一种液氮测试LNG空温气化器气化量的方法及测试系统与流程

本发明属于一种测试方法和测试系统，具体的说本发明采用液氮代替液化天然气对液化天然气气化装置进行气化量测试，本方法可以简单准确测得装置的气化量。

背景技术：

近年来，天然气在能源供应中的地位越来越重要，需求量大增。lng点供作为一种重要的天然气供应方式，也得到了广泛的应用。因此作为中小型lng撬装供气装置的规范化也势在必行。空温气化器作为重要的lng气化装置，如何测试其气化量指标，也是规范化内容之一。目前业界沿用的方法是在标注气化量下空温气化器出口温度不低于环境温度10℃即可。但是在进行气化量认定测试的时候，一般是采用液氮替代lng进行测试。因为液氮与lng之间的物性差异，需要对测得的氮气气化量进行修正。

传统方法的lng气化量计算方法如下：

式中：

q——基准状态下城镇燃气的公称流量，单位为立方米每小时(m3/h)；

qm——氮气的工况流量，单位为立方米每小时(m3/h)；

p——基准状态下城镇燃气的绝对压力，为0.101325mpa；

pm——氮气的绝对压力，单位为兆帕(mpa)；

tm——氮气的温度，单位为摄氏度(℃)；

z——基准状态下城镇燃气的压缩因子；

zm——氮气的压缩因子；

d——城镇燃气的相对密度；

dm——氮气的相对密度。

换算中仅考虑了氮气与天然气的状态差异，而没有考虑其物性和状态对换热性能的影响，而氮气与天然气因换热性能的差异导致的气化量计算误差较大。

技术实现要素：

本发明的目的是解决氮气与天然气因换热性能的差异导致的气化量计算误差较大的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

一种液氮测试lng空温气化器气化量的定流量测试方法，包括以下步骤：

步骤一，调节液氮气化量至标注的lng气化量，

步骤二，测量所述lng空温气化器出入口温度、压力，

步骤三，根据所述温度、压力，确定与氮气有关的相关物性参数，即qm、dn、dm、hn、hm、k，

步骤四，通过公式(1)计算出基准状态下lng气化量，

其中：

qn——基准状态下天然气的公称流量；

qm——氮气的工况流量；

dn——基准状态下天然气的相对密度；

dm——测试工况下氮气的相对密度；

hn——单位质量的lng在测试压力下，温度从-152℃升温到不低于环境温度10℃所吸收的热量；

hm——单位质量的液氮在测试工况下气化到所述lng空温气化器出口温度所吸收的热量；

k——氮气与天然气物性不同对传热影响的修正系数。

进一步，所述基准状态为温度为15℃，压力为0.101325mpa。

进一步，所述修正系数其中，φn——所述气化器将质量流量为q的lng从-152℃气化到不低于环境温度10℃时的换热量(kw)，φm——所述气化器气化质量流量为qm的液氮时的换热量(kw)。

进一步，测算出所述修正系数k与液氮入口温度的关系表，根据所述k值与液氮入口温度的关系表查出所述修正系数k。

一种液氮测试lng空温气化器气化量的测试系统，包括依次连接的液氮储罐(01)、温度变送器(07)、lng空温气化器(11)、温压变送器(08)和流量变送器(09)；其中，

所述温度变送器(07)，用于采集所述lng空温气化器(11)入口的温度参数；

所述温压变送器(08)，用于采集所述lng空温气化器(11)出口的温度和压力参数；

所述流量变送器(09)，用于采集所述lng空温气化器(11)出口的流量参数。

进一步，在所述液氮储罐(01)与温度变送器(07)之间设置有调节阀门。液氮储罐(01)与温度变送器(07)之间、温度变送器(07)与lng空温气化器(11)之间、lng空温气化器(11)与温压变送器(08)之间，分别设置有阀门。

进一步，还包括安全放散阀(10)，所述安全放散阀(10)，用于管道气体的超压放散。

本发明的优势在于：由于此前没有这方面的需求，因此行业中没有较为精确使用的氮气替代lng测试气化量的方法，本发明给出了测试方法、相应的测试系统和修正公式。本发明在计算中，不仅考虑了氮气与天然气的状态差异，而且考虑了氮气与天然气因换热性能的差异，对换热性能的影响，因而测量得出的天然气空温气化器的气化量数值较为精准。本发明的液氮替代lng测试气化量的方法，计算分析了不同管长、流速、环境温度、工作压力、液氮入口温度，液氮与lng物性差异对传热的影响，并给出了相应的气化量算法及相关修正系数。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1为本发明的k值与液氮入口温度的关系图；

图2为本发明的k值与环境温度的关系图；

图3为本发明的k值与基准状态气化器入口流量的关系图；

图4为本发明的k值与系统压力的关系图；

图5为本发明的k值与气化器管长的关系图；

图6为本发明的定流量测试系统结构示意图；

其中，液氮储罐(01)、阀门(02、03、04、05、06)、温度变送器(07)、温压变送器(08)、流量变送器(09)、安全放散阀(10)、lng气化器(11)。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

如图1至图5所示，根据本发明的实施方式，提出了为了实现更准确的lng气化装置的气化量测试的、液氮测试lng空温气化器气化量的方法。本发明基于现代传热分析及测量技术，以达到安全且精确的目的。

本发明所述的lng空温气化器是以空气为热源，通过自然对流换热的气化装置；lng为液化天然气英文缩写。

为了解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供一种液氮测试lng空温气化器气化量的定流量测试方法，采用液氮替代lng进行测试。首先，通过调节液氮气化量为标注的lng气化量，比如设备标注lng的基准状态气化量为300m3/h，测试时采用液氮替代lng，也调节液氮的气化量为300m3/h，测试lng气化器出口温度和压力，并根据该温度和压力确定氮气的相关物性参数，例如密度、比焓，然后通过物性对传热影响的修正，换算成基准状态lng的气化量。修正算法如式(1)

其中：

qn——基准状态下天然气的公称流量，单位为立方米每小时(m³/h)，基准状态为15℃、0.101325mpa的状态；

qm——氮气的工况流量，单位为立方米每小时(m³/h)，通过测试得到；所述工况是指气体工作状态；

dn——基准状态下天然气的相对密度；

dm——测试工况下氮气的相对密度；

hn——单位质量的lng在测试压力下，温度从-152℃升温到不低于环境温度10℃所吸收的热量，单位为千焦每公斤(kj/kg)；

hm——单位质量的液氮在测试工况下气化到气化器出口温度所吸收的热量，单位为千焦每公斤(kj/kg)；

k——氮气与天然气物性不同对传热影响的修正系数，它的值与液氮入口温度的关系，如图1所示，是通过大量计算后总结出来的。该修正系数k的值可根据图1查出。

公式1推导依据的是lng空温气化器传热计算原理及相似性原理，具体说明如下：

所述气化器单位管长度的换热量φ(w/m)由此可以确定出:

φ＝k(th-tf)f

式中f——管内壁单位长度的面积,f＝πd(m²)

k——空温气化器综合传热系数(kw/m².℃)；

th——环境温度(℃)；

tf——管内流体的平均温度(℃)。

用相似理论来分析lng和液氮两种介质在气化过程中物性差异对传热带来的影响。因为所述气化器的气化能力等于其传热能力，因此可以得到如下的关系式：

其中：

qn——如果lng从-152℃升温到不低于环境温度10℃，所述气化器所能气化的质量流量，单位为千焦每公斤(kj/kg)；

hn——单位质量的lng在测试压力下，温度从-152℃升温到不低于环境温度10℃所吸收的热量，单位为千焦每公斤(kj/kg)。

qm——为了有相似的流动状态，以等同于所述气化器标识的lng设计体积气化量(基准状态)，换算出的液氮的质量流量(kg/h)；

hm——单位质量的液氮在测试工况下气化到所述气化器出口温度所吸收的热量，单位为千焦每公斤(kj/kg)；

φn——所述气化器将质量流量为q的lng从-152℃气化到不低于环境温度10℃时的换热量(kw)；

φm——所述气化器气化质量流量为qm的液氮时的换热量(kw)。

φn与φm的差别，应主要是物性差异带来的影响，设：

因为传热面积f不变，所以上式也可表达为

k＝[kn/km]*[(thn-tfn)/(thm-tfm)](3-1)

又因为

qn＝qndn(4)

qm＝qmdm(5)

将式(3)(4)(5)带入式(2)可得前述修正公式(1)：

为了考察物性以外的影响，通过改变换热管结构(截面尺寸及管长)、被气化介质流速、环境温度、工作压力，计算传热修正系数k值。为了方便计算，做了如下设定：以纯甲烷的物性代替lng；参照实际运行中的经验，lng进入换热器的温度(以下简称入口温度)取-152℃为设计工况；液氮入口温度取-185℃。结果如图2-5所示。

分析图2-5的结果，k值基本保持在0.855左右，变化幅度均在1％以下，从而考虑忽略换热管结构(截面尺寸及管长)、被气化介质流速、环境温度、工作压力等的影响。

但因被气化介质入口温度也影响氮气的热工特性，如比焓、比重等会与温度相关，因此不同的入口温度会一定程度影响其物性，进而影响传热修正系数k。由于lng和液氮均在过冷状态下保存，所以换热器入口的介质温度随着储存环境和时间的变化会有所不同。如果lng入口温度只取设计工况进行折算，本发明定义为-152℃，可不考虑lng入口温度变化的影响。液氮入口温度是实际测试的，会发生变化，而且公式(3-1)不便于现场操作的计算，因此又进行了液氮入口温度变化的影响测算，通过大量的测算，得到本方法中给出修正表，结果如图1所示。因此在修正计算中，可根据液氮入口温度查图1得到k值。

本发明还涉及一种液氮测试lng空温气化器气化量的定流量测试系统，如图6所示，系统包括：液氮储罐(01)、阀门(02、03、04、05、06)、温度变送器(07)、温压变送器(08)、流量变送器(09)、安全放散阀(10)。在液氮储罐(01)与温度变送器(07)之间、温度变送器(07)与lng空温气化器(11)之间、lng空温气化器(11)与温压变送器(08)之间，分别设置有阀门(02、04、05)。阀门(04)为调节阀，用于调节液氮气化量；阀门(02)为切断阀，用于切断液氮储罐与后续系统的连通；阀门(03)为备用液氮储罐的切断阀，功能与阀门(02)相同，在没有备用液氮储罐时为关闭状态；阀门(05)为切断阀，用于切断空温气化器(11)与其他系统的连通；阀门(06)为切断阀，设置在管道的末端，用于切断测试系统内氮气向外排出，通常在测试停止时关闭该阀门。

测试时，将液氮储罐(01)、温度变送器(07)、lng空温气化器(11)、温压变送器(08)、流量变送器(09)和安全放散阀(10)依次连接好后，顺序打开阀门(02、04、05、06)，然后调节阀门(04)，使液氮的体积气化量达到设备标示的体积气化量，同时观察流量变送器(09)的数据，使体积气化量达到设备标示的体积气化量，此时流量变送器(09)输出值即为氮气的工况流量qm；观察温度变送器(07)的温度数据、温压变送器(08)的温度和压力数据，待温度压力稳定后读取温度、压力等相关参数，再顺序关闭阀门(02、04、05、06)，测试结束。最后根据测得的温度、压力，利用如《液化天然气技术手册》(顾安忠主编)等工具，查出测试工况下氮气的相对密度d和dm、单位质量的液氮在测试工况下气化到气化器出口温度所吸收的热量h和hm，再根据图1查出修正系数k的值，即可根据公式(01)计算出该气化器的lng气化量。当管道中气体的超压时，安全放散阀(10)可以排放一定量的气体，以免液氮气化后压力太高导致爆炸。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。