区域燃气门站设计外文翻译资料

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Journal of Natural Gas Science and Engineering 36 (2016) 496e509

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Journal of Natural Gas Science and Engineering

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Performance analysis of liquefied natural gas storage tanks in refueling stations

Amir Sharafian, Omar E. Herrera, Walter Meacute;rida*

Clean Energy Research Centre, The University of British Columbia, 2360 East Mall, Vancouver, BC, V6T 1Z3, Canada

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 5 August 2016 Received in revised form 28 September 2016

Accepted 26 October 2016

Available online 28 October 2016

Keywords:

Liquefied natural gas Boil-off gas

Storage tank Holding time Refueling station

a b s t r a c t

Liquefied natural gas (LNG) could replace diesel in the transportation sector. However, fugitive emissions including boil-off gas (BOG) across the LNG supply chain have revealed uncertainties on the overall environmental benefits of such replacement. In this study, time-dependent thermodynamic models were developed to study the LNG holding time of storage tanks in refueling stations before BOG releases to the atmosphere. Previously overlooked factors, such as the thermal mass of storage tanks and the actual operating conditions at refueling stations, were included explicitly in the models. The effect of the

thermal mass of storage tanks on holding time is illustrated by an analysis of 57.20 m3 storage tanks filled

with LNG at —150 ○C and —126.5 ○C. The tank with the lower temperature fills shows 3.7-times longer holding time. Further investigations highlight the importance of the ratio of heat transfer surface area to the LNG volume as a key factor in proper sizing of storage tanks to maximize the holding time. Finally, the modeling of a 57.20 m3 storage tank with a heat transfer coefficient of 0.022 W/m2K shows that fuel delivery rates as low as 1.89 m3/day are sufficient to maintain the tank pressure within allowable limits.

copy; 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.

  1. Introduction

Climate change is one of the main concerns of todays world (Richter, 2014), but greenhouse gas (GHG) emissions from indus- trial and transportation processes have steadily increased (Global greenhouse, 2016; Sources of greenhouse gas emissions, 2016; Liimatainen et al., 2014). For instance, the GHG emissions from the U.S. medium- and heavy-duty trucks increased by 76% between 1990 and 2014 and reached 407.4 Mt CO2,eq (Inventory of U.S., 2016). According to the announcements at the 21st Conference of Parties in Paris, mitigation of climate change and reaching the 2 ○C scenario targets would require immediate and significant changes over the next three decades (as opposed to changes occurring over centuries) (21st session of the Conference of the Parties et al., 2015). It has been claimed that replacing conventional petroleum fuels, e.g., diesel and gasoline, with low-carbon content fuels reduces GHG emissions and climate change (van Der Hoeven, 2015). Natural gas (NG) is considered a low-carbon content fuel (Van Den Broek et al., 2015) and several studies reported the benefits of NG on economic and market growth (Van Den Broek et al., 2015; Imran

* Corresponding author.

E-mail address: walter.merida@ubc.ca (W. Meacute;rida).

et al., 2016; Hao et al., 2016; Wang and Li, 2016; Furuoka, 2016; Balitskiy et al., 2016; Wang et al., 2016; Scedil; evik, 2015; Wang and Lin, 2014; Kakaee et al., 2014; Wang et al., 2014; Khan et al., 2015). However, and despite this significant body of work, recent studies revealed uncertainty in the overall benefits associated with NG use (Alvarez et al., 2012; Howarth et al., 2011; Venkatesh et al., 2011; Davis and Shearer, 2014; McJeon et al., 2014; Delgado and Muncrief, 2015). According to the Global Warming Potential (GWP), methane emissions contribute up to 72 times more to climate change than CO2 in a 20-year horizon (Solomon, 2007). Therefore, the reduction in CO2 emissions from NG use must be compared to the impact of the corresponding methane emissions. Without reliable data on the actual deployment technologies, most of the models and analyses comparing widespread NG use to the existing energy options will remain incomplete.

Liquefied natural gas (LNG) is the condensed form of natural gas with 60% volumetric energy density of diesel (Study on natural gas, 2014). The combustion of LNG in comparison with ultra-low sulfur diesel can reduce CO2, NOx, and particulate matter emissions by up to 20%, 90%, and 100%, respectively (International Gas Union, 2015). These features make LNG a candidate fuel in the transportation sector to reduce GHG emissions, especially for large, mobile ap- plications, such as heavy-duty trucks (Bassi,

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加气站液化天然气储罐的性能分析

摘要

液化天然气可以代替运输部门的柴气,但包括LNG供应链中的蒸发气体(BOG)逸散排放表明这种替代在整体环境效益有一定的不确定性。在这项研究中,通过开发基于时间的热力学模型,来研究在BOG释放到大气之前加气站储罐的LNG储存时间。以前被忽视的因素,如储罐的热质量和加气站的实际运行情况,在本次研究中都明确列入了模型。本研究通过对57.20立方米储罐分析来说明一定储存时间的储罐热质量。

液化天然气在-150℃和-126.5℃时与有较低温度的容器具有3.7倍的保持时间。通过进一步的调查证明了传热表面积与LNG体积比的重要性,作为储罐适当尺寸化的一个关键因素,应要最大化保温时间。最后,通过对传热系数为0.022 W/m2K的57.20立方米储罐的建模表明,燃气输送速率低至1.89msup3;/d足以将气箱压力维持在允许的范围内。

关键词:液化天然气 蒸发气 储存罐 保温时间 加气站

1.介绍

气候变化是当今世界的主要问题之一,工业和运输过程的温室气体(GHG)排放量一直稳步增长。例如,1990年至2014年期间,美国中型和重型卡车的温室气体排放量增加了76%,达到了4.040亿吨二氧化碳当量。根据巴黎第二十一届缔约方会议的公告,人类需要在未来三十年内立即缓解气候变化并达成二氧化碳目标。据称,用低碳含量燃料代替常规石气燃料,例如柴气和汽气,可减少温室气体排放和气候变化。天然气(NG)被认为是一种低碳含量燃料,有几项研究证明了NG对经济和市场增长的好处。然而,尽管这些研究的效果很明显,但最近的研究显示与NG使用相关的总体收益存在一定的不确定性。根据全球变暖潜势(GWP),导致气候变化的二氧化碳排放量比二氧化碳在二十年期间贡献高达72倍。因此,NG二氧化碳排放量的减少必须与甲烷的排放进行比较。由于没有关于实际实施技术的可靠数据,将NG的使用与现有能源进行比较的大多数模型和分析仍将是不完整的。

液化天然气(LNG)是天然气的浓缩形式,具有60%的柴气容积能量密度。与超低硫柴气相比,LNG的燃烧可以将二氧化碳、氮氧化物和颗粒物排放量分别降低20%,90%和100%。这些特点使LNG成为运输行业的候选燃料,以减少温室气体排放,特别是对于大型移动应用,如重型卡车、火车、和船。然而,液化天然气的逃逸排放仍是一个主要问题。

LNG是在低至-162℃下储存的低温液体。由于其环境温度梯度较大,LNG逐渐加热蒸发(蒸发气体(BOG))。甲烷(LNG混合物的主要成分)是一种影响比较大的温室气体,由于甲烷较高的碳含量,所以对气候变化的影响要大于二氧化碳。在大型液化天然气运输船上,BOG可被重新使用或用作燃料,可用于保持LNG处于大气压力和低温。在大型LNG再生设备和储存设施中,BOG可用于发电。然而,在小型应用,如LNG加气站,BOG管理更具挑战性。LNG设备的BOG生成和甲烷排放主要来自:1)向LNG的热转移和储罐的加压,2)在填充罐时通风排出的BOG,3)将热量转移到软管,线路和泵,4)在LNG转运之前对设备进行预冷,5)LNG从高压罐转移到低压罐。

天然气(NG)井库分为四个部门,以量化排放排放量:1)气田,2)加工,3)输送和储存,4)分配。分析显示,在价值链上,大气平均排放了1.12%的NG。他们的调查还表明,运输和仓储部门占分配部门中甲烷排放量的35%,其中包括加气站和加气过程,占28%。因此,运输、仓储和配送行业通过防止BOG释放和固定现有泄漏,有明显的改良余地。本研究的主要重点是配送行业。

根据Burnham等人(2015年)调查研究,液化天然气加气站的平均甲烷排放量约为LNG运输量的0.32%。

研究表明,其中一个运行站的甲烷排放量0.1%-1.5%分配给车辆。然而,第二站甲烷排放量为0.9%-5.3%。通过对中国2400个液化天然气加气站的现场调查表明,1600多个门站每天甲烷排放量大于5%,有些情况下由于不正确的排放而减少了10%。中国目前已有3200个液化天然气加气站,占全球加气站总量的94%。预计到2020年,美国和中国的LNG加气站数量分别达到223个和5000个。

通过开发合适的热力学模型来确定液化天然气基础设施设计中的弱点并量化其BOG生成率,这是设计减少逸出排放设施的第一步。调查的液化天然气设施说明了LNG储罐近期的工作,主要有交通运输、卸货(罐对罐转移)再生气候终端和LNG风化。

液化天然气储罐可以承受约1300千帕斯卡的压力,这些压力高于运营压力,接近气船的大型储罐(100,000,000,000立方米)压力。这些操作压力的差异会影响LNG的热物理性质及LNG保持时间和BOG生成速率。液化天然气持续时间是指储存罐可以不通风而容纳LNG的时间。

在这项研究中,我们通过改变储罐尺寸,液化天然气初始温度,储罐保温和燃气输送率等实际参数,对加气站LNG储罐进行了分析。本研究与参考文献中以前模型的主要区别是考虑了储罐的热质量,并在加气站使用LNG的实际工作温度和压力。以前的研究使用LNG在-162℃(大气压力下的NG露点)时的状态,而LNG加气站并非如此。这项研究强调了这些参数对模型预测的重要性,例如对罐的传热速率,LNG储存时间和BOG发电率的影响。

2.LNG加气站和车辆燃气供应系统

LNG在两种条件下分配到车辆中:1)低于-143℃和340kPa的不饱和(冷)LNG, 2)-125至-131℃的饱和(温)LNG和690-930kPa。这是由于车辆燃料供应系统的变化。在一个简单的车辆燃料供应系统中,在发动机中将LNG转移到适当的温度,压力和流量。加热常规的液化天然气储罐的饱和液化天然气,以提高其饱和压力,提供所需的燃气流量。其他更复杂的燃料供应系统具有诸如泵或压缩机的辅助设备,用于将LNG从船上的罐传送到蒸发器和发动机。这些燃料供应系统能够接受不饱和LNG。

加热LNG以增加其饱和温度和压力的过程称为“LNG调节”。加气站有两种LNG调节方法:散装和调温。在用不饱和LNG填充储罐之后,泵将LNG推入加热器以升高其温度和压力,直到存储在储罐中的LNG压力达到设定点为止,这一过程将持续下去。

相比之下,具有辅助调节功能的LNG加气站在加气过程中会同时增加不饱和LNG的压力和温度。这种方法有助于储存罐更长时间地存储更高密度的LNG。然而,加热器需要精确设计,以在短时间内对LNG进行加热,并不会使其过热。

3.LNG储罐建模与假设

22.7-113.5立方米的加气站LNG储罐的最大允许工作压力(MAWP)为约1300千帕。对于净容量为57.2m3的双壁LNG的储罐,使用Aspen Plus和Aspen Plus Dynamics软件的组合来建立LNG储罐模型。液化天然气储罐最初是通过Aspen Plus的设计解决了稳态条件。然后,该模型出口到Aspen Plus Dynamics过程中,其中入口和出口阀关闭,以建立无燃料输送的固定罐。热力学模型包括质量和能量的时间依赖性保存,热和质量传递方程和状态方程。在这项研究中,纯甲烷被认为是LNG,因为超过90%的NG是由甲烷组成的。在储罐的壁上施加恒定的环境温度边界条件。假设液相,即LNG和BOG处于平衡状态。使用彭罗宾逊(PR)状态方程来确定给定温度和压力下气相的密度。

根据技术建议,加气站的液化天然气储罐应使用不饱和液化天然气运输最多达80%。在饱和液化天然气的条件下,不应将储罐的填充量超过其90%。在这项研究中,讨论了使用分配器的理由。为了进行比较,Aspen Plus Dynamics不饱和和饱和液化天然气的初始容积设定在罐体净容积的80%。LNG罐的压力和温度升高,直到储罐压力达到MAWP从环境传热为止。这一次被定义为没有甲烷排放的储罐的“LNG储存时间”。在建模过程中,没有液化天然气流入和流出储罐,除非另有规定。

为了求解时间依赖的控制方程,在Aspen Plus Dynamics中选择了混合牛顿法。所有变量的相对误差差异,即密度,温度,压力和液体和蒸汽质量分数设定为10-4 at。

每个时间部分利用混合牛顿方法,使用牛顿法进行初始化和快速牛顿法进行动态迭代。 因此,它为大多数时间依赖模拟提供了快速迭代速度和高收敛速度。

  1. 结论

由于来自环境的热传递和LNG密度的变化而导致的罐中LNG液位变化。最初不饱和和饱和的液化天然气水平10.11m(对应于内罐长度的80%,Ltank,如图2所示)。当储罐压力达到MAWP时,不饱和LNG水平通过提高LNG温度升高达11.77米。这显示出1.66米的变化

由于液化天然气密度从405.7降低到348.2千克/立方米,液化天然气的初始和最终水平为16.5%。饱和液化天然气水位也增加了0.46米,达到10.57米的水平,饱和LNG增加较少,因为饱和LNG的密度从初始密度下降了4.5%。这些数据证明了不饱和和饱和液化天然气的填充储罐高达80%和90%的实际。

4.1到LNG储罐的泄漏量

随着LNG温度逐渐升高,不饱和和饱和LNG的热泄漏率随时间而下降。与饱和LNG混合的气箱的热泄漏率小于不饱和LNG的泄漏率。到储罐的热泄漏率在最初几天呈指数衰减,然后线性下降。这是因为储存罐的热量存储了一部分传递给LNG的热量。

与不饱和LNG混合的储罐的BOG大于使用饱和液化天然气的储罐。这是由于不饱和LNG和环境之间的温度梯度较大。BOG随着时间的推移减小到最小,然后增加。增加LNG储罐的压力可最大限度地减少BOG的产生。然而,随着气箱温度和压力的增加,LNG的蒸发热量也逐渐减少。例如,LNG的蒸发焓通过从-150℃升高LNG温度和压力而从488.9降低到394.8kJ/kg,降低24%,230.65 kPa至-118℃和1300 kPa。所以是在压力增加和蒸发焓降低之间控制BOG生成。这些结果驳斥了通过罐压力增加引起的恒定BOG产生和BOG产生减少的假设。

4.2储罐热质量对建模结果的影响

储罐的热质量存储从环境转移到LNG的一部分热量。具有饱和液化天然气的零散热的储罐比有热质量的罐的压力和温度升高更快。此外,与热质量相比,具有零热质量的罐的LNG水平在更短的时间内增加。这些结果表明,储罐零热量热力学模型低估了LNG储存时间,并高估了日常BOG的平均生成速率。零热量储罐的LNG泄漏率随时间线性减小。然而,具有热质量的储罐中的LNG的热泄漏率最初降低,因为一部分热量储存在储罐的壁中,剩余的热量被转移到LNG。当储罐的热质量不能储存更多的热量时,罐内的热量泄漏会大部分转移到LNG。此时,热泄漏率曲线的斜率平行于具有零热质量的储罐的斜率。这一分析强调了文献中忽视的储罐热质量的重要性。

4.3没有燃料输送的LNG储罐的性能分析

在LNG基础设施中正确使用绝缘材料可以使对LNG的热传递最小化。在储罐中,与绝缘材料相比,金属壁的热阻可以忽略不计。由于绝热材料在侧壁、顶和侧板上的传热阻力被认为是并行的。

不饱和和饱和的LNG压力和对罐的热泄漏率。对于0.01W/m2K的绝缘,不饱和和饱和的LNG压力分别超过80天和20天,达到储罐的MAWP。而具有0.25 W / m2K绝缘的储罐只能容纳不饱和和饱和液化天然气约10和3天,分别将BOG释放到大气中。对于不饱和LNG而言,对罐的热泄漏率为165〜2870W,饱和为154〜2500W液化天然气在0.01-0.25 W / m2K的绝缘下。

133.3Pa的真空压力下的材料可以容纳不饱和和饱和的液化天然气188和50天。使用传统的绝缘材料,如聚氨酯,绝缘0.10W/m2K,无真空,分别导致不饱和和饱和的LNG保持时间分别为22和5.7天;LNG储存时间减少8倍以上,与绝育0.01W/m2K相比。当Uinsulation从0.01增加到0.25W/m2K时,不饱和LNG的日均BOG生成率从0.15%增加到饱和LNG的0.16-2.93%。

在具有高燃气输送率的LNG加气站中,Barclay等人研究发现。建议使用与传统绝缘材料绝缘的单壁水箱,并安装现场液化石气液化BOG。

LNG加气站在一年的时间内暴露于不同的环境温度。此外,它们安装在不同的地理位置,Tambient可以偏离LNG储罐的设计点,Tambient会对LNG储存时间产生影响,以及影响不饱和和饱和液化天然气池的平均每日BOG生成率。从-10℃升至45℃,将Tambame的不稳定值从112降低到78天。对于饱和液化天然气,当Tambient从-10℃升至45℃时,气箱保持时间减少50%。45℃的TOR值导致平均每日BOG产生率为0.36%和0.40%,该储罐分别装有不饱和和饱和的液化天然气。

储存在储罐中的液化天然气也会影响LNG储存时间和BOG生成速率。在低燃料吞吐量LNG加气站,一种措施是利用只剩下一半的储罐来增加LNG储存时间。

LNG储存时间和日均BOG生成率。储罐中的LNG占用的储罐的体积百分比表示初始液化天然气水平。将罐中的初始LNG水平从50%提高到90%,将不饱和和饱和LNG的保持时间分别从63天和17天增加到95和25天。在罐中LNG的较低热量为50%,会导致更高的BOG产生速率。这些数据反驳了部分填充气箱的想法,可以增加加气站的LNG储存时间。

较小的LNG储罐可用于低通量LNG加气站。具有21.84-107.32立方米净容量的LNG储罐的尺寸。表面积至储罐净容量比(Atank / Vtank)会影响LNG储罐的BOG生成率;较大的储罐具有较小的Atank / Vtank。这意味着存储在储罐中的小的Atank和大量的热质量是期望的特征,以降低BOG生成速率并增加LNG保持时间。LNG储罐的保存时间和平均每日BOG生成率为21.84〜107.33 m3。一个21.84立方米的储罐填充不饱和液化天然气的钻井时间比107.33立方米储罐短56%。因此,21.84立方米储水罐的平均每日BOG

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