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LNG储存过程自增压特性模拟研究：机理、影响因素与优化策略

一、引言

（一）研究背景与意义

在全球能源结构加速向清洁化、低碳化转型的大背景下，液化天然气（LNG）凭借其高效、清洁、易于储存和运输等显著优势，在能源领域的应用愈发广泛。从工业生产中的燃料替代，到城市燃气供应的主力支撑，LNG正深刻改变着能源消费格局。然而，在LNG储存过程中，自增压现象的出现给储存环节带来了诸多挑战。

LNG储存系统中的自增压现象，本质上是由于环境热量持续传入储罐，导致罐内LNG受热发生部分汽化。汽化产生的气体在有限的气相空间内积聚，使得储罐压力呈现持续上升的趋势。若这种压力上升得不到有效控制，一旦超过储罐的设计压力上限，储罐就可能发生变形、破裂等严重事故，不仅会造成巨大的经济损失，还可能引发火灾、爆炸等安全事故，对周边环境和人员安全构成严重威胁。而且，频繁的压力波动还会对储罐的密封件、阀门等关键部件产生额外的应力，加速设备的磨损和老化，降低设备的使用寿命和可靠性，增加了维护成本和运行风险。

开展LNG储存过程中自增压特性模拟研究，对于保障LNG储存安全和提升运行经济性具有重要意义。通过深入研究自增压特性，能够为LNG储罐的设计提供更为精准的理论依据。在设计阶段，充分考虑自增压因素，可以优化储罐的结构设计、材料选择以及安全附件的配置，提高储罐的承压能力和稳定性，从源头上降低安全风险。在实际运行过程中，准确把握自增压的变化规律，有助于制定科学合理的压力控制策略。通过及时、有效的压力调节措施，可以避免储罐压力过高或波动过大，确保LNG储存系统的稳定运行，提高能源利用效率，降低运行成本。

（二）研究目标与内容

本研究基于热力学原理与数值仿真技术，旨在全面、深入地探究LNG储存过程中自增压的形成机理，系统分析影响自增压特性的关键因素，并提出切实可行的针对性优化策略，同时通过实验验证模拟结果的可靠性，为LNG储存的安全与高效运行提供有力的技术支持。

具体研究内容包括：深入剖析LNG储存过程中自增压的形成机理，从热力学基本原理出发，结合LNG的物理性质和储罐内的传热传质过程，揭示自增压现象背后的物理本质；运用热力学原理和相关状态方程，精确计算LNG的密度、压缩因子等关键物性参数，为后续的模拟分析提供可靠的数据基础；选择合适的计算软件或编程语言，建立能够准确描述LNG储存过程中自增压现象的数学模型，充分考虑气液相转化、温度变化、传热传质等复杂因素；利用建立的数学模型，对不同工况下LNG储存过程中的自增压现象进行仿真分析，系统研究储罐初装液位、LNG进口温度、环境温度、储罐尺寸等因素对自增压特性的影响规律；根据模拟分析结果，深入分析影响LNG储罐自增压的因素和机理，提出具有针对性的优化措施，如优化储罐保温结构、改进压力控制策略等，以降低自增压速率，提高储罐运行的安全性和稳定性；搭建实验平台，开展实验研究，对模拟结果进行验证和修正，确保模拟模型的准确性和可靠性，为实际工程应用提供坚实的保障。

二、LNG储存自增压理论基础

（一）自增压物理机制

气液相转化原理

LNG作为一种低温液体，其储存需要极为严格的绝热条件，但在实际储存过程中，外界热量仍不可避免地会通过储罐的外壳、管道连接部位等途径渗入储罐内部。这些渗入的热量成为了LNG蒸发的能量来源，引发了气液相转化过程。

当外界热量进入储罐后，与LNG液体接触，使液体获得能量，分子运动加剧。处于气液界面处的LNG分子，由于获得了足够的能量，克服了液体分子间的引力，从液态转变为气态，进入气相空间。随着蒸发过程的持续进行，气相空间内的蒸气量不断增加。在有限的气相空间中，蒸气分子的数量增多，它们之间的碰撞频率增加，对储罐内壁的压力也随之增大，从而导致储罐内压力上升，这就是自增压现象的直观表现。

在气液界面处，传质过程与热量传递过程紧密耦合。一方面，热量的传入促使液体分子蒸发进入气相，这是一个从液相到气相的物质传递过程；另一方面，气相中的蒸气分子在与气液界面碰撞时，又会有一部分重新凝结回液相，同时释放出潜热，这部分潜热又会影响液体的蒸发速率。在一定条件下，当蒸发速率与凝结速率相等时，气液界面处的传质和传热达到动态平衡，储罐内的压力也在这个过程中逐渐趋于稳定，但这种稳定是相对的，只要有外界热量持续渗入，自增压过程就会持续进行，只是速率可能会有所变化。

2.热力学过程描述

从热力学角度来看，储罐内的压力变化遵循一系列基本定律。理想气体状态方程PV=nRT（其中P为压力，V为体积，n为物质的量，R为理想气体常数，T为温度）可以用于描述气相空间内气体的状态变化。在LNG储存过程中，随着液体的蒸发，气相空间内气体的物质的量n增加，而储罐的气相体积V在