低温液体储罐蒸发率计算软件开发.docx

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低温液体储罐蒸发率计算软件开发

低温液体储罐蒸发率计算软件开发

低温液体储罐蒸发率计算软件开发

摘要

蒸发率是衡量低温液体储运容器的重要指标。

本文研究了低温液体储罐蒸发率计算方法与试验测试方法，根据漏热量、密度、公称容积等条件,计算低温液体的储罐蒸发率，并且分析了试验测试方法所需要的环境条件和修正系数。

对两种方法进行了比较，分析了两种方法的联系与区别。

研究了影响蒸发率的各种因素，根据计算方法与试验测试方法运用VisualBasic语言开发出一套计算软件，软件具有根据输入的漏热量等初始条件，计算LNG、液氮、液氧、液氩等低温液体储罐的蒸发率功能。

软件的界面友好，可操作性较强。

关键词：

蒸发率；计算软件；低温液体

EvaporationRatesCalculationProgramDevelopmentforCryogenicLiquidStorageTank

Abstract

Evaporationrateisanimportantparametertomeasurecryogenicliquidstoragetanks.Thecalculationmethodandthetestmethodstogettheevaporationrateofthecryogenicliquidstoragetankswereresearchedinthispaper.Accordingtotheheatleak,densityandnominalvolume,theevaporationratecanbecalculated.Theconnectionanddistinctionbetweenthetwomethods,werecomparedandanalyzed..TheprogramtocalculateevaporationratewasdevelopedbyusingVisualBasic.Thissoftwareisbasedontheinputofheatleakage,andotherinitialconditions,calculateLNG,liquidnitrogen,liquidoxygenandliquidargonandotherlow-temperatureliquidstoragetankevaporationrate.Theinterfaceofthesoftwareisuser-friendlyandthesoftwarecanbehighlyoperative.

Keyword:

Evaporationrate;CalculationSoftware;Cryogenicliquid

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第1章前言

1.1课题背景及研究目的

随着国民经济的快速发展和低温技术的普及，液氮、液氧、液氩、液氢、液氦、液化天然气等低温液体的应用日趋广泛，各行各业对储存和输送低温液体的低温容器的需求不断增长[1]。

尤其是近几年，随着改革开放的深入，国外主要跨国气体公司竞相在我国建立合资企业，带来了先进的空分设备、技术和管理，使我国低温液体的产量大幅度提高，供应的地区和范围不断扩大，价格大幅度降低，促进了低温液体的应用，带动了我国低温容器的发展，使低温容器成为一个新兴的行业。

随着低温技术的普及，低温液体从最早的高端技术应用逐步向工业生产和民用生活领域内渗透。

低温液体适用领域的拓展也带动了低温容器的设计及制造向着多元化方向改进。

固定式的低温容器趋于规模化，移动式的低温储运容器趋于集约化。

然而气体产品有两种储存运输状态:

一种是气态产品，如氧气、氮气等，通常采用地面钢瓶充装进行储存和运输；另一种为低温液态产品，如液态氧、液态氮、LNG等，必须采用低温液体容器或低温液体槽车盛装，并经专用设备汽化后供给用气系统使用。

其中，作为最能体现获得与保持低温、实现低温技术应用领域必不可少的低温液态气体储运技术,在保持气体质量、提高气体利用率、安全性和经济性等方面，较之采用钢瓶充装储运,具有更大的优越性。

世界上业发达国家气体产品的储存，除用管网直接集中输送外，90%以上均采用低温液体储运方式[2]。

因此，了解低温液体储运技术的发展现状，熟悉低温液体贮运设备的结构，掌握低温液体储运过程中蒸发率的测定与计算方法,具有非常重要的意义。

低温液体（含LNG）在密闭储存过程中，由于漏热不可避免的存在，液体不断蒸发造成压力上升，最终导致气体泄放。

因此，蒸发率是衡量低温液体储运容器的重要指标。

本课题拟开发一套软件，实现LNG等低温液体储罐的蒸发率计算。

1.2国内研究现状及发展前景

低温绝热与储运技术是低温产生、保持和应用必不可少的技术，如液化器的保温、低温液化气体的储存与运输、低温环境的获得与保持，各种低温下的应用等均离不开低温绝热以及低温储运技术。

因此，绝热性能的好坏不仅涉及到各种低温应用的效果，甚至还关系到这些应用是否可能。

因此，在整个低温工程学科均广泛应用低温绝热与储运技术。

不同的绝热结构、不同的绝热材料、不同的工艺条件对绝热性能影响很大。

另外，不同类型的低温容器的绝热结构及容器结构各不相同。

低温储运设备又称低温容器，是杜瓦容器、储液器、储槽（槽船）的统称，可分成固定式和运输式两类，又可按储存介质分成液氮容器、液氧容器、液氢容器、液氦容器、液氟溶器、液化天然气容器等。

目前这些容器设备的情况如表1.1所示[3]：

表1.1低温容器设备情况

序号类型

容量及技术水平

中国的创新

1.液氮、液氧、液

氩容器

固定式

容量：

从1L～1000m3

日蒸发率：

不同容器的日蒸发率不同，与国际水平相当。

绝热结构：

小型高真空多层绝热为主；

大中型以真空粉末为主；

特大型以纤维型堆积绝热为主。

运输式

公路槽车4～25m3

铁路槽车45m3

槽船（集装箱）～15m3（LAr）

容量:

15L～85m3（铁路槽车）

日蒸发率:

3%～50%

1．热虹吸容器大幅度减少输液损失与缩短时间。

2．特种超高压、高冲击容器。

3．特种用途容器。

4．非金属杜瓦。

5．特大型容器。

续表1.1

2．液氢容器

绝热结构：

多层绝热为主，大型采用真空粉末绝热。

3．液氦容器

容量:

：

50L～1500L

日蒸发率：

趋于国际先进水平

绝热结构：

多屏绝热为主，大型采用多层绝热，亦采用LN2屏绝热结构。

1．采用高真空—多屏（多层）。

2．液氦运输杜瓦结构（防冲击、振动、冷补偿结构）。

3．SQUID无磁杜瓦。

4.液化天然气容器

容量：

100m3、150m3、700m3（贮槽）、30～40m3（槽车）、22000m3（槽船）

日蒸发率：

≤013%（以上3种）

绝热结构：

真空粉末（贮槽）

高真空多层绝热（槽车）

1．防止产生涡漩与分层的流程系统及充注结构。

2．采用可以承受轴向与径向冲击与位移的端部与径向组合支承。

3．40m3大容量LNG槽车。

4．第一次建成LNG贮船。

（1）我国低温容器的现状

我国低温容器的应用已开始渗透到国民经济各个部门，在改善人民的食物结构、生活质量、身体健康和提高工业水平等方面已发挥重大作用,取得明显的社会经济效益。

由于市场需求不断增长，生产厂家增多，低温容器已发展成为一个新兴的行业。

由于液氮耗量已成为一个国家工业水平的重要指标，而我国低温液体耗量与国外相比还存在巨大差距,其应用仍处于初始阶段，在应用的许多方面有的还未涉及，有的刚刚起步,各地区间的发展也极不平衡。

另外在低温容器的标准化工作、产品质量和价格、行业管理等方面存在诸多问题有待解决。

（2）近期发展前景

今后10年内，可预计低温容器发展仍会保持良好势头，理由如下：

①世界范围内兴起的技术革命中，高温超导、微电子技术、生物工程、材料科学和新能源等研究开发，以及航天技术的发展都会促进低温液体在新领域中的应用。

②我国刚刚确立的知识创新工程8大重点领域中，农业高新技术、人口与健康、能源、新材料、资源与环境、空间科学与技术都与低温液体应用有关，并会促进低温容器的发展。

③化工、冶金作为低温容器发展的动力，在“九五”期间的扩能改造工程已全面启动。

如1996年全国共有乙烯装置18套，生产能力420.8万吨，“九五”改扩建规划完成后生产能力可达到973万吨。

④随着气体工业的发展，从上海、江苏等东部沿海地区向东北、华北地区扩张，再向中、西部地区漫延，会促使广大中、西部地区的液氮、液氧价格降低，从而使这些地区发挥出巨大的市场潜力。

（3）远期发展前景

2010年后影响我国低温容器进一步发展的主要因素仍然是低温液体的价格和供应问题，这取决于气体工业的发展。

只有使液氮、液氧价格降低，才能实现在食品的速冻、冻干、冷藏运输以及低温粉碎、低温治疗、低温保存、低温加工等方面大量使用低温液体。

另外液化天然气和高温超导的开发应用一旦真正实现，会给低温容器的发展带来新的机遇和市场[4]。

第2章低温液体储罐蒸发率

2.1低温液体储罐蒸发率的定义

低温液体储罐的主要性能指标有静态蒸发率、封结真空度、真空夹层漏率、真空夹层放气速率及真空夹层漏放气速率等。

储罐静态蒸发率能较为直观地反映储罐在使用时的保冷性能。

低温液体储运设备的蒸发率指标，是衡量其绝热性能最重要的技术参数。

平常所说的低温液体储运设备的蒸发率，是指在标准状态（0.101325MPa,0℃）下，储存适量的低温液体，在达到热平衡以后的蒸发速率。

一般以24h计算，故又称日蒸发率。

它是指一天（24h）内蒸发的数量与储液容器的公称容积之比。

低温液体储罐因用途、规模及地形等原因，选择的结构形式和绝热方式各不相同，对储罐蒸发率的要求也不同。

储罐蒸发率的性能指标可以通过测试（试验法）得到，也可在实际运行中根据运行数据计算（工况计算法）求得。

2.2低温液体储罐蒸发率的测定

低温液体储罐蒸发率分为计算方法和试验测试方法。

2.2.1低温液体储罐蒸发率计算方法

低温液体储罐的计算方法比较简单，通过低温液体的漏热量、密度以及储液容器的公称容积来求得。

实际上就是通过重量法进行计算，它是指一天（24h）内蒸发的数量与储液容器的公称容积之比：

（2.1）

其中：

g　——24h内损耗的低温液体数量，Kg

M——容器内满容积时的低温液体质量，Kg

而式中：

故有：

其中：

ρ——低温液体的密度，Kg/m3

γ——气化潜热，KJ/Kg

Q——日整体漏热量，KJ/d

V——容器的公称容积，m3

通过低温液体的密度，漏热量，气化潜热（液体比焓与气体比焓之差）以及容器的公称容积可以计算出低温液体储罐蒸发率。

这种方法适用于低温液体容器，但由于计算简便，导致蒸发率计算有误差。

2.2.2低温液体储罐蒸发率试验测试方法

试验测试方法通常采用蒸汽流量测量法，该方法是通过流量计，如湿式流量计、干式流量计（煤气表）、转子流量计等一些仪器仪表，测量蒸发气体的流量。

湿式流量计的精度比干式流量计高,但在测量液氦容器的蒸发率时，一般不使用湿式流量计。

因为仪器内的水分会污染氦气，给以后的纯化工作带来困难。

试验法通常采用液氮作为介质，国家标准中没有给出LNG储罐蒸发率的上限指标,相关计算参考液氮的标准。

方法与装置

采用蒸汽流量测量法（湿式流量计）测量低温容器蒸发率的装置如图2.1所示[5]：

1-低温储存容器；2-气压表；3-增湿器；4-压力调节器；

5-旁通阀；6-气体流量计；7-真空计规管

图2.1　用蒸汽流量法测量低温容器蒸发率的装置

采用质量流量计测量低温容器蒸发率的装置如图2.2所示[6]：

1-低温绝热压力容器；2-排气管阀；

3-温度计；4-质量流量计

图2.2气体质量流量计法测量装置图

仪器设备：

（1）所用计量器具及仪器必须经过计量部门检定合格，并在有效期内。

（2）温度计测量误差不大于0.1℃。

（3）气压计测量误差不大于150Pa。

（4）气体质量流量计的额定流量值应与被检容器蒸发的气体流量相适应，测量不确定度≤2％。

测量准备：

（1）测量场地应设置红色警示标志。

（2）严禁液氢、液氧容器同时在近距离测试。

（3）流量法测量的导气管与被检容器连接的试验仪器连接处要求密封良好，并经过检漏。

（4）测量易燃低温液体时，排气管用真空波纹管与流量计连接时，管道必须经氮气置换，并准备好密封气囊或回收利用装置。

（5）静态蒸发率应在夹层真空度、漏率、漏放气速率测量完毕且合格后再进行。

环境条件：

（1）测量应在常温、当地大气压、无振动条件下进行。

（2）易燃介质低温绝热压力容器静态蒸发率的测量应有良好的通风及防静电、防明火等措施。

测量程序:

（1）容器几何容积的测定按GB/T18443.1进行，有效容积根据几何容积计算。

（2）低温液体充装量应达到90%额定充满率，其液体表面需包容最上部支撑，并静置48～72h。

（3）打开与流量计相连的气体蒸发出口管道阀门，同时关闭各气、液管道上其他阀门，当内容器表压力为零时，连接流量计。

（4）观察蒸发气体流量稳定后，每隔一定时间记录一次流量计示值，按时记录环境温度、大气压力、流量计入口温度。

（5）稳定后连续测量不少于24h。

数据处理：

试验测试方法通流量计测量的气体流量是在一定的温度、压力条件下气体流量。

由于测量时的温度、压力等条件不同，尽管从流量计测得的气体流量相同，但实际的质量是不相同的。

因此，需做必要的修正。

采用湿式流量计测量静态蒸发率由公式：

（2.2）

式中,qV为蒸发气体体积流量日平均值，m3/d；

Ψ为气体修正系数，采用流量计的技术说明书给定值；

n为标准状态下（0.101325MPa,0℃）液化气体的气、液体积比，液氮为643；

V为被测容器的有效体积，m3；

p为被测气体的绝对压力，MPa；

T为流量计入口温度；

T1为环境温度；

T2为低温液体温度，

Tn为温度修正值。

采用质量流量计测定在单位时间内由低温绝热压力容器中液体挥发后通过质量流量计的气体质量流量，计算出静态蒸发率[7]：

（2.3）

表2.1计算结果

介质种类

氮

氧

氩

氢

氦

氟

甲烷

液化天然气

气体体积比n

643

800

780

788

700

484

591

591

温度修正值Tn/K

216

203

206

273

289

208

181

182

通过试验测试法计算储罐蒸发率需要所以计量器具及仪器必须经过计量部门检定合格，并在有效期内，温度计测量误差不大于0.1℃，气压计测量误差不大于150Pa。

2.2.3两种方法的联系与区别

试验法与计算法都是对储罐的绝热性能——蒸发率指标进行判定，但得出的结果有所区别：

（1）试验法是严格遵照国家标准进行，对试验工况进行了修正，测试的是储罐的静态标准蒸发率。

而计算法是在运行工况进行的计算，得到的是平均运行工况下的储罐实际蒸发率[8]。

（2）试验法通常采用液氮作为介质，而计算法中针对的是LNG介质。

介质不同,蒸发率也不同。

（3）试验法适用于预冷保冷阶段，计算法适合于投产的初期,且对日用气量有要求。

（4）试验法需一定的费用（液氮、测试单位、仪表等）和时间，操作较为繁琐。

计算法只需取站内日常记录数据进行分析和计算，操作简单方便。

（5）试验法与实际情况有一定的差距，而工况计算法更接近实际情况，对日常工作的指导意义更大。

2.3本章结语

储罐静态蒸发率是衡量储罐绝热性能的重要指标，从不同角度了解储罐蒸发率，有利于LNG气化站内安全有效的运营管理。

试验法和计算法各有特点，应结合使用。

国家标准中没有给出LNG储罐蒸发率的上限指标,相关企业只能参考液氮的标准。

第3章影响蒸发率的因素及物性参数

3.1影响蒸发率的因素

LNG等低温液体由于其易燃易爆性，在运输过程中需要无损储存。

无损储存时间是衡量蒸发率的重要指标[9]。

影响无损储存时间的因素很多，主要有储罐漏热量、充满率、环境温度、容器的使用压力、温度分层等。

3.1.1储罐漏热量

周围环境通过低温容器的绝热结构和机械构件导入低温液体的总热流，可由在单位时间内从容器中蒸发出来的低温液体的数量来确定。

日蒸发率是衡量低温容器绝热质量的重要指标之一。

小型低温容器蒸发的介质量可用称重法来测量，或者测定从容器中排出的蒸汽量来确定。

大容积储罐的蒸发率只能用后一种方法来测定。

低温容器的蒸发率的测定条件为1.013×105Pa大气压力和20℃气温下进行。

由于我国各地区、各季节的气象条件相差悬殊，许多低温容器的蒸发率的测量工作往往是在不相同的条件下进行的。

为评价低温容器的绝热质量，应有一个不受地点和条件变化影响的统一的测量标准。

可以分析周围环境大气压力和气温变化对低温容器蒸发率的影响，对低温容器的蒸发率测量值进行气压、温度校正。

低温容器的标准蒸发率可以根据式（3.1）计算。

（3.1）

上式中，M为每小时蒸发的液体质量；Ve为满容积时液体质量；

为气压校正系数；

为气温校正系数；

为液位校正系数。

日蒸发率是衡量低温容器绝热性能的主要指标[10]。

当容器充注低温液体并密封开始无损储存后，由于漏热量的影响，一方面由于系统内能的增加，温度上升，而使其饱和压力增加；另一方面，由于温度上升，而使液体的体积膨胀，使气相空间减少，因液体体积的不可压缩性而使压力急剧增大。

随着日蒸发率的增加，压力升高速度增加，达到低温容器最高使用压力时间将缩短，即无损储存时间减少。

因此提高低温容器的绝热性能，减少日蒸发率是延长无损储存时间的主要途径之一。

目前，对于低温类液化气体容器的绝热性能，国家有关行业标准和专业标准如ZBJ76003《固定式真空粉末绝热低温液体贮槽》和JB/T6897《低温液体槽车》规定的指标，是以日蒸发率的形式出现的[11]。

根据日蒸发率可以利用式（3-2）换算出储罐总漏热量。

（3.2）

上式中，Q为漏热量；

为蒸发率；

为介质密度；

为充满率；

为储罐容积；

为介质汽化潜热。

3.1.2充满率

由于初始充满率的不同，对于同一容器也会产生单位液体体积受热量不同，随着容器中充满率增加，整个容器的热容增大，达到热平衡时两相压力增加的速率减少。

但是，由于液体热膨胀，使气相空间减少，使压力增长速度加快。

这一矛盾的结果，使得在充满率过大或过小时均使无损储存时间下降，因此存在一个最佳充满率。

充满率高时，随着热量的传入，液体的体积膨胀使液体在容器中占有的容积愈来愈大，这时会使气体在界面处冷凝。

而充满率很低时，热量传入引起液体蒸发大于液体体积的膨胀，结果使液体的体积变小，直至完全汽化[12]。

3.1.3环境温度

环境温度对漏热和蒸发率的影响与传导传热、辐射传热在整个漏热中所占的比例有关。

如果已知各种漏热所占的比例，则可以根据传热学的基本定律，算出环境温度变化对蒸发率的影响[13]。

设辐射漏热占总漏热的比例为f，传导传热所占的比例为g，f十g=1。

设环境温度为T2时的蒸发率为

，则环境温度为T3时的蒸发率为

，可由传热学基本定律导出：

（3.3）

3.1.4储罐的工作压力

工作压力提高，能使无损储存时间增加，但又造成容器壁厚增加，从而使容器重量增加，热容量也增加，成本提高。

对于运输设备则降低了有效载重量。

因此，合理选择工作压力也是槽车储罐优化设计的重要内容之一。

3.1.5温度分层

低温液体储存中温度分层不仅使参数的计算带来困难，而且会使低温容器使用时性能恶化，表面压力急剧上升导致气体压力急剧上升。

温度分层的现象不仅与液体的种类和受热量有关，在很大程度上还与充满率有关。

3.1.6运行情况

槽车不同的运行状态，对内部LNG的热力变化过程有重要的影响。

槽车带液停车时间较长时，储罐内容易产生温度分层的情况。

槽车在行驶过程中，虽然内部设有防晃板，但是局部的晃动也破坏温度分层的基本条件，使罐内温度保持一致，对稳定槽车压力有利。

3.2各种低温液体物性参数

以下六张表格分别为甲烷、乙烷、丙烷、氮气、氧气、氩气[14]的饱和液体及蒸气热物性数据[15]。

表3.1饱和液体、蒸气热物性数据（甲烷）

温度

/K

压力

/MPa

液体密度

/（kg/m3）

液体比焓

/（kJ/kg）

蒸气比焓

/（kJ/kg）

液体比熵

/（kJ/kg•K）

蒸气比熵

/（kJ/kg•K）

98

0.027877

441.59

-333.39

199.73

4.5466

9.9866

100

0.034495

438.89

-326.63

203.44

4.6147

9.9154

102

0.042302

436.15

-319.84

207.10

4.6818

9.8478

104

0.051441

433.39

-313.00

210.70

4.7480

9.7835

106

0.062063

430.59

-306.13

214.23

4.8132

9.7223

108

0.074324

427.76

-299.22

217.70

4.8775

9.6638

110

0.088389

424.89

-292.28

221.11

4.9408

9.6080

111.63

0.101325

422.53

-286.59

223.83

4.9919

9.5643

112

0.10443

422.00

-285.31

224.44

5.0033

9.5546

表3.2饱和液体、蒸气热物性数据（乙烷）

温度

/K

压力

/MPa

液体密度

/（kg/m3）

液体比焓

/（kJ/kg）

蒸气比焓

/（kJ/kg）

液体比熵

/（kJ/kg•K）

蒸气比熵

/（kJ/kg•K）

90.35

1.10E-06

651.92

176.84

771.91

2.5602

9.1467

95

3.60E-06

646.83

187.38

777.65

2.6739

8.8843

100

0.000011

641.35

198.73

783.82

2.7904

8.6359

105

0.00003

635.86

210.11

789.99

2.9015

8.4174

110

0.000075

630.35

221.52

796.17

3.0076

8.2235

115

0.000169

624.83

232.95

802.35

3.1092

8.0518

120

0.000354

619.29

244.4

808.54

3.2067

7.8988

125

0.001291

613.73

255.87

814.75

3.3003

7.7622

130

0.002275

608.14

267.37

820.96

3.3905

7.6399

表3.3饱和液体、蒸气