí)利用FLUENT軟件CFD進(jìn)行模擬求解。</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀&

61、lt;/b></p><p>　　黃莉[]分析了LNG儲(chǔ)存過(guò)程中罐內(nèi)液體蒸發(fā)，經(jīng)過(guò)分析得出儲(chǔ)存過(guò)程中液體的蒸發(fā)發(fā)生在液體表面及其附近，而蒸發(fā)氣相空間可認(rèn)為與上層液體近似地達(dá)到了氣液兩相平衡。在此基礎(chǔ)上，對(duì)儲(chǔ)罐的氣相空間建立了模型，分析了LNG在其儲(chǔ)存過(guò)程中氣相空間的動(dòng)態(tài)變化。</p><p>　　高德峰[]根據(jù)傳熱和傳質(zhì)相關(guān)理論建立了儲(chǔ)罐的自增壓模型，成功對(duì)方程進(jìn)行了離散求解。用甲烷

62、代替LNG近似計(jì)算，并通過(guò)查表法對(duì)其相關(guān)物性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)方程的求解進(jìn)行了編程。</p><p>　　劉之定，劉曉東[]采用三區(qū)模型對(duì)自增壓過(guò)程進(jìn)行模型的建立，通過(guò)計(jì)算求解得出了儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、溫度等參數(shù)變化。通過(guò)采用不同的初始充裝率和增壓氣體溫度，得出了其對(duì)壓力變化的影響曲線(xiàn)。</p><p>　　葉瑩，汪順華，楊曉東[]通過(guò)對(duì)車(chē)用LNG儲(chǔ)罐自增壓與穩(wěn)壓過(guò)程進(jìn)行分析，得出結(jié)論：在自增壓過(guò)程

63、中，LNG儲(chǔ)罐的液相空間溫度幾乎沒(méi)有變化，氣體空間壓力與溫度則是勻速上升的。在穩(wěn)壓過(guò)程中，由于壓力波動(dòng)頻率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制困難，且縮短了其使用年限。并且得出了引起壓力波動(dòng)頻率太快的原因是工作壓力的范圍太窄和汽車(chē)快速行駛過(guò)程中引起的劇烈震蕩。</p><p>　　此外，國(guó)內(nèi)在航天領(lǐng)域，對(duì)于火箭低溫推進(jìn)器貯箱的的增壓過(guò)程也有不少研究，王贊社[]等對(duì)通過(guò)對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫貯箱建立了熱力學(xué)模型，利用實(shí)際氣體的三大

64、方程及氣體空間的傳熱、傳質(zhì)等方程進(jìn)行了求解，得出了液氧貯箱內(nèi)的溫度、壓力等參數(shù)的變化規(guī)律。</p><p>　　國(guó)內(nèi)對(duì)空溫式汽化器的研究也已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，高華偉等對(duì)LNG空溫式汽化器的換熱進(jìn)行研究，將換熱管中的汽化過(guò)程分為氣相區(qū)、液相區(qū)以及兩相區(qū)三個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算，對(duì)氣相區(qū)和液相區(qū)兩個(gè)單相段建立了換熱模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬。陳瑞球等對(duì)翅片管的換熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了空氣濕度、風(fēng)速以及肋間距對(duì)翅片管換熱的

65、影響；此外，劉小川通過(guò)FLUENT 軟件模擬了汽化器在結(jié)霜時(shí)的換熱狀況[]。</p><p>　　目前，國(guó)內(nèi)外研究關(guān)于液化天然氣汽化站自增壓系統(tǒng)整體進(jìn)行研究的較少，以上文獻(xiàn)對(duì)于自增壓過(guò)程的模擬都是以純甲烷代替天然氣，傳熱傳質(zhì)和流阻過(guò)程都進(jìn)行了很多簡(jiǎn)化。如果甲烷含量不高且氣質(zhì)組分比較復(fù)雜的情況下，對(duì)于傳熱傳質(zhì)過(guò)程的計(jì)算和模型的選取與實(shí)際情況仍有一定差距，模擬的準(zhǔn)確度將大大下降。模擬的對(duì)象大都不是專(zhuān)門(mén)針對(duì)汽化站儲(chǔ)罐，

66、文獻(xiàn)[10]是對(duì)于大型LNG接收終端而言，儲(chǔ)罐容積在100000m3，文獻(xiàn)[33]是對(duì)于小型20 m3的儲(chǔ)罐，文獻(xiàn)[35]是對(duì)于LNG車(chē)用儲(chǔ)罐，國(guó)外對(duì)于航天火箭低溫推進(jìn)器貯箱自增壓方面的研究模型雖然較多，但大多模型是從液氧、液氮或者制冷劑等低溫儲(chǔ)罐長(zhǎng)時(shí)間無(wú)損貯存實(shí)驗(yàn)研究得出，而LNG屬于低溫混合物，成分包含烷烴和氮?dú)獾榷喾N成分，本文研究的LNG汽化站的儲(chǔ)罐屬于中小型儲(chǔ)罐，單罐有效容積通常為100m3或者150m3，自增壓過(guò)程有所不同，因

67、此，本文主要針對(duì)LNG汽化站的儲(chǔ)罐，以天然氣實(shí)際混合物組分計(jì)算其熱物性，考慮了增壓器及其管路的流動(dòng)阻力和傳熱計(jì)算，在進(jìn)行儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程模擬計(jì)算中經(jīng)過(guò)對(duì)比分析選擇合適的熱力模型，進(jìn)行編程計(jì)算。</p><p><b>　　課題的主要研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本課題從LNG汽化站儲(chǔ)罐自增壓的研究現(xiàn)狀及實(shí)際應(yīng)用情況出發(fā)，以L(fǎng)NG汽化站的儲(chǔ)罐自增壓為研究對(duì)象進(jìn)行研

68、究。研究?jī)?nèi)容主要為儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程中儲(chǔ)罐中壓力、溫度等參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化情況，增壓器及其管路的傳熱和流動(dòng)阻力計(jì)算，儲(chǔ)罐增壓器選型的分析。通過(guò)模擬研究，對(duì)于儲(chǔ)罐增壓器的選型給出理論性指導(dǎo)，對(duì)儲(chǔ)罐增壓工藝合理優(yōu)化，為今后的場(chǎng)站設(shè)計(jì)及運(yùn)行調(diào)節(jié)提出可行性建議。</p><p><b>　　課題主要內(nèi)容如下：</b></p><p>　　(1)天然氣的相關(guān)參數(shù)的熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算。LN

69、G自增壓過(guò)程中涉及到諸多的天然氣的熱力學(xué)性質(zhì)，包括天然氣的密度、焓值、定壓比熱以及粘度等。選擇合理的計(jì)算模型方法，并對(duì)其進(jìn)行編程計(jì)算，是本文的研究工作之一，作為后續(xù)相關(guān)計(jì)算的基礎(chǔ)。</p><p>　　(2)儲(chǔ)罐自增壓熱力模型的選取及數(shù)學(xué)建模。通過(guò)低溫貯存熱力模型的對(duì)比，為自增壓過(guò)程選擇合理的儲(chǔ)罐熱力學(xué)模型，基于傳熱和傳質(zhì)相關(guān)理論，建立儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程的數(shù)學(xué)模型；同時(shí)對(duì)于增壓器及其管路的傳熱和流動(dòng)阻力計(jì)算方法進(jìn)行

70、確定。</p><p>　　(3)模型求解。自增壓過(guò)程涉及的傳熱、傳質(zhì)、流阻計(jì)算十分復(fù)雜，因此，需要對(duì)某些過(guò)程條件進(jìn)行假設(shè)簡(jiǎn)化。假定初始質(zhì)量流量，通過(guò)對(duì)增壓器及其管路的傳熱和流動(dòng)阻力的編程計(jì)算確定實(shí)際質(zhì)量流量，再代入儲(chǔ)罐自增壓的數(shù)學(xué)模型中進(jìn)行離散求解。</p><p>　　(4) 利用Matlab軟件，對(duì)自增壓過(guò)程增壓管路的傳熱和流阻進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的模擬計(jì)算，對(duì)儲(chǔ)罐的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算

71、，得出壓力、溫度等參數(shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化情況，同時(shí)對(duì)影響儲(chǔ)罐自增壓的幾個(gè)重要因素的規(guī)律進(jìn)行分析。</p><p>　　(5)根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合工程實(shí)際要求，給出適用于工程的增壓器的選型具體計(jì)算方法和一些理論指導(dǎo)，彌補(bǔ)LNG規(guī)范中對(duì)于增壓器設(shè)備選型的不足，并對(duì)汽化站自增壓過(guò)程提出改進(jìn)措施。</p><p><b>　　天然氣物性參數(shù)計(jì)算</b></p>

72、<p>　　LNG汽化站儲(chǔ)罐的自增壓是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，其中將涉及到很多天然氣物性參數(shù)，并且在增壓過(guò)程中，天然氣的溫度、壓力以及相態(tài)等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，熱物性參數(shù)的精度對(duì)數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的影響是不可忽略的。因此，為了提高模擬的準(zhǔn)確性，必須根據(jù)相關(guān)參數(shù)范圍合理地選擇計(jì)算方法，以保證計(jì)算天然氣熱物性參數(shù)的精度。本章依據(jù)不同的熱物性混合規(guī)則分別對(duì)液態(tài)天然氣、氣態(tài)天然氣的熱物性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并給出了天然氣相平衡和泡點(diǎn)的計(jì)算方法，為后期

73、模擬計(jì)算打下基礎(chǔ)。</p><p>　　天然氣的相關(guān)熱物性計(jì)算所包含的內(nèi)容很多。從大的方面來(lái)說(shuō)，可以將其分為兩類(lèi)：熱力學(xué)性質(zhì)與遷移性質(zhì)。其中，與本文研究相關(guān)的熱力學(xué)性質(zhì)有：密度或比體積、焓值、定壓比熱、汽化潛熱等；遷移性質(zhì)有：導(dǎo)熱系數(shù)、粘度。</p><p><b>　　LNG氣樣組成</b></p><p>　　天然氣是一種多組分混合物，其主

74、要成為為甲烷，一般含量在85%以上，其他成分包括少量的乙烷、丙烷等烷烴，還有氮?dú)?、二氧化碳等其他成分。LNG的組分存在地域性差異，不同氣田生產(chǎn)或不同國(guó)家進(jìn)口的LNG組分差別較大，本文以濮陽(yáng)中原油田的LNG氣源進(jìn)行分析，組分參數(shù)如下表2-1：</p><p>　　表21中原油田氣質(zhì)組分</p><p>　　彭世垚[]通過(guò)分析國(guó)內(nèi)各大天然氣氣源的氣樣，得出結(jié)論：在對(duì)LNG的熱物性計(jì)算時(shí)可以只

75、考慮甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷和氮?dú)膺@六個(gè)成分。本課題根據(jù)所選氣樣的摩爾組成，取其組分如下表2-2：</p><p>　　表22 LNG摩爾組分</p><p>　　天然氣熱力學(xué)物性參數(shù)計(jì)算</p><p>　　為方便下文計(jì)算查詢(xún)，現(xiàn)將各組分的部分熱力學(xué)參數(shù)列出如下表2-3：</p><p>　　表23天然氣各組分基本熱力參數(shù)<

76、;/p><p>　　注：表中M為分子量（g/mol）；為正常沸點(diǎn)（K）；為臨界溫度（K）；為臨界壓力（MPa）；為比體積（106m3/mol）；為臨界壓縮因子；為偏心因子</p><p><b>　　密度</b></p><p><b>　　液相密度</b></p><p>　　密度是熱物性計(jì)算中最為基

77、本的參數(shù)，是計(jì)算其他熱物性的基礎(chǔ)。本課題中壓力在1MPa以下，屬于低壓范圍，可以表示成密度與溫度的關(guān)系。在一些其他文獻(xiàn)中，對(duì)于液體密度同樣采用了狀態(tài)方程計(jì)算，但本文經(jīng)過(guò)與NIST物性查詢(xún)軟件對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用PR方程計(jì)算時(shí)平均誤差為13.86%，而采用參考文獻(xiàn)[]中的計(jì)算方法平均誤差僅為2.57%，故本文采用后者進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如下采用下式計(jì)算：</p><p><b>　　(2-1)</b>

78、</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p><b>　　(2-3)</b></p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　式中 ——混合物密度（kg/m3）；</p><p>　　——各組分密度（kg/m3）；

79、</p><p>　　——臨界溫度（K）；</p><p>　　——混合物中各組分的分子量（g/mol）；</p><p>　　——混合物中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)；</p><p>　　——混合物中各組分的質(zhì)量百分比。</p><p>　　其中，A、B、n為相關(guān)參數(shù)，取值見(jiàn)下表2-4：</p><p>

80、;　　表24 密度計(jì)算公式參數(shù)取值</p><p><b>　　氣相密度</b></p><p>　　對(duì)于天然氣的氣體密度以及焓值等的計(jì)算，如果在低壓的情況下，可以忽略壓力的影響，按照理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算，但是在高壓時(shí)則必須考慮其壓縮性，本課題的壓力范圍（0.3~0.8MPa），則需要按照實(shí)際氣體狀態(tài)方程計(jì)算氣體密度、定壓比熱、焓值。</p>&l

81、t;p>　　表示實(shí)際氣體 P-V-T 關(guān)系的狀態(tài)方程很多，常用的有PR方程、SRK方程、BWR方程、LKP方程。這些狀態(tài)方程都有其各自的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)，其中，PR方程對(duì)于容積性質(zhì)和相平衡的計(jì)算精度較高，而LKP方程則廣泛應(yīng)用于焓值的計(jì)算，且在烴類(lèi)混合物計(jì)算中精度較高。根據(jù)本課題研究的實(shí)際問(wèn)題，并考慮編程的難度和計(jì)算精度，本文采用PR方程計(jì)算相平衡，LKP方程計(jì)算氣相密度、焓值和定壓比熱，具體方法將在下文給出。</p>

82、<p><b>　　焓值</b></p><p>　　在儲(chǔ)罐傳熱傳質(zhì)的能量方程及增壓管路溫度的求解計(jì)算中，均需要用到天然氣的焓值，因此，首先要給出焓值的準(zhǔn)確計(jì)算方法。對(duì)于焓值的計(jì)算，本文采用LKP方程計(jì)算，LKP方程是計(jì)算焓值的最佳方法[]，廣泛應(yīng)用與天然氣焓值計(jì)算中。</p><p>　　LKP 方程形式如下： </p><p>

83、;<b>　　(2-5)</b></p><p><b>　　(2-6)</b></p><p><b>　　(2-7)</b></p><p><b>　　(2-8)</b></p><p><b>　　(2-9)</b></

84、p><p>　　式中 ——壓縮因子；</p><p><b>　　——偏心因子； </b></p><p><b>　　——對(duì)比壓力；</b></p><p><b>　　——對(duì)比摩爾體積；</b></p><p><b>　　——對(duì)比溫度；<

85、;/b></p><p>　　其中，上標(biāo)0表示簡(jiǎn)單流體；上標(biāo)r表示參考流體； LKP方程中的簡(jiǎn)單流體和參考流體分別用氬氣、正辛烷的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)擬合，得出方程中的12個(gè)常數(shù)取值列于下表2-5：</p><p>　　表25 LKP方程中的常數(shù)</p><p><b>　　續(xù)表25</b></p><p>　　對(duì)于LK

86、P方程，其虛擬臨界參數(shù)表達(dá)式如下：</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p><b>　　(2-11)</b></p><p><b>　　(2-12)</b></p><p><b>　　(2-13)</b></p>

87、<p><b>　　(2-14)</b></p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　用對(duì)比密度來(lái)表示LKP方程，其表達(dá)式如下：</p><p><b>　　(2-16)</b></p><p>　　為了能夠便于計(jì)算，本文采用牛頓迭代法計(jì)算

88、簡(jiǎn)單流體和參考流體的對(duì)比密度，其計(jì)算公式如下：</p><p><b>　　(2-17)</b></p><p>　　在對(duì)比密度的求解中，選擇不同的對(duì)比密度初值對(duì)收斂速度的影響很大，為了提高迭代效率，密度初值按照下表2-6取值[]：</p><p>　　表26對(duì)比密度的初值的取法</p><p>　　混合物的焓值等于理

89、想焓值與余焓值之和：</p><p><b>　　(2-18)</b></p><p><b>　　理想焓值的計(jì)算：</b></p><p><b>　　(2-19)</b></p><p>　　LKP方程的余焓值計(jì)算：</p><p><b>

90、;　　(2-20)</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　(2-21)</b></p><p><b>　　計(jì)算工質(zhì)的余焓：</b></p><p><b>　　(2-22)</b></p>

91、<p><b>　　總結(jié)計(jì)算步驟如下：</b></p><p>　　已知工質(zhì)的P，T，xi；</p><p>　　由（2-10）~(2-15)計(jì)算出混合物的虛擬臨界參數(shù)，從而得出混合物的對(duì)比壓力和對(duì)比溫度及； </p><p>　　參照表2-6對(duì)簡(jiǎn)單流體和參考流體的初值對(duì)比密度值進(jìn)行設(shè)定；</p><p>　

92、　通過(guò)公式（2-16）迭代得出簡(jiǎn)單流體和參考流體的對(duì)比密度值；</p><p>　　分別對(duì)簡(jiǎn)單流體和參考流體的壓縮因子進(jìn)行求解；</p><p>　　計(jì)算混合物的壓縮因子和對(duì)比密度和；</p><p>　　求理想焓值和余焓值；</p><p>　　求解出混合物的密度和焓值。</p><p><b>　　定壓比

93、熱</b></p><p>　　定壓比熱是指工質(zhì)保持壓力恒定，單位溫度變化時(shí)所吸收或者放出的熱量。在對(duì)普朗特?cái)?shù)及瑞利數(shù)等無(wú)量綱量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，都需要用到定壓比熱，下面給出其計(jì)算方法。對(duì)于定壓比熱的計(jì)算，本文亦采用LKP方程進(jìn)行計(jì)算。</p><p><b>　　液相定壓比熱</b></p><p>　　對(duì)于本文采用對(duì)比態(tài)原理（CSP）

94、[]： </p><p><b>　　(2-23)</b></p><p>　　式中，的計(jì)算式如下：</p><p><b>　　(2-24)</b></p><p><b>　　(2-25)</b></p><p>　　其中常數(shù)的取值如下表2-7：&l

95、t;/p><p>　　表27 理想液體和氣體的比熱容常數(shù)取值</p><p><b>　　氣態(tài)比熱</b></p><p>　　當(dāng)溫度變化不大時(shí)，可近似將比熱容視為常量，但本文中氣態(tài)天然氣的溫度變化幅度較大，必須考慮溫度變化的影響。LKP方程定壓比熱的計(jì)算式如下：</p><p><b>　　(2-26)<

96、/b></p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　汽化潛熱</b></p><p>　　汽化潛熱是指在相同溫度下飽和液體和飽和蒸汽的焓差，用來(lái)表示。純物質(zhì)的流體汽化潛熱可以表示為溫度的函數(shù)，對(duì)于混合物，可以按分子分?jǐn)?shù)加權(quán)平均計(jì)算[]128-135。本文在儲(chǔ)罐氣液界面的傳熱傳質(zhì)過(guò)程以及增壓

97、器的汽化過(guò)程中都將用到汽化潛熱，現(xiàn)給出其計(jì)算方法如下：</p><p><b>　　(2-27)</b></p><p><b>　　(2-28)</b></p><p>　　表28汽化潛熱中相關(guān)常數(shù)取值</p><p><b>　　續(xù)表28</b></p>

98、<p><b>　　干度</b></p><p>　　本文在增壓管路的傳熱和流阻的計(jì)算中需要通過(guò)干度來(lái)判斷氣相區(qū)、兩相區(qū)和液相區(qū)的分界點(diǎn)，還要用到干度來(lái)對(duì)天然氣的泡點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)算。因此，必須給出干度的正確計(jì)算方法。</p><p>　　熱力學(xué)中干度的定義如下：氣液共存物中，氣相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)。常用x表示。有下式： </p><p&g

99、t;　　(2-29)式中，下標(biāo)g表示汽相，下標(biāo)l表示與之平衡的液相，M泛指熱力學(xué)容量性質(zhì)，對(duì)于焓值有：</p><p><b>　　(2-30)</b></p><p>　　據(jù)定義，濕蒸汽的干度取值范圍是。在本文中，計(jì)算方法如下：</p><p><b>　　(2-31)</b></p><p>

100、<b>　　體積膨脹系數(shù)</b></p><p>　　在對(duì)儲(chǔ)罐的傳熱計(jì)算中，對(duì)于傳熱系數(shù)的計(jì)算需要用到天然氣的體積膨脹系數(shù)，下面首先給出其計(jì)算方法。當(dāng)物質(zhì)被加熱后，溫度由T1增加到T2，體積也由V1到V2，則物質(zhì)在該溫度范圍內(nèi)，平均體積膨脹系數(shù)為：</p><p><b>　　(2-32)</b></p><p>　　在恒

101、壓條件下，當(dāng)T1到T2時(shí)，上式的微分即為體積膨脹系數(shù)：</p><p><b>　　(2-33)</b></p><p><b>　　相平衡的計(jì)算</b></p><p>　　在儲(chǔ)罐的自增壓過(guò)程中需要用到相平衡計(jì)算天然氣的泡點(diǎn)溫度，在增壓器的汽化過(guò)程中還涉及到兩相區(qū)中焓值、干度等參數(shù)的計(jì)算。因此，必須要先給出相平衡的計(jì)算方

102、法。</p><p>　　相平衡的一般定義：混合物的各個(gè)相態(tài)之間形成物理平衡而處于多相態(tài)共存的狀態(tài)。從熱力學(xué)定義，它表示該系統(tǒng)的自由能處于最低狀態(tài)；從速度傳遞上定義，它意味著表觀速度等于零[]。處于相平衡的物質(zhì)，其不同相態(tài)的某些性質(zhì)相差很大，例如密度和粘度，但是某些性質(zhì)如溫度和壓力卻基本不變。要計(jì)算處于氣液兩相區(qū)的天然氣混合物的物性參數(shù)，必須通過(guò)相平衡計(jì)算出混合物中氣液各組分含量。</p><

103、p>　　文獻(xiàn)[38] 中對(duì)SRK方程及PR方程都進(jìn)行了天然氣的相平衡計(jì)算，結(jié)果表明：兩者均能滿(mǎn)足精度要求，通過(guò)綜合分析，本文采用PR方程進(jìn)行相平衡計(jì)算。</p><p><b>　　PR方程</b></p><p>　　PR方程的使用范圍為溫度大于-271℃，壓力低于100MPa，因此，對(duì)于油氣上的應(yīng)用，PR方程是首選。</p><p>

104、　　PR狀態(tài)方程是由Peng-Robinson提出，用以下公式描述：</p><p><b>　　(2-34) </b></p><p>　　寫(xiě)為壓縮因子的形式為</p><p><b>　　(2-35)</b></p><p><b>　　其中</b></p>

105、<p><b>　　(2-36)</b></p><p><b>　　(2-37) </b></p><p><b>　　(2-38)</b></p><p><b>　　(2-39)</b></p><p><b>　　(2-40)&

106、lt;/b></p><p>　　對(duì)于混合物，PR方程的混合規(guī)則為：</p><p><b>　　(2-41)</b></p><p><b>　　(2-42)</b></p><p><b>　　(2-43)</b></p><p>　　式中 —

107、—系統(tǒng)壓力（Pa）；</p><p>　　——臨界溫度（K）；</p><p><b>　　——偏心因子；</b></p><p>　　——臨界壓力（Pa）；</p><p><b>　　——對(duì)比溫度；</b></p><p>　　——分別為組分和組分的摩爾分?jǐn)?shù)；</p

108、><p>　　——與氣體種類(lèi)相關(guān)的常數(shù)。</p><p>　　——二元交互作用系數(shù)，其取值如下表2-9：</p><p>　　表29 PR方程的相互作用系數(shù)</p><p>　　相平衡是用以說(shuō)明相平衡中各個(gè)組分在不同相間的組成情況或者表現(xiàn)相平衡狀態(tài)下其中各個(gè)變量間的定量關(guān)系[]。在混合物的多相系統(tǒng)中，通常利用逸度 f 來(lái)對(duì)其進(jìn)行描述。</

109、p><p><b>　　(2-44)</b></p><p>　　式(2-44)是相平衡判據(jù)，處于相平衡的系統(tǒng)中，其中的任一組分i 在任何相態(tài)中都具有相同的逸度；也意味著組分i在各個(gè)相態(tài)間轉(zhuǎn)換的推動(dòng)力一致。上式是進(jìn)行相平衡計(jì)算時(shí)主要關(guān)系，也是判斷是否達(dá)到相平衡的根本依據(jù)。</p><p>　　為對(duì)逸度f(wàn)進(jìn)行計(jì)算，通常還需要用到逸度系數(shù)Φi的概念。逸

110、度系數(shù)Φi定義為逸度與分壓力的比值，公式如下：</p><p><b>　　(2-45)</b></p><p>　　對(duì)于相平衡狀態(tài)下的組分i，由以上定義式，可以分別得出混合系統(tǒng)中組分i 的氣、液相分逸度表達(dá)式：</p><p><b>　　(2-46)</b></p><p><b>　

111、　(2-47)</b></p><p>　　由式(2-45)、(2-46)和式(2-47)可得：</p><p><b>　　(2-48)</b></p><p><b>　　進(jìn)而可以得到：</b></p><p><b>　　(2-49)</b></p>

112、;<p>　　式中 Ki——?dú)庖合嗥胶獬?shù)。</p><p>　　上式(2-44)~(2-49)是相平衡計(jì)算的基本判據(jù)，下面將給出PR方程對(duì)相平衡計(jì)算的具體方法。</p><p>　　PR方程的計(jì)算式為：</p><p><b>　　(2-50)</b></p><p>　　上式在計(jì)算液相逸度時(shí)，將yi換成

113、xi。</p><p>　　求解逸度時(shí)，首先對(duì)PR方程進(jìn)行求解，得出混合物的壓縮因子 Z 后，通過(guò)式(2-50)即可計(jì)算出逸度。</p><p>　　相平衡計(jì)算一般是需要通過(guò)已知的溫度、壓力及各組分的初始摩爾分?jǐn)?shù)，求解出各組分在氣相和液相中的摩爾分?jǐn)?shù)，其具體的方程如下：</p><p>　　總物料平衡(2-51)</p><p><

114、;b>　　(2-52)</b></p><p><b>　　(2-53)</b></p><p><b>　　(2-54)</b></p><p><b>　　(2-55)</b></p><p>　　式中 ——總摩爾流量 (mol/s)；</p>

115、<p>　　——?dú)庀嗄柫髁?(mol/s)；</p><p>　　——液相摩爾流量 (mol/s)；</p><p><b>　　——?dú)庖浩胶獗龋?</b></p><p>　　——各組分在總流量中的摩爾分?jǐn)?shù)；</p><p>　　——各組分在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)；</p><p>　

116、　——各組分在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)；</p><p>　　——?dú)?、液相逸度系?shù)；</p><p><b>　　——?dú)?、液相逸度?lt;/b></p><p>　　整理方程 (2-51)～(2-55) 可得：</p><p><b>　　(2-56)</b></p><p><b

117、>　　(2-57)</b></p><p><b>　　令，則：</b></p><p><b>　　(2-58)</b></p><p>　　由歸一條件可知以上方程組收斂條件為：?？刹捎门ｎD迭代法求解，其迭代格式如下：</p><p><b>　　(2-59)</

118、b></p><p><b>　　泡點(diǎn)的計(jì)算</b></p><p>　　在LNG儲(chǔ)罐自增壓的計(jì)算過(guò)程中，對(duì)于儲(chǔ)罐的熱力學(xué)模型中飽和界面的溫度需要用到LNG混合物的泡點(diǎn)溫度。對(duì)于泡點(diǎn)溫度的定義為混合物在相變的過(guò)程中產(chǎn)生第一個(gè)氣泡的溫度。它意味著流體有液相轉(zhuǎn)化為氣相，也就是干度開(kāi)始大于零的點(diǎn)，根據(jù)此定義，結(jié)合以上干度的求法，可以通過(guò)編程求解出LNG混合物的泡點(diǎn)溫度