1、硕士学位论文（20 届）LNG 汽化站储罐自增压过程动态模拟研究所在学院 专业班级 供热、供燃气、通风及空调工程学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- I -摘 要随着世界能源局势的紧张和环境问题的日益严峻，天然气以其清洁、高效的特点逐步进入国民的生产和生活等各个方面。为满足日益扩大的天然气需求量，液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称 LNG）作为非管输天然气的主要来源，在我国得到了迅速发展。在 LNG 汽化站的工艺流程中，储罐的自增压工艺是很重要的一步，但目前国内对于自增压工艺的研究较少，缺乏专门针对增压器方面的功能改进和优
2、化设计，工程设计中对于增压器的选型也基本凭借经验，无具体的确定方法和规范可循。因此，若要更进一步改进 LNG 汽化站的自增压工艺，为增压器选型方面提供更多的理论指导，对整个自增压过程进行动态的模拟研究，是非常具有现实意义的。本文根据实际气源成分确定 LNG 的组成，分别对天然气的热力学性质和迁移性质的计算模型和混合规则等进行了选择，选择了相平衡计算方法，并给出了物性计算中反向求解问题的解决办法，利用 Matlab 软件对各个参数计算编写了程序。对比国内外现有的低温储罐热力学模型，建立了针对 LNG 汽化站储罐自增压热力过程的物理数学模型，给出了增压管路的传热和流阻计算方法。针对具体算例，进行了
3、自增压过程的动态模拟。对增压管路的传热和流阻进行计算，得出了压力、温度等参数沿增压管路的稳态和动态变化曲线，确定了自增压过程的增压气体流量；对储罐的传热传质计算求解，得出了储罐内压力、温度等参数的变化曲线。分析了影响自增压过程的几个重要因素，得出自增压过程中压力随之变化的规律。根据自增压模拟结果，提出了满足工程精度的自增压选型的具体算法，针对100m3 和 150m3 储罐预增压和稳压供气等 10 个不同自增压过程工况进行计算，给出了这两种规模储罐应匹配的增压器合理选型方案，并对自增压工艺的优化与改进提出了可行性建议。关键词：液化天然气；汽化站；增压器；传热传质；动态模拟 哈尔滨工业大学工学硕
4、士学位论文- II -AbstractWith tensions and environmental problems of the worlds energy situation is increasingly grim, natural gas for its clean, efficient features, such as gradually into all aspects of national production and life. In order to meet the growing demand for natural gas, LNG (Liquefied Natu
5、ral Gas, referred to as LNG) as a major source of non-pipeline natural gas, has been developing rapidly in China. In the technological process of LNG Vaporizing Station, since the tanks pressurized process is a very important step, however, the domestic research for self-pressurization process is to
6、o little, engineering design for the selection of the self-pressurized vaporizer is basically virtue experience, no specific algorithms and normative guidance. At present, the domestic equipment for the vaporization research stations are mostly separate study areas for tanks or self-pressurized vapo
7、rizer, lack the research of self-pressurization process for heat transfer, mass transfer, flow resistance and other aspects of the research, the lack of a self-pressurized vaporizer in self-pressurized aspects of functional improvement and optimization. Therefore, to further optimize the process of
8、self-pressurized LNG vaporization station, providing more theoretical guidance for the selection of the self-pressurized vaporizer, the self-pressurization process dynamic simulation studies are very practical significant .This paper identifies the composition of LNG according to actual gas source c
9、omponents, 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 reverse solve the problem, using Matlab written each parameter for calculation program, and lay a g
10、ood foundation for the subsequent simulation.CoMParison of existing cryogenic tanks thermodynamic model 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 pre
11、ssurized pipeline. For 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 parameters along the pressurized pipeline. Determine the flow
12、 of pressurized gas from the pressurized process for tanks computing for heat and mass transfer, obtained the tank pressure, temperature, gas quality, gas density graph. Analysis of several important factors that affect the process of self-pressurized, obtained pressure change rule from the process
13、of 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- III -self-pressurized.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-pressurization process for different conditions, obtained some guid
14、ance conclusions to the selection of self-pressurized vaporizer. Finally, make some feasible suggestions for the self-pressurized process.Key words: Liquefied Natural Gas，Vaporizing Station，self-pressurized vaporizer， Heat and Mass Transfer，dynamic simulation哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- IV -目 录摘 要 .IAbstract.II
15、第 1 章 绪论 .11.1 课题的背景及意义 .11.1.1 中国天然气及 LNG 产业的发展 .11.1.2 LNG 汽化站及其工艺简介 .21.1.3 LNG 增压器简介 .51.1.4 课题的研究意义 .71.2 国内外研究现状 .81.2.1 国外研究现状 .81.2.2 国内研究现状 .91.3 课题的主要研究内容 .10第 2 章 天然气物性参数计算 .122.1 LNG 气样组成 .122.2 天然气热力学物性参数计算 .132.2.1 密度 .132.2.2 焓值 .152.2.3 定压比热 .182.2.4 汽化潜热 .192.2.5 干度 .202.2.6 体积膨胀系数
16、.202.2.7 相平衡的计算 .212.2.8 泡点的计算 .252.2.9 物性计算中的反向求解问题 .252.3 天然气迁移物性参数计算 .262.3.1 动力粘度 .262.3.2 导热系数 .292.4 本章小结 .31哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- V -第 3 章 自增压系统模型的建立和分析 .323.1 LNG 储罐的自增压供气系统 .323.1.1 自增压系统的工作原理 .323.1.2 自增压系统控制方式 .333.1.3 LNG 储罐热力学模型的选择和建立 .333.2 储罐热力学过程数学模型的建立 .353.2.1 储罐数学方程的离散化 .393.3 增压管路的传热以
17、及流阻计算 .413.3.1 概述 .413.3.2 增压管路的传热计算 .423.3.3 增压管路的流阻计算 .483.4 自增压过程程序的设计 .503.4.1 自增压计算流程设计 .503.4.2 程序主要问题 .503.4.3 初始条件和边界条件 .513.5 本章小结 .52第 4 章 自增压过程的求解与分析 .564.1 算例及分析 .564.1.1 结构参数及初始条件 .564.1.2 增压管路的传热和流阻稳态计算分析 .584.1.3 增压管路的传热和流阻动态计算分析 .624.1.4 储罐传热传质计算结果分析 .654.2 自增压影响因素分析 .684.2.1 天然气的组成
18、.684.2.2 初始充满率 .694.2.3 储罐初始压力 .694.2.4 室外温度 .704.2.5 增压器换热 .714.3 本章小结 .71第 5 章 选型计算分析及建议 .725.1 增压器的选型概述 .72哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- VI -5.2 增压器的选型分析 .725.2.1 增压选型计算方法 .725.2.2 增压计算工况分析 .745.3 自增压过程的建议 .785.4 本章小结 .79结论与展望 .80参考文献 .82致 谢 .87哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 1 -第 1 章 绪 论1.1 课题的背景及意义1.1.1 中国天然气及 LNG 产业的发展当今
19、世界，经济飞速发展，能源消耗巨大，而煤、石油等能源逐渐濒临耗尽，温室效应和环境污染等问题则层出不穷，对人类的赖以生存的环境造成了极大的威胁 1,2。在这一背景下，天然气作为一种优质、清洁、高效的能源正逐步进入人们的视野，现已广泛地应用于发电、汽车、工业以及民用等各个领域 3。国际能源（IEA）的预测，天然气的使用量将逐步超过煤和石油，成为第一能源，21 世纪必将是天然气发挥能源优势的一个大舞台。根据国家统计局数据，我国在 2010年天然气的总产量为 942 亿 m3，在一次能源产量中的比重为 4.3%；天然气的总消耗量为 1072 亿 m3，在一次能源消耗量中的比重为 4.4%，距离国际的平均
20、指标24%还有很大差距 4。从 1980 到 2010 年，我国天然气的年产量平均增长率为 6.6%，天然气的年消耗量平均增长率为 7%。从 2000 到 2010 年，其年产量平均增长率为 13.5%，天然气的年消耗量平均增长率为 15.9%5。2006-2010 年天然气供求量及供求差如图 1-1 所示，近几年内，国内天然气需求量仍飞速上涨，天然气在一次能源的比重越来越大，据中石油预测，未来十年内我国天然气仍将保持上涨势头，消费的年均增长率将会达到 10.8%，而产量增长速度却远远小于消费速度，仅为 7.5%，因此，对于天然气的供需不平衡问题将日益严重，到 2020 预计将达到 29%6。
21、2006 2007 2008 2009 20100200400600800100012001400160018002000 -150-100-50050100150供 应 量需 求 量供 求 差供 求 量 （亿 立方 米 ）供 求 差 （亿 立方 米 ）图 1-1 2006-2010 年我国天然气供求关系图哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 2 -为了解决这一突出矛盾，我国提高了进口天然气的数量，一方面通过长输管线从俄罗斯和澳大利亚等国家进口，另一方面通过在建设大量 LNG 接收终端，以 LNG 船海运引进，中石化预测，2015 年，天然气进口量将达 1000 亿 m3， 2020 进口量将达
22、1750 亿 m3，2030 进口量将达 2500 亿 m3，如图 1-2 所示，LNG的进口量几乎都是成倍增长。大量的进口 LNG 首先通过 LNG 船海运到 LNG 接收终端，再通过槽车运至各个城市的 LNG 汽化站，进行城市 LNG 的储存与供应。506601100140015540065011002010 2015 2020 2030050010001500200025003000PNG(管 输 天 然 气)LNG(液 化 天 然 气)年进口量（亿立方米）图 1-2 2010-2030 年我国天然气进口量图由于 LNG 资源进口量的剧增与国内政策的支持，LNG 汽化站得到了迅速发展。仅
23、 2001-2006 年 5 年时间，国内已建成的 LNG 汽化站就超过 100 个，供气能力 400 万 m3/d。2006 年之后，由于沿海大型接收终端的建设投产，为 LNG 的供应提供了更多保障，LNG 汽化站供应市场迎来了黄金时段，据新奥集团统计，目前仅新奥燃气就已在全国上百个城市建立了 200 余个 LNG 汽化站，覆盖城区人口达到 5800 万以上。1.1.2 LNG 汽化站及其工艺简介LNG 汽化站 (也称为 LNG 卫星站、LNG 供气站)，它是一个接收与储配 LNG的场所，同时也是城市或者燃气企业将 LNG 从其生产基地转到燃气用户的中间场所 7。从气源上定义，LNG 汽化站
24、是对一些不能使用管输天然气城镇的主要气源或者过渡气源，同时还可以作为众多管输天然气城市的调峰或补充气源 8。LNG 汽化站主要设备包括 LNG 储罐、汽化器、增压器、LNG 槽车以及调压、计量和加臭系统。一般的汽化站的平面布置简图和工艺流程图如图 1-3 和 1-4 所示。首先通过槽车将 LNG 运至 LNG 汽化站，将槽车气、液相管分别与卸车增压哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 3 -器进行连接，对其进行自增压卸车，在压差的作用下，将低温 LNG 通过液相管注入 LNG 低温储罐中进行储存。当供气压力不足时，则将 LNG 低温储罐的气液相管与储罐自增压器连接，通过自增压过程将储罐的压力升至一定阀值，使 LNG罐内的 LNG 可以流入 LNG 汽化器，低温 LNG 在 LNG 汽化器中迅速换热汽化，再进过调压、计量和加臭系统后输入城市管网进行供气。下面对其主要工艺流程进行简要介绍。图 1-3 汽化站平面布置图1-储罐； 2-储罐增压器； 3-汽化器；4- 调压计量加臭撬； 5-卸车增压器；6-槽车；7- 控制室槽车卸车增压器LNG 槽车 LNG 储罐 储罐自增压器BOG 储罐 空温式汽化器城镇天然气管网 水浴式汽化器调压、计量、加臭气相液相图 1-4 LNG 汽化站的工艺流程图
