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摘要:There is some tiny positive pressure air in LNG tanks after pipeline and equipments in LNG station are installed and purged with high-speed air flow．The air in LNG tanks should be evacuated with nitrogen(called evacuation for short)．The evacuati..
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There is some tiny positive pressure air in LNG tanks after pipeline and equipments in LNG station are installed and purged with high-speed air flow．The air in LNG tanks should be evacuated with nitrogen(called evacuation for short)．The evacuation time of LNG tanks is calculated．and the evacuation time and the nitrogen use level of the two evacuation methods of series arrangement and parallel connection of LNG tank groups are compared．
Key words：LNG tank；evacuation；evacuation time；nitrogen use level 随着我国天然气利用步伐的加快，很多城市都在积极地建设天然气利用工程。距离气源或者长输管道较近的城市，可以充分利用管输天然气。一些远离气源或者长输管道的城市将要引进LNG，因而厂站的建设就成为天然气利用工程中重要的组成部分。 LNG厂站设备安装结束后，需对管道及阀门进行吹扫，以确保无杂质影响日后的正常运行和维护。具体过程是用压缩机将空气输入LNG储罐进行高速吹扫。吹扫结束后LNG储罐内存有微正压的空气，需用氮气将LNG储罐内的空气排尽(简称排空)。排空过程中需掌握好排空时间，排空时间过短则排空不彻底，当罐内温度迅速降低时罐内的水蒸气就可能结冰结霜，造成冰堵；排空时间过长则是浪费。因此确定合理的排空时间是十分必要的。排空的主要对象是罐内的水蒸气和氧气。 1 排空时间的确定方法 LNG储罐排空时，由工业通风中的全面通风原理可得到任意时刻罐内的水蒸气及氧气的质量浓度，或者罐内水蒸气或氧气达到某一质量浓度所需的时间。 全面通风的基本微分方程式如下［1］：
式中qv——氮气输入量，m3/s ρo——氮气中的水蒸气或氧气的质量浓度，g/m3 t——时间，s x——储罐内水蒸气或氧气的散发量，g/s ρ——某一时刻储罐内水蒸气或氧气的质量浓度，g/m3 Vg——储罐容积，m3 已知t1时刻罐内水蒸气或氧气的质量浓度后，在t1—t2时间段内对式(1)进行积分，就可得到t2时刻罐内水蒸气或氧气的质量浓度：
式中ρ1——t1时刻罐内水蒸气或氧气的质量浓度，g/m3 ρ2——t2时刻罐内水蒸气或氧气的质量浓度，g/m3 可以得到储罐内的水蒸气或氧气的质量浓度由ρ1变化到ρ2所需要的时间：
式中 t1-2——储罐内的水蒸气或氧气的质量浓度由ρ1变化到ρ2所需要的时间，s 2 湿空气参数的计算 要使用式(3)计算排空时问，首先需要知道排空开始及排空停止时罐内水蒸气及氧气的质量浓度，即式(2)中的ρ1及ρ2。某一温度下，氧气的质量浓度较易得到，只要知道干空气的质量及体积分数即可计算；但求解水蒸气的质量浓度，除需要干空气质量及体积分数外还需知道湿空气的含湿量和相对湿度。 2．1 含湿量 湿空气的总质量： m=ma+mv (4) 式中m——湿空气的总质量，kg ma——干空气的质量，kg mv——水蒸气的质量，kg 湿空气含湿量的定义式为[2]：
式中d——湿空气的含湿量，g/kg ρden,v——湿空气中水蒸气的密度，kg/m3 ρden,a——干空气的密度，kg/m3 由式(5)结合理想气体状态方程式可得的另一种计算方法为[2]：
式中Pv——水蒸气的分压力，Pa Po——大气压力，Pa 2．2 相对湿度 相对湿度的定义式为[2]：
式中φ——湿空气的相对湿度 ρden,s——同温度下空气中饱和水蒸气的密度，kg/m3 应用理想气体状态方程，相对湿度又可以表示为：
式中ps——水蒸气的饱和压力，Pa 至此，在给定了空气的相对湿度后，应用式(5)～(8)即可计算排空开始时罐内水蒸气的质量，进而计算该时刻水蒸气的质量浓度。 3 算例 以深圳市某LNG厂站为例，该厂站设有4台容积为100m3的LNG储罐。最不利室外空气环境(当天气较之更为恶劣，即湿度更大时，停止排空作业)的温度θ=40℃，相对湿度φ=95％。 3．1 计算储罐内湿空气参数 根据水蒸气表［2］，查得θ=40℃时水蒸气的饱和压力为： Ps=7375 Pa 由式(8)算得水蒸气的分压力为： Pv=φPs =7006 Pa 由式(6)算得罐内空气的含湿量为：
由表1[3]可知标准状态(0℃，101325 Pa)下的干空气密度为1.2931kg/m3。应用理想气体状态方程可得40℃时干空气密度Pden,a=1.1278kg/m3 则此时该100 m3储罐所含干空气的质量为： mden,a=100ρdden,a=112.780kg 则40℃时该100m3储罐内所含氧气的质量为：
式中mo——储罐内所含氧气的质量，kg W。——干空气中氧气的质量分数 Wo——干空气中氧气的体积分数 Mr,o——氧气的相对分子质量 Mr,a——干空气的相对分子质量 再由式(5)计算该储罐内所含水蒸气的质量为： m v=mad=5.285kg 表1 干空气的标准成分(推荐) Tab.1 Dry air standard component(recommended)
3.2 单台储罐排空时间的计算 排空时储罐内的水蒸气或氧气的散发量x为0,且氮气中的水蒸气或氧气的质量浓度ρo也为0。 由式(3)可知要使罐内水蒸气或氧气质量浓度为0 所需的时间为无穷大。因此本算例中规定，当算得)的罐内水蒸气的质量浓度<0.5mg/m3时(目前没有相应的规范，其值可根据具体工程确定)，即可认为达到要求，停止排空。 应用式(3)分别计算氮气输入量为1m3/s时罐 I水蒸气和氧气的排空时问。 ①计算氮气输入量qv=1m3/s时罐内水蒸：的排空时间。排空开始时和排空停止时罐内水蒸气的质量浓度分别为： ρ1=52.849g/m3 ρ2=0.5mg/m3 由式(3)可得单台储罐内水蒸气排空时间为： t=1157S≈19.3min ②计算氮气输入量qv=1m3/s时罐内氧气的排空时间。排空开始时和排空停止时罐内氧气的量浓度分别为： ρl=261.022g/m3 ρ2=0.5mg/m3 由式(3)可得单台储罐内氧气排空时间为： t=1317S≈21.9min 取二者最大值的圆整值22 min作为氮气输入量qv=1m3/s时储罐的排空时间。 同理，可计算氮气输入量为qv=2m3/s时储罐的排空时间。 为保证罐内的水蒸气和氧气被彻底排尽，应在上述计算所得的排空时间基础上留出5％～10％的富余量，作为最后的排空时间。 3．3 储罐组排空方式 由于氮气的密度比空气小，故排空时采用上送下排式(正向排空)。为防止气流竖向分层致使罐内的水蒸气及氧气排不尽，所以采用上送下排式与下送上排式(反向排空)交互使用的方法。 ①串联式排空方式 串联式排空方式流程见图1。
Fig.1 Flow chart of series evacuation 对此种排空方式，1号储罐压力为0.3MPa,2号储罐压力为0.2MPa，3号、4号储罐压力为0.1MPa。1号储罐在排空过程中，其出口的氧气及水蒸气的质量浓度会越来越低(时间为无穷大时，为0)，而氮气浓度则会越来越高(时间为无穷大时，为最大)。这样节省了2号罐氮气的输入量，提高了氮气的综合利用率，但前面(气体流动的上游)的储罐对后面(气体流动的下游)的储罐的排空效果有影响，如果前面的储罐没有排尽，其后的储罐也必然没有排尽。其排空时间大于单台储罐的排空时间而小于4倍的单罐排空时间，氮气用量小于4倍的单罐排空氮气用量。 ②并联式排空方式 并联式排空方式流程见图2。
Fig.2 Flow chart of parallel evacuation 对并联排空的方式，4台储罐的压力均为0.1MPa，各台储罐之间互不影响。排空时间为单台储罐的排空时间，氮气的总用气量为4倍的单台储罐用气量。 4 结论 ①罐内的氧气质量浓度大于水蒸气的质量浓度，因而当罐内的氧气质量浓度达到排空要求时，罐内的水蒸气质量浓度也满足要求。 ②串联式排空的氮气用量比较节省，但是排空时间较并联式长；并联式排空的排空时间较串联式短，但是氮气用量大于串联式排空的氮气用量。 参考文献： [1]孙一坚．工业通风(第三版)[M]．北京：中国建筑工业出版社，1994． [2]廉乐明，李立能，吴家正，等．工程热力学(第四版)[M]．北京：中国建筑工业出版社，1999． [3]赵荣义，范存养，薛殿华，等．空气调节(第三版)[M]．北京：中国建筑工业出版社，1994． |
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