獨立C型LNG儲罐蒸發率實驗設計

管 官, 林 焰,2, 楊 蕖, 周 帥

(1. 大連理工大學 船舶CAD工程中心, 遼寧 大連 116024; 2. 大連理工大學 工程裝備結構分析國家重點實驗室, 遼寧 大連 116024)

獨立C型LNG儲罐蒸發率實驗設計

管 官1, 林 焰1,2, 楊 蕖1, 周 帥1

(1. 大連理工大學 船舶CAD工程中心, 遼寧 大連 116024; 2. 大連理工大學 工程裝備結構分析國家重點實驗室, 遼寧 大連 116024)

為使學生充分理解LNG蒸發規律,針對研制的獨立C型LNG儲罐及保溫層裝置,進行適用于實驗教學的創新實驗設計,開發了獨立C型LNG儲罐蒸發率實驗,設計了實驗方案,介紹了實驗原理、實驗測量方法、實驗目的、實驗裝置、實驗內容及步驟等。此實驗的開設不僅可以大大增強科研設備的利用率,而且對提高教學效果有很大幫助,有利于激發學生的科學探索精神,也為相關課程的實驗教學改革提供借鑒。

LNG儲罐； 蒸發率； 實驗設計

在進行科研工作的同時,探討如何在實驗中引入科研設備以改進教學方式的做法已成為當今實驗教學改革的一種重要途徑[1-3]。本實驗基于大連理工大學船舶制造國家工程中心實驗室,針對研制的獨立C型LNG儲罐及保溫層裝置(已授權發明專利)[4-5],進行適用于本科生實驗教學的創新實驗設計,創新并豐富船舶與海洋工程專業實驗教學內容。

隨著液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)船型的開發和廣泛應用,LNG的安全存儲已經成為一個關鍵問題。由于LNG易燃易爆的特性,必須保證其不能泄漏,因此LNG儲罐的絕熱性至關重要,而蒸發率是評價絕熱性的重要指標。為保證船舶LNG儲罐的安全使用,對LNG蒸發率進行研究,對工程應用和科研教學都具有重要的意義[6-7]。

為了加強培養學生的科研能力與創新能力,本文將LNG儲罐蒸發率研究內容引入到實驗教學當中,開發了獨立C型LNG儲罐蒸發率實驗,給學生創建一個接觸科研前沿、應用專業知識的平臺,創建科學研究的情境,激發學生的科學探索熱情。此實驗的開設不僅可以大大增強科研設備的利用率,而且對創新本科研實驗教學、提高學生專業技能有很大幫助。將科研與實踐相結合的教學模式能有效提高教學質量,有利于培養學生從中學到新的思維方式和實驗手段,也為相關課程的實驗教學改革提供借鑒[8-11]。

1 LNG蒸發率測試方法

實驗中,主要測量低溫系統各部位及環境的溫度、過程中的壓力變化和裝置總體質量變化。LNG實驗儲罐的蒸發率是指LNG儲罐達到熱平衡狀態下,24 h內蒸發所消耗的LNG質量占原來實驗罐中的液態LNG質量的比例。儲罐內LNG蒸發率α計算公式[12]為

(1)

其中Δm是指達到熱平衡后實驗罐中損失的LNG的質量,ρ指液態LNG的密度,V指實驗罐中液態LNG的體積。

LNG實驗儲罐由于罐內LNG的溫度(101 kPa,-163 ℃)與外界的環境溫度相差較大,在熱對流和熱傳導的作用下會有一部分的熱量漏入實驗罐中引起LNG的蒸發。利用質量感應儀器可以測得在穩定的壓力熱平衡的條件下,24 h內實驗罐中液態LNG質量的變化,由式1可以得到LNG儲罐的日蒸發率。

實驗中,通過傳感器可以測得壓力、溫度、液體質量的變化曲線,LNG實驗儲罐為主體實驗器材,外界環境溫度和壓力作為外部的條件,在保證一定的壓力范圍內進行實驗。

2 實驗

2.1 實驗內容

(1) 保壓時間測試。對獨立C型LNG儲罐,測試其在5種(至少包含50%、40%、30%、20%、10%)以上LNG充裝量下,罐體內部從0.001 MPa(表壓)升至0.7 MPa(表壓)全過程的無損保持時間長度。

(2) 蒸發率測試。對獨立C型LNG儲罐,測試其在5個(至少包含容積的50%、40%、30%、20%、10%)以上LNG充裝量、罐內壓力維持0.7 MPa±0.01 MPa(表壓)條件下LNG的日蒸發量。

(3) 國產化技術和設備試驗驗證。對研制的獨立C型LNG儲罐和設備中采用的國產化技術和設備進行實際驗證,包括國產9Ni鋼罐體本身和接管的耐溫性和焊接工藝、罐體加工技術、國產LNG閥件、國產溫度和壓力傳感器。

(4) 前兩項測試過程中全程實時采集罐體的內外溫度、內部壓力、裝置質量。

2.2 實驗裝置

2.2.1 實驗儲罐、底座和固定架

該實驗儲罐的罐體是采用圓筒主體,兩端采用標準橢圓封頭,臥式放置的獨立C型儲罐,容積為1.5 m3[4]。罐體表面敷設聚氨酯泡沫作為保溫層[5]。罐體由專用底座承載,罐體和底座之間用硬木支撐。罐體附接管路、閥件、傳感器。底座和運輸固定架組成一個框架結構,便于在實驗罐體的吊運移動和長距離(空罐)安全運輸。實驗裝置見圖1。

圖1 實驗裝置

2.2.2 測試系統

測試系統包括監控及數據記錄計算機1臺、質量實時監測電子地泵1套、罐體內氣相壓力數字式監測系統1套、罐內氣相溫度變送器2套、罐鋼壁表面溫度變送器4套、罐體絕熱層表面溫度變送器4套、環境溫度變送器2套。

2.2.3 輔助裝置

氮氣供給裝置提供純度為99.9%、露點為-80 ℃的氮氣。供氣壓力為0.02 MPa以上,供氣量30 m3。LNG液貨駁出儲存裝置用來設置雙層真空陸用LNG鋼瓶儲存駁出的LNG,裝置共3只,每只容量為400 L;安全放散系統為不銹鋼管路段設置空氣加熱裝置,其連接到放散塔管路,其中發散塔高度10 m；閃蒸氣(BOG)收集處理裝置為不銹鋼管路段設置空氣加熱裝置,并連接焚燒火炬；水噴淋系統為安全起見在實驗裝置上方布置溫感控制水噴淋系統,氣體溫度高于45 ℃時開啟水噴淋,給實驗裝置降溫；系統靜電接地,要求實驗場地埋設符合要求的接地點,接地電阻小于100 Ω；燃氣探測系統包括設置在在試驗場地地面1只,距離地面3 m高處1只;滴液托盤包括加注口處1只、液貨駁出管路法蘭盤處1只。

2.3 實驗裝置功能

2.3.1 罐體充裝介質

LNG介質溫度為-164 ℃，工作壓力為1.1 MPa，設計蒸氣壓力為1.21 MPa，安全閥整定壓力為1.21 MPa，總容積為1.5 m3。獨立C型LNG實驗罐體系統見圖2。

圖2 獨立C型LNG實驗罐體系統

2.3.2 干燥和惰化

(1) 罐體首次使用前惰化。打開閥門CV2和CV5,氮氣由此處進入罐體,氮氣供氣壓力為0.01～0.02 MPa。里面的氣體經過兩條路徑放出:一條經過管路④,打開閥門CV4和由閥門CV9處放散；另一條經過管路⑤,打開閥CV3和CV6放散。兩條放散路徑接連開關。充氣及發散過程中維持罐體氣體表壓0.01 MPa以上。總充入氮氣量不小于罐體容積的10倍(15 m3)。使用的氮氣純度起碼達到99.9%,露點小于-80 ℃。充入規定體積的氮氣后,關閉出口。繼續充入氮氣,讓里面的氣體壓力升至0.2MPa。對CV9處、CV6處和CV5處分別采樣罐內氣體,監測氮氣濃度和露點。要求氮氣濃度不能高于百分之一,露點低于20 ℃。任何點的氣樣未達到要求,則繼續進行氣體置換。惰化完成后,調節罐體壓力至0.01 MPa,關閉所有閥。

(2) 使用及長期擱置前惰化。先將剩余的LNG液貨完全駁出。打開閥門CV2和CV5,氮氣由此處進入罐體,氮氣供氣壓力為0.005 MPa。罐內氣體經過管路④,打開閥門CV4和由閥門CV9處通過BOG收集管路進入火炬系統焚燒。充入氮氣量15 m3。

(3) 測試系統。監控實時計算機由RS232接口從數字信號采集模塊收集到的如下數據:

罐內溫度TS1、TS2；

罐體鋼壁外表面溫度TS3-1、TS3-2、TS3-3、TS3-4；

罐體絕熱層外表面溫度TS3-5、TS3-6、TS3-7、TS3-8；

環境溫度TS3-9、TS3-10；

罐體內氣相壓力PS1和PS2(這兩個壓力變送器位于閥CV7后端)；

電子地泵質量測量數據M。

采集數據寫入文件的格式:記錄采樣的時刻和15個參數。采樣頻率為每秒1次。

2.4 實驗步驟

2.4.1 罐體耐壓測試

在建造工廠內進行。在罐體加工完成后、敷設絕熱裝置前,將所有閥件、儀表、傳感器等安裝好的條件下進行罐體耐壓測試。

2.4.2 儀表和傳感器測試

在建造工廠內,耐壓測試通過后進行，共進行2次測試。一次在敷設絕熱層之間,另一次在敷設絕熱層之后。

第1次測試內容:液位報警器是否正常，測試確認其是否有作用,采用注入水的方式進行；溫度傳感器是否正常，采用注入熱水方式測量；壓力傳感器是否正常，充氣打壓方式驗證。

2.4.3 實驗過程

一次完整的實驗須嚴格按如下各小節的次序進行操作。實驗擬定進行2次。

(1) 儀表調試。如果罐內尚未充裝過LNG,可以采用充氣打壓方式來驗證壓力傳感器。如果罐內有殘余LNG可通過BOG收集方式調整壓力來驗證壓力傳感器。測試氣動應急截止閥是否正常，測試壓力表及其傳感器是否正常，測試溫度傳感器是否有信號輸出。

(2) 干燥和惰化處理。如果罐體是首次使用,要求進行干燥和惰化處理。若罐體內有殘留LNG則忽略此步驟。

(3) 系統連接和開啟。連接BOG收集和焚燒系統管路至CV9；連接液貨駁出管路,由CV6至儲存鋼瓶(3只儲液鋼瓶并聯),關閉CV6，同時連接儲液鋼瓶的回氣口至BOG收集管路；連接氮氣供給管路至CV5,并關閉CV5；開啟BOG收集管路和安全閥管路的熱空氣供給系統；確認3個應急截止閥處于打開位置；開啟計算機,啟動監測程序,確認每個信號正確。

(4) 凈化和冷卻。該操作需由加注槽車到實驗現場進行。若罐體是首次使用,須按照要求進行凈化和冷卻處理；若罐體內有殘留LNG則忽略此步驟。

(5) LNG加注。該操作步驟需由加注槽車到實驗現場進行。

按照要求加注LNG至罐體內。加注量為容積的50%(330 kg)。

(6) 測試過程。

基坑浸水試驗的設計、觀測以及穩定條件皆按GB 50025—2004《濕陷性黃土地區建筑規范》 [12]標準進行操作，具體方法如下：

① 確認15個信號監測計算機上采集正常:罐內溫度TS1、TS2；罐體鋼壁外表面的溫度數值TS3-1、TS3-2、TS3-3、TS3-4；罐體保溫層表面的溫度數值TS3-5、TS3-6、TS3-7、TS3-8；環境溫度TS3-9、TS3-10；罐體內氣相壓力PS1、PS2(這兩個壓力變送器位于閥CV7后端)；電子地泵質量測量數據M；

② 將通過BOG收集系統調節罐體氣相表壓至0.001 MPa；

③ 監測程序開始記錄數據。記錄并換算出罐內LNG凈質量M′的數值,標記該時刻T0；

④ 監測其內部氣相壓力,氣相壓力達到0.7 MPa的時侯,標記該時刻T1；

⑤ 通過BOG收集系統調節氣相壓力,維持氣相壓力為0.7 MPa±0.01 MPa范圍內,同時監測罐LNG質量變化,當質量約為0.8M′時,標記該時刻T2;

⑥ 調節氣相壓力至0.001 MPa;

⑦ 監測其內部氣相壓力,當氣相壓力達到0.7 MPa的時侯,標記該時刻T3;

⑧ 通過BOG收集系統調節氣相壓力,維持氣相壓力為0.7 MPa±0.01 MPa范圍內,同時監測罐LNG質量,當質量約為0.6 M′時,標記該時刻T4;

⑨ 調節氣相壓力至0.001 MPa;

⑩ 監測其內部氣相壓力,當氣相壓力升至0.7 MPa的時侯,標記該時刻T5;

(7) 實驗后處理。如果1次實驗后,3 d內不再進行實驗,則須按本步驟做處理；如果在3 d內將開始下一次實驗,則不必進行此步驟的處理,但罐體需有人12 h進行查看,保證壓力的數值不大于1.0 MPa,且進行壓力改變的時侯需打開BOG收集處理系統。并且在下次繼續新的實驗前確保罐體壓力不低于0.001 MPa否則需要進行重新的惰化處理。開啟閥門,拆除傳感器線路。

3 結語

本文將LNG儲罐蒸發率研究內容引入到實驗教學當中,開發了獨立C型LNG儲罐蒸發率實驗。通過該實驗,給學生創建了一個接觸科研前沿的平臺,創建了科學研究的情境,激發了學生科學探索熱情。此實驗的開設不僅可以大大增強科研設備的利用率,而且對創新本科生實驗教學、提高學生專業技能有很大幫助。這種科研與實踐相結合的教學模式能有效提高教學質量,有利于培養學生從中學到新的思維方式和實驗手段,也為相關課程的實驗教學改革提供借鑒。

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Design on experiment of evaporation rate of independent C type LNG storage tank

Guan Guan1, Lin Yan1,2, Yang Qu1, Zhou Shuai1

(1. Ship CAD Engineering Center, Dalian University of Technology, Dalian 116024 China; 2. State Key Laboratory of Structural Analysis for Engineering Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

In order to enable the students to fully understand the evaporation law of LNG (liquefied natural gas), and based on the developed independent C type LNG storage tank and the insulation layer, an innovative experiment for undergraduate experimental teaching is designed, and an experiment of the evaporation rate of the independent C type LNG storage tank is developed. The experimental scheme is proposed, and the principle, the method, the objective, the apparatus, the content, the steps, etc., of the experiment are introduced. The results show that the experiment not only greatly increases the utilization ratio of the research equipment, but also helps to improve the teaching effect. It is beneficial to stimulate students’ scientific exploration spirit, and also provides reference for the experimental teaching reform of the related courses.

LNG storage tank; evaporation rate; experimental design

U677.2；G642.423

: B

: 1002-4956(2017)09-0056-04

2017-03-09修改日期:2017-04-26

國家自然科學基金項目(51609036)；中國博士后科學基金資助項目(2014M561234、2015T80256)；遼寧省博士啟動基金項目(201501176)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(DUT16RC(4)26)

管官(1983—), 男(滿), 遼寧丹東,博士,講師,主要從事船舶與海洋工程專業相關教學與科研工作.

E-mail:guanguan@dlut.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.015