Исследователи из Университета Гуйчжоу в Китае разработали новую динамическую модель для расчета образования отпарного газа в резервуарах для хранения сжиженного природного газа (СПГ). Эта модель с высокой точностью учитывает ранее недооцененный фактор – тепловыделение от погружных электрических насосов (SEMP), что позволяет значительно повысить эффективность и экономичность СПГ-терминалов. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Computers and Chemical Engineering.
Сжиженный природный газ хранится при криогенной температуре около –162 °C. Несмотря на качественную теплоизоляцию резервуаров, постоянный приток тепла из окружающей среды приводит к медленному испарению СПГ и образованию так называемого отпарного газа. Этот процесс повышает давление внутри хранилища, и для поддержания безопасности излишки газа необходимо утилизировать – сжигать в факельной установке, что ведет к экономическим потерям и загрязнению окружающей среды, либо повторно сжижать, что требует значительных энергозатрат. Точное прогнозирование объемов образования BOG является ключевой задачей для проектирования эффективных систем его рекуперации.
Существующие методы расчета часто основаны на статических моделях, которые не в полной мере отражают динамические процессы, происходящие в резервуаре во время эксплуатации. В частности, они не учитывают значительное влияние работающих погружных насосов, которые используются для перекачки СПГ. Хотя КПД этих насосов высок, часть потребляемой ими электроэнергии преобразуется в тепло, которое напрямую нагревает сжиженный газ, ускоряя его испарение.
Для решения этой проблемы инженеры создали детальную трехмерную компьютерную модель резервуара объемом 10 000 м³ с использованием программного комплекса ANSYS Fluent. Моделирование проводилось для трех различных уровней заполнения – 80%, 55% и 30%. Особое внимание было уделено двум механизмам испарения: обычному, вызванному теплопритоком от стенок и насоса, и так называемому «мгновенному вскипанию» (flash vaporization), которое происходит из-за падения давления в резервуаре при откачке СПГ.
Для проверки точности своей модели исследователи использовали эксплуатационные данные с реально действующего промышленного резервуара объемом 160 000 м³. Сравнение результатов моделирования с фактическими измерениями температуры и давления показало высокую сходимость – погрешность не превысила 1%. Это подтверждает, что разработанный подход адекватен и может применяться для анализа крупномасштабных промышленных объектов.
Результаты исследования показали, что динамическая модель предсказывает объем образования отпарного газа примерно на 50% выше, чем традиционные статические расчеты. Это означает, что существующие системы рекуперации BOG могут быть спроектированы с недостаточной производительностью. Было установлено, что мгновенное вскипание из-за падения давления вносит существенный вклад, составляя около 30% от общего объема испарившегося газа в течение двух часов работы насоса. Новая модель позволила снизить общую погрешность прогнозирования с 30% до 10%, что является значительным шагом вперед.
Внедрение более точных динамических моделей в практику проектирования и эксплуатации СПГ-хранилищ открывает возможности для оптимизации технологических процессов. Это позволит более эффективно управлять системами повторного сжижения, сокращать потери ценного энергоресурса, снижать эксплуатационные расходы и уменьшать воздействие на окружающую среду, способствуя устойчивому развитию газовой отрасли.