【摘要】：隨著我國經濟的發(fā)展,能源結構的改革以及低溫技術的普及,低溫液化氣體,特別是液氫(LH2)等能源氣體,在我國的現代化進程中開始扮演越來越重要的角色。低溫液化氣體儲罐(簡稱“低溫儲罐”)作為低溫液化氣體的主要儲運設備,在能源、化工、石油、醫(yī)療、航天航空等領域應用廣泛。低溫液化氣體的充注過程作為低溫儲罐工業(yè)使用中的重要環(huán)節(jié),其充注方式直接關系到充注過程的經濟性以及低溫儲罐的安全性兩方面問題。不規(guī)范的充注操作會導致低溫儲罐在低溫液化氣體的充注過程中產生過大的降溫速率和過高的溫度梯度,從而在儲罐內產生極大的熱應力,并有可能對儲罐結構造成損傷或者破壞。然而目前關于立式低溫儲罐的充注過程研究很少,且研究的重點集中在通過理論方法或者數值模擬計算方法對儲罐內溫度、壓力分布進行研究,而未進一步研究充注過程對儲罐罐壁的溫度和熱應力變化規(guī)律的影響�？紤]到立式低溫儲罐體積較大,現場實驗研究存在著諸多困難,所以本文采用熱固耦合數值模擬方法來研究低溫液化氣體的充注質量流量、儲罐體積、長徑比等不同參數對低溫儲罐溫度和熱應力的瞬態(tài)特性的影響,具體工作如下:(1)建立了能夠模擬立式低溫儲罐充注過程的CFD數值模型,并通過文獻中的實驗數據驗證CFD模型的合理性。結果表明:T3(下封頭直邊段附近溫度監(jiān)測點)、T9(筒體中心位置溫度監(jiān)測點)、T15(上封頭處溫度監(jiān)測點)三個監(jiān)測點處的罐壁溫度平均相對誤差為8.63%,最大相對誤差為14.14%,滿足工程精度要求。在CFD模型的基礎上,通過ANSYS建立了單向熱固耦合數值模型。(2)通過CFD模型研究LH2充注過程中低溫儲罐的溫降特性,發(fā)現50 m3低溫儲罐(儲罐直徑為3200mm,工作壓力為0.7MPa,充注質量流量為8kg·s-1)內部空間平均溫度會在充注開始8 s內從常溫295K快速降至低溫40K。通過沿儲罐軸向布置的多個溫度監(jiān)測點,可以發(fā)現:儲罐罐壁的溫降速率沿軸向從下往上逐漸降低。(3)根據所建立的50m3LH2低溫儲罐(儲罐直徑為3200mm,工作壓力為0.7 MPa)CFD和ANSYS數值模型,研究充注質量流量對儲罐罐壁的溫降特性和熱應力的影響,發(fā)現充注質量流量越大,同一位置處的儲罐罐壁溫降速率越快,低溫儲罐所受的最大瞬態(tài)熱應力也越大,熱應力隨時間的降低速率也越快。在自由約束條件下,當充注質量流量為10kg·s-1時,儲罐會在充注剛開始階段出現熱應力峰值,達到243.45 MPa。(4)首次研究探討了儲罐體積、長徑比對儲罐溫降特性和熱應力分布的影響,發(fā)現雖然充注參數有所不同,但是儲罐沿軸向具有相似的溫降特性,并且儲罐罐壁相同位置處的溫降速率以及罐壁的最大瞬態(tài)熱應力都與儲罐體積、長徑比成正比。因此對于大體積或者大長徑比的低溫儲罐,建議降低充注質量流量。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TE972
【圖文】：

需求日益增多，采用應變強化技術的奧氏體不銹鋼低溫儲罐在低溫液化氣體的儲逡逑運方面扮演著越來越重要的角色。低溫儲罐多采用立式圓筒結構，通常是由外容逡逑器、內容器、絕熱層、支承構件、附屬管路等組成，如圖１．１所示。外容器提供逡逑與外部構件的支撐，并與內容器共同形成絕熱層空間，一般采用碳鋼或低合金鋼逡逑制造；絕熱層的絕熱性能直接影響深冷容器的保冷效果；內容器用以儲存低溫液逡逑化氣體并承受工作壓力，大多采用低溫性能優(yōu)良的奧氏體不銹鋼制造；支承構件逡逑需確保內容器懸掛于外容器中，保持絕熱層空間的幾何尺寸，并要求盡可能減小逡逑漏熱。逡逑Nｚ邋■邐．邐■逡逑圖１．１立式低溫液化氣體儲罐結構簡圖逡逑注：１—外容器；２邋—內容器；３—支承結構；４—絕熱層；５邋—管道系統(tǒng)；６—支座逡逑３逡逑

１．１．２．２低溫儲罐充注流程逡逑低溫儲罐的充注流程總共可以分成３步走，即儲罐的吹掃、儲罐的預冷、儲逡逑罐的充注。如圖１．２所示，即為低溫儲罐管路布置簡圖。在儲罐的首次使用前需逡逑要用干燥氮氣進行吹掃，在吹掃的過程中，使液位計兩端的接頭保持在松弛的狀逡逑態(tài)；同時完全打開液位顯示液相閥和液位顯示氣相閥，以方便檢查排放的氣流中逡逑是否含有水分；當發(fā)現排放氣體中無水分時，關閉液位計兩端的接頭和平衡閥，逡逑停止氣體排放過程。在儲罐的吹掃工作完成后，在首次充注低溫液化氣體前，需逡逑要對低溫儲罐進行預冷。在預冷的過程中，預冷介質主要沿頂部進液閥（ｃ管口）逡逑從儲罐的上部緩慢注入儲罐內。一般情況下，預冷量應控制在儲罐容積的１０％以逡逑內。在低溫液化氣體的充注過程中，目前常用的充注方法是通過儲罐底部的進液逡逑閥（ｂ管口）進行低溫液化氣體的充注

裂、泄漏或者過度變形【１２］。根據不同的失效機理，可以把低溫儲罐的失效分為兩逡逑種，即退化型失效和突發(fā)型失效；根據失效原因，大致可以分為失穩(wěn)失效、泄漏逡逑失效、剛度失效以及強度失效等［１２］。圖１．３、圖１．４為低溫儲罐在使用過程中出逡逑現開裂而引起低溫儲罐失效的現場圖［１３］。逡逑，邋，：邋邐邐逡逑■邋0邋１邋＇逡逑Ｌ魏．通Ｉ逡逑圖１．３低溫儲罐失效網邐圖Ｌ４邋１５７．９邋ｍ３低溫儲罐開裂失效Ｍｌ逡逑低溫儲罐在使用過程中出現失效很可能與不合理的充注過程有關，一方面據逡逑有關文獻統(tǒng)計，約有７５％的低溫儲罐事故是發(fā)生在預冷和裝料的過程中［１５］。另一逡逑方面，通過對低溫儲罐實際充注過程的調研，可以發(fā)現在低溫液化氣體從低溫儲逡逑罐的底部注入低溫儲罐的充注過程中，操作人員只能定性的控制低溫液化氣體的逡逑充注速度；同時在沒有監(jiān)測的情況下，也可能出現充注前低溫儲罐預冷不足或者逡逑未進行預冷的情況，而這些因素可能會導致充注過程中低溫儲罐材料因為降溫太逡逑快或者溫度分布不均而承受過大的熱應力

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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本文編號：2803917