液态CO_2储罐动态存储特性研究_高飞.pdf
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1、 化学工程与装备 2023 年 第 2 期 160 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 2 月 液态 CO液态 CO2 2储罐动态存储特性研究 储罐动态存储特性研究 高 飞1,郭志强1,赵大庆1,翁 羽2,杨 爽2(1长庆工程设计有限公司,陕西 西安 710018;2西安石油大学石油工程学院,陕西 西安 710065)摘 要:摘 要:针对长庆油田第五采油厂黄*井区 CO2注入站站内的液态 CO2储罐,使用计算流体动力学的方法,对储罐在存储过程中的动态流动换热情况进行了分析研究。通过研究得到了罐外空间的流场分布规律,确定了罐壁附近的风流特点。通过对不同存储
2、条件下流动换热动态特性计算,得到了不同条件参数罐内逐渐漏冷的影响规律,发现了罐压对保冷能力的有利作用现象,得到了中液位对保冷能力的不利作用,确定了环境条件对液体损失的影响程度。从而为液态 CO2存储系统的安全性和经济性分析提供有力的支撑。关键词:关键词:液态 CO2;计算流体动力学;低温储罐;动态特性 引 言 引 言 随着近些年世界各国近年来对于 CO2研究的开展和深入,CO2捕集、储存的技术也得以快速的发展,EOR(Enhanced oil recovery)技术被各大国家广泛研究和采用。通过将少量的 CO2注入地质构造中,不仅能将大量的 CO2封存于地下,同时还提高了油井采收率。EOR 技
3、术不仅缩减了温室气体排放量,也为缓解全球变暖提供了帮助1-3。如何将 CO2合理的储存成为了该技术的关键。在实际应用中通常将 CO2低温液化储存,由于储罐内 CO2在储罐内的连续储存温度远低于储罐外环境的温度,储罐内就会不断从储罐外的环境中吸收热量,从而提高温度,使得储罐内 CO2的温度升高,压力增加。当储罐内的气体压力大于规定的安全值时,安全阀门就会自动打开,少量的气体被从储罐中释放出来,降低了储罐内的压力值,但是从储罐中释放出来的 CO2在减少了储罐内的液态储存量的同时也给生态环境造成了破坏。为此,有必要对CO2的存储特性进行研究。低温液体储罐传热漏热研究在国内外已经有了较丰富的研究成果。
4、Morse TL,Kytomaa HK 对低温液体的蒸发速率提供了新的测量方法4,5,对液化天然气和液氮进行了蒸发速率的直接测量。发现蒸发速率与物质本身物理的性质有关。Yang JH,Yang GS 根据 LNG 储罐预应力混凝土墙体传热理论的结构特征,得出温度场分布的计算公式,建立了一套方法适用于温度场分析6,7。谢立军,陈友龙根据理论分析与实验测定,分析了环境温度对低温储罐日蒸发率的影响,得到了日蒸发率和环境温度之间的相互关系,给出理论计算和实验测定之间产生误差的原因,为减小低温储罐蒸发率提供了参考方法、依据8。朱丽芳,沈德利分析目前液化天然气储罐蒸发率测量的优缺点,根据某储罐运行的数据,
5、运用称重法、蒸气流量法测量储罐的日蒸发率,得到了环境温度、充满率等对日蒸发率的影响9,10。前人的研究为我们提供了丰富的理论支撑,但以上的研究主要集中在理论分析与缩比实验上面,对于完整的储罐动态存储特性研究较少,且针对 CO2的研究也较少。本研究基于在中石油长庆油田开展的 CO2驱先导试验,试验区块为长庆油田第五采油厂黄*井区,以该项目地面 CO2存储系统为研究对象,研究液态 CO2 储罐存储特性的动态变化规律,从而保证液态 CO2存储系统的安全性和经济性。1 研究方法 1 研究方法 1.1 数值分析方法 对于储罐动态存储分析,本研究采用三维计算流体动力学(CFD)方法进行研究,其基本的守恒方
6、程包括:质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。控制方程是的数学描述为:0ut+=?()(1)()()()iiiuu ugradupSt+=+(2)()()TPkTdivuTdivgradTStc+=+(3)式中:uu?为速度矢量;S 为源项;ST为粘性耗散项。对于储罐中的气液两相问题,采用基于相界面跟踪技术的 VOF 模型进行模拟11.12。如果在计算域中的第q相流体的体积分数表示为 q,则单个控制体中相界面的值由求解体积分数连续性方程得到:()()()1nqqqqqaqpqqpp vSmmt=+=+(4)式中,mpq为从p相传输到q相的质量转移,1+v=1DOI:10.19566/35-
7、1285/tq.2023.02.094 高 飞:液态 CO2储罐动态存储特性研究 161 为q相到p相的质量转移。等式右边的源项Sq 是由相变产生的质量源项。对于储罐中的冷凝或沸腾传质问题,采用 Lee 提出的相变传质模型进行模拟13:,saqllsssaqggssTTSr aTTTTTSr aTTT=(5)式中,r为相变传热系数,下标l和g分别为液相和气相,Ts为物质的饱和温度。1.2 储罐简述 黄 3 区试注站内采用有效容积 50m3的卧式低温液体储存罐,试注站现场如图 1 所示。储罐结构采用双层金属罐体,夹层采用真空粉末绝热层。储罐设计压力 2.84MPa,几何容积 52m3。储罐结构如
8、图 2 所示。为便于试验,试注站内储罐的运行参数变化较大,为了如实研究各参数对动态存储特性的影响,本研究根据现场调研情况确定分析条件如表 1 所示。为便于横向比较,本研究中的存储性能规律比较基于下述基准条件:罐内压力2.4MPa,环境温度 20,环境风速 0m/s。表 1 分析条件 Table 1Analysis conditions 表 1 分析条件 Table 1Analysis conditions 参数类型 范围选取 初始存储压力 1.9-2.8(MPa)初始液位高度 1-2.3(m)环境温度 0-40()环境风速 0-23(m/s)图 1 试注站现场图 图 1 试注站现场图 根据回注
9、系统布置图,结合现场实测构建整体的三维模型如图 2 所示。图 2 储罐结构图 图 2 储罐结构图 1.3 分析模型 对于卧式储罐,实际中环境气流对罐壁的冲刷并非完全均匀,且迎风、背风均存在差异。为了考虑这一不均匀分布,本研究建立了包含外部空间的分析模型如图 3(a)所示。此外,还构建了实体的储罐内外罐间绝热层,从而如实模拟储罐的保温能力,储罐的三维模型如图 3(b)所示。采用多面体网格对整体分析模型进行几何剖分,获得的网格模型包含约 320 万个单元。局部网格模型如图(c)所示。罐内介质为纯 CO2,其物性参数基于美国国家标准与技术研究院(National Institute of Stand
10、ards and Technology,NIST)公开的物性参数14,15。计算采用瞬态时间推进法,计算不同初始存储条件下 24 小时内的动态过程。(a)整体分析模型(a)整体分析模型 (b)罐体三维模型(b)罐体三维模型 (c)储罐计算网格模型 图 3 分析模型 (c)储罐计算网格模型 图 3 分析模型 162 高 飞:液态 CO2储罐动态存储特性研究 2 结果及分析 2 结果及分析 2.1 动态存储特性 以环境风速 23m/s 为例,图 4 所示为罐外空气流场分布情况。可以得到,储罐迎风面为明显的圆柱绕流分布,其顶部和底部的表面剪切风速较高。而背风面出现明显的流动分离,有不同尺度的低速旋涡
11、自罐体脱离,从而造成背风面的剪切风速降低。受流场影响,由存储 2 小时后的罐壁温度分布(如图 5 所示)可以发现,罐壁迎风侧温度整体高于背风侧,两端封头整体高于桶身。对于罐内,图 6 为存储 2 小时后的罐内速度分布,可以发现,罐内存在明显的自然对流现象,受罐壁传热影响,罐内液体呈低速环流。而对于罐内上部的气体,其对流速度相对液体较高,这主要由于气体密度随温度变化较为剧烈。图 4 外部风场流线图 图 4 外部风场流线图 (a)罐外壁迎风面 (b)罐外壁背风面(a)罐外壁迎风面 (b)罐外壁背风面 (c)罐外壁顶面 图 5 罐壁温度云图 (c)罐外壁顶面 图 5 罐壁温度云图 图 6 罐内速度矢
12、量图 图 6 罐内速度矢量图 2.2 存储条件影响规律 对于初始存储条件,在 24h 内,罐内条件对整体漏冷量有明显影响(如图 7、图 8)。其中:罐压越低漏冷约大,极端条件下(1.9MPa)可产生约 0.035%的液体损失,同时导致 0.4MPa 的罐压升高。可见,较高的存储压力可一定程度降低蒸发损失。对于圆柱形储罐,由于初始液位和罐内存液量间的非线性关系,通过计算可以得到,初始液位在一个特定范围内(0.75m 附近)将导致更高的液体蒸发损失,远离该范围则液体蒸发损失逐渐降低,其中 0.75m 液位相对满罐(2.3m)可达 30 倍的损失量。可见,避免在中等液位附近储存可有效降低蒸发损失。高
13、 飞:液态 CO2储罐动态存储特性研究 163 (a)体积蒸发率 (b)罐内压力升 图 7 单日内初始罐压对存储特性的影响 图 7 单日内初始罐压对存储特性的影响 (a)体积蒸发率 (b)罐内压力升 图 8 单日内初始液位对存储特性的影响 图 8 单日内初始液位对存储特性的影响 2.3 环境条件影响规律 对于环境条件(温度、风速),通过计算发现,随着温度或风速的增大,均可导致蒸发损失的增强和罐压升的增大(如图 9、图 10)。且在环境条件恶劣时储存过程中罐内存在明显的蒸发现象,可导致持续的液体损失,极端条件下可导致约 0.063%的液体损失、0.66MPa 的罐压升高。此外,在本文研究范围内,
14、环境温度对蒸发和罐压升的影响明显高于风速。这主要是由于双层绝热储罐的导热损失相比对流热损失较高所致。(a)体积蒸发率 (b)罐内压力升 图 9 单日内环境温度对存储特性的影响 图 9 单日内环境温度对存储特性的影响 164 高 飞:液态 CO2储罐动态存储特性研究 (a)体积蒸发率 (b)罐内压力升 图 10 单日内环境风速对存储特性的影响 3 结 论 图 10 单日内环境风速对存储特性的影响 3 结 论 本研究以长庆油田第五采油厂黄*井区 CO2注入站站内的液态 CO2储罐为研究对象,使用计算流体动力学的方法,对储罐在存储过程中的动态流动换热情况进行了分析研究。通过本研究,获得了下述结论:(
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