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工業技術 能源工業 石油、天然氣工業
 
 
 
 
液化天然氣裝備設計技術•動力儲運卷
 作  者: 張周衛
 出版單位: 化學工業
 出版日期: 2018.06
 進貨日期: 2018/6/30
 ISBN: 9787122310668
 開  本: 16 開    
 定  價: 1185
 售  價: 948
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編輯推薦:

在LNG工業領域,大力發展LNG產業,提高天然氣能源在消費中的比例是調整我國能源結構的重要途徑,LNG既是天然氣遠洋運輸的主要方法,也是天然氣調峰的重要手段。隨著國內眾多LNG工廠的相繼投產及沿海LNG接收終端的建設,我國LNG工業進入了高速發展時期,與之相關連的LNG低溫製冷裝備技術也得到相應快速發展。LNG液化工藝主要包括天然氣預處理、液化、儲存、運輸、接收、再汽化等工藝單元,其中,液化工藝為核心工藝流程,主要應用低溫製冷工藝技術制取-162℃低溫環境並將天然氣液化。本書主要圍繞LNG混合製冷劑液化工


內容簡介:

本書主要圍繞液化天然氣(LNG)混合製冷劑液化工藝及儲運工藝中所涉及的主要低溫裝備,研究開發LNG工藝流程中主要動力裝備及儲運裝備的設計計算技術,主要包括混合製冷劑離心壓縮機、天然氣往復式壓縮機、BOG壓縮機、混合製冷機膨脹機、螺旋壓縮膨脹製冷機、LNG潛液泵、LNG溫控閥及其附件、LNG汽車加氣系統、LNG大型儲罐、10000m3液化天然氣球罐、LNG立式儲罐、LNG槽車等裝備的設計計算技術,為LNG液化、LNG儲運、LNG接收及LNG氣化等關鍵環節中所涉及主要設備的設計計算提供可參考樣例,並推進LNG 系列裝備及系統工藝技術的標準化及國產化進程。本書不僅可供從事天然氣、液化天然氣(LNG)、化工機械、製冷與低溫工程、石油化工、動力工程及工程熱物理領域內的研究人員、設計人員、工程技術人員參考,還可供高等學校化工機械、能源化工、石油化工、低溫與製冷工程、動力工程等相關專業的師生參考。


作者簡介:

張周衛,蘭州交通大學,教授,男,國家“萬人計畫”領軍人才,國家 級創新創業人才,國家科技專家庫專家,環境科學博士後,動力工程及工程熱物理博士,畢業於西安交通大學能源與動力工程學院製冷及低溫工程系,高級工程師,教授,主要從事空間低溫製冷技術、壓縮機械、真空低溫設備、LNG過程式控制制裝備、多股流纏繞管式換熱裝備、螺旋壓縮膨脹製冷機等研究,涉及系統耦合傳熱及傳熱數值模擬計算,低溫節流減壓裝置、低溫系統換熱裝備、低溫冷遮罩系統、高超聲速飛行器空間低溫製冷機理研究等;先後參與北京航空航太大學863系統專案子項目“天然氣渦旋壓縮機”、清華大學航太航空學院973系統子項目“空間氣流組織測試模擬環境室”、總裝備部“空間低溫紅外輻射冷遮罩系統研究”、真空低溫國防重點實驗室“空間低溫流體流動特性實驗研究”、國家重點實驗室“空間低溫流體自密封加注系統研究”等,先後參與國家 級專案20多項,主持國家自然基金及國家創新基金等6項、甘肅省創新基金4項、甘肅省自然基金等專案4項,與企業合作4項等;主持申報發明專利46項,發表論文30多篇,出版學術專著3部等;帶領創新創業團隊獲得省級二等以上獎勵54人次,廳級以上獎勵80多人次,2013年入選江蘇省啟東市“東疆英才扶持計畫”,2014年入選“國家創新人才推進計畫”,2016年入選國家“特殊人才支持計畫”。


圖書目錄:

第1章混合製冷劑離心壓縮機設計計算

1.1設計中所涉知識點介紹/002

1.1.1連續方程/002

1.1.2歐拉方程/002

1.1.3能量方程/003

1.1.4速度三角形/004

1.1.5伯努利方程/004

1.2壓縮過程和壓縮功的說明/005

1.2.1等熵壓縮/005

1.2.2多變壓縮/006

1.2.3壓縮功與葉輪中的氣體變化過程關係/006

1.2.4壓縮過程在T-S圖上的表示/007

1.2.5總耗功和功率/009

1.2.6滯止參數的表示/009

1.3壓縮機效率的運算式/010

1.3.1多變效率/010

1.3.2絕熱效率/011

1.3.3等溫效率ηis和流動效率ηhyd/012

1.4壓縮機各部的壓縮過程/012

1.4.1工作級間的等熵壓縮過程/012

1.4.2級中實際壓縮過程/013

1.5混合製冷劑壓縮機設計/013

1.5.1混合製冷劑壓縮機設計任務/013

1.5.2壓縮機第一段設計計算/014

1.5.3壓縮機第二段設計計算/035

1.5.4主軸的計算/056

1.6離心式壓縮機強度設計及軸向推力計算/056

1.6.1轉子強度設計/056

1.6.2定子強度設計/057

1.6.3機殼部分計算/058

1.6.4軸向推力計算/059

1.7離心式壓縮機結構設計/060

1.7.1轉子的結構設計/060

1.7.2定子的結構設計/061

參考文獻/063

第2章天然氣往復式壓縮機設計計算

2.1總體設計/064

2.1.1設計原始資料/064

2.1.2天然氣的物性參數/065

2.1.3熱力計算/068

2.2動力計算/076

2.2.1曲柄連杆機構及運動關係/076

2.2.2作用力計算/076

2.3氣缸部分主要零件設計/080

2.3.1氣缸/080

2.3.2氣閥/083

2.3.3活塞/086

2.3.4填料和刮油器/088

2.4基本部件的設計/089

2.4.1曲軸/089

2.4.2連杆/090

2.4.3十字頭/096

2.4.4軸承/097

2.5其他部件的設計/097

2.5.1盤車裝置/097

2.5.2皮帶輪和飛輪/097

2.6氣路系統/098

2.6.1空氣濾清器/098

2.6.2液氣分離器、緩衝器和儲氣罐/098

2.7冷卻系統/098

2.7.1冷卻系統及其對水質的要求/098

2.7.2冷卻器的結構設計/098

參考文獻/098

第3章BOG壓縮機設計計算

3.1壓縮機的作用及分類/100

3.1.1BOG壓縮機的用途/100

3.1.2BOG壓縮機的種類/100

3.2壓縮機機組結構設計/101

3.2.1主機結構設計/101

3.2.2輔助設備設計/102

3.3熱力計算/103

3.3.1初始條件/103

3.3.2計算初始條件/103

3.3.3確定壓縮級數/104

3.3.4計算各級名義壓力/104

3.3.5計算各級排氣溫度/104

3.3.6計算各級排氣係數/105

3.3.7計算幹氣係數和抽氣係數/107

3.3.8壓縮機的行程容積/107

3.3.9確定活塞杆直徑/108

3.3.10確定氣缸直徑/108

3.3.11修正各級公稱壓力和溫度/109

3.3.12計算活塞力/110

3.3.13計算指示軸功率/111

3.3.14計算實際軸功率/112

3.3.15計算等溫指示效率和等溫效率/112

3.3.16選用電動機/112

3.4動力計算/113

3.4.1繪製氣體指示圖/113

3.4.2列的慣性力/113

3.4.3計算飛輪矩/116

3.5主要部件及零部件設計/117

3.5.1活塞組件設計/117

3.5.2氣缸的設計/124

3.5.3連杆的設計/124

3.5.4曲軸設計/131

3.5.5氣閥/132

3.5.6十字頭/136

3.5.7填料及密封材料/136

參考文獻/136

第4章混合製冷劑膨脹機設計計算

4.1透平膨脹機的應用/137

4.1.1透平膨脹機的分類/137

4.1.2國內外透平膨脹機的發展概況/139

4.2製冷劑/139

4.2.1製冷劑的選用原則/139

4.2.2混合製冷劑及其性質/140

4.2.3混合製冷劑的選定/140

4.3透平膨脹機的工藝計算/141

4.3.1膨脹過程/141

4.3.2多變過程分析/142

4.3.3等熵過程分析/143

4.3.4膨脹混合氣體進入氣相區的計算/145

4.4混合製冷劑透平膨脹機的設計與計算/147

4.4.1設計資料/147

4.4.2混合製冷劑透平膨脹機的熱力計算/148

4.5透平膨脹機的損失和效率/158

4.5.1工作輪輪背摩擦損失/159

4.5.2工作輪輪背摩擦損失計算/159

4.5.3工作輪內洩漏損失/160

4.6透平膨脹機的運行、維護和故障處理/160

4.6.1透平膨脹機的運行/160

4.6.2透平膨脹機的維護和檢修/161

參考文獻/163

第5章螺旋壓縮膨脹製冷機設計計算

5.1螺旋壓縮膨脹製冷機/164

5.1.1製冷壓縮機的發展/164

5.1.2螺旋壓縮膨脹製冷機工作原理/165

5.1.3螺旋壓縮膨脹製冷機技術特點/166

5.1.4螺旋壓縮膨脹製冷機設計步驟/167

5.1.5螺旋壓縮膨脹製冷機設計方法/167

5.2離心葉輪的設計計算/168

5.2.1離心葉輪主要結構參數/168

5.2.2後彎形葉輪參數的計算/168

5.2.3壓縮段級的總耗功/171

5.2.4葉輪葉片強度計算/172

5.2.5密封原理及結構形式/175

5.2.6葉片擴壓器設計計算/178

5.3螺旋葉片的設計計算/183

5.3.1壓縮段膨脹段螺線方程/183

5.3.2螺旋葉片設計參數/185

5.3.3壓縮過程計算/186

5.4空氣冷卻器傳熱計算/188

5.4.1傳熱係數和傳熱熱阻/188

5.4.2翅片效率和翅片熱阻/191

5.4.3空冷器管外傳熱及阻力計算/195

5.5製冷過程設計計算/198

5.5.1佈雷頓製冷迴圈/198

5.5.2膨脹過程計算/203

5.6製冷劑的選擇與應用/204

5.6.1製冷系統常用製冷劑/204

5.6.2對製冷劑要求/205

5.6.3載冷劑/205

5.6.4冷凍油/206

5.7製冷機熱工性能計算/207

5.8空心軸殼體強度計算/207

5.8.1空心軸圓筒強度/207

5.8.2彈性分析/208

5.8.3彈塑性分析/209

5.8.4加肋圓柱形殼體強度和穩定性計算/211

5.8.5相關案例/212

參考文獻/213

第6章LNG潛液泵設計計算

6.1泵的主要零部件/216

6.2泵的水力設計方法/216

6.2.1模擬設計法/216

6.2.2變型設計法/217

6.2.3速度係數設計法/217

6.2.4設計中關鍵問題的解決/217

6.3LNG潛液泵的設計技術指標和設計計算/218

6.3.1泵的基本參數的確定/218

6.3.2泵轉速的確定/219

6.3.3泵比轉速的計算/219

6.3.4計算泵的效率/220

6.3.5葉輪主要參數的選擇和計算/221

6.4壓水室、吸水室的水力設計/225

6.4.1壓水室/225

6.4.2壓水室的設計/226

6.4.3吸水室/227

6.4.4吸水室的設計/228

6.5泵的軸向力、徑向力計算及平衡/228

6.5.1軸向力的平衡/228

6.5.2軸向力的計算/228

6.5.3徑向力的計算及平衡/230

6.6低溫潛液泵電機的選擇/231

6.6.1低溫潛液泵電機的相關問題解決/231

6.6.2電機的選擇/232

6.6.3電纜的選擇/232

6.6.4電氣連接處的密封/233

6.7泵主要零部件的強度計算/233

6.7.1葉輪強度計算/233

6.7.2軸承的選擇/234

6.8泵的各零部件材料的設計/234

6.8.1奧氏體不袗/234

6.8.2鎳基硬質合金/235

6.8.3等離子堆焊技術/235

6.8.4深冷處理/235

6.8.5衝擊試驗/236

6.8.6拉伸試驗/236

參考文獻/236

第7章LNG溫控閥及其附件設計計算

7.1LNG溫控閥設計計算/237

7.1.1LNG溫控閥密封比壓計算/238

7.1.2LNG溫控閥閥體壁厚計算/239

7.1.3閥杆軸向力計算/239

7.1.4閥杆總轉矩計算/239

7.1.5LNG溫控閥閥杆應力校核/240

7.1.6LNG溫控閥閥杆穩定性分析/241

7.1.7閥杆頭部強度驗算/241

7.1.8LNG溫控閥閥瓣應力校核/242

7.1.9LNG溫控閥中法蘭連接螺栓/242

7.1.10LNG溫控閥中法蘭強度驗算/243

7.1.11LNG溫控閥閥蓋強度驗算/244

7.1.12閥蓋支架(T形加強筋)/244

7.1.13中法蘭螺栓扭緊力矩/245

7.1.14密封結構計算/246

7.2毛細管的設計計算與分析/251

7.2.1毛細管的節流特性/251

7.2.2毛細管長度對系統的影響/252

7.2.3影響毛細管設計的幾個參數/252

7.2.4毛細管的計算方法/254

7.3溫控閥執行器/256

7.3.1GMA熱變形機理分析/256

7.3.2感溫包/257

7.3.3感溫介質/257

7.3.4隔膜/257

7.4溫控閥截面彈簧的設計計算/258

7.4.1異形鋼絲彈簧特性及基本設計公式/258

7.4.2異型鋼絲彈簧設計變形公式的推導/259

參考文獻/260

第8章LNG汽車加氣系統設計計算

8.1液化天然氣(LNG)汽車綜述/261

8.1.1LNG汽車的燃料系統/261

8.1.2LNG汽車的充裝/262

8.1.3LNG汽車的運行及維護注意事項/263

8.2LNG車載氣瓶/264

8.2.1LNG車載氣瓶發展現狀及應用/264

8.2.2LNG車載氣瓶的特點/267

8.2.3LNG車載氣瓶結構及操作原理/268

8.3LNG汽車加氣/269

8.3.1穩定供氣條件/269

8.3.2氣化量與供氣量關係/270

8.3.3LNG車載氣瓶的計算/273

8.3.4換熱器的設計計算/290

8.4加氣機/291

8.4.1加氣機管路/291

8.4.2加氣機結構/291

參考文獻/292

第9章LNG大型儲罐設計計算

9.1LNG大型儲罐/293

9.1.1LNG的低溫儲罐運輸/293

9.1.2LNG低溫儲罐的特殊要求/293

9.2LNG儲罐內罐總體結構尺寸確定/294

9.2.1儲罐設計數據/294

9.2.2LNG儲罐幾何尺寸/294

9.2.3主要構件結構尺寸的計算/296

9.2.4加強圈/297

9.2.5罐底板尺寸/300

9.2.6內罐罐底邊緣板厚度與寬度確定/300

9.3大型LNG儲罐絕熱計算/302

9.3.1傳熱機理/302

9.3.2基礎數據/302

9.3.3絕熱計算/303

9.4內罐罐體強度計算/307

9.4.1水壓試驗/307

9.4.2水壓試驗校核/308

9.4.3氣壓試驗/309

9.4.4負壓試驗/309

9.5LNG儲罐抗震計算/309

9.5.1自震週期的計算/309

9.5.2儲罐水準地震作用/310

9.5.3罐壁抗震驗算/311

9.5.4罐內液面晃動波高/312

9.5.5錨固罐的罐壁抗震驗算/312

9.5.6地腳螺栓個數確定/313

9.6氣升頂方案設計/313

9.6.1平衡導向系統/313

9.6.2密封裝置系統/314

9.6.3供氣系統/315

參考文獻/317

第10章10000m3液化天然氣球罐設計計算

10.1球罐用鋼/318

10.1.1國內外球罐的常用鋼種/318

10.1.2幾種典型球罐用鋼/318

10.2球罐設計/320

10.2.1球殼結構/320

10.2.2支座結構/320

10.2.3拉杆結構/320

10.2.4支柱與球殼連接下部結構/321

10.2.5接管補強結構/321

10.2.6球罐的設計方法/321

10.3球罐設計/322

10.3.1基本參數/322

10.3.2基礎資料/322

10.4設計原則/323

10.4.1設計規範的確定/323

10.4.2壓力試驗方法/323

10.5球殼設計/324

10.5.1材料選用/324

10.5.2內壓球殼的計算/325

10.5.3外壓球殼的計算/325

10.5.4球殼薄膜應力校核/327

10.6球罐品質計算/328

10.7載荷計算/329

10.7.1自振週期/329

10.7.2地震力/330

10.7.3風載荷計算/330

10.7.4彎矩計算/330

10.7.5支柱計算/330

10.7.6單個支柱彎矩/331

10.7.7支柱穩定性校核/332

10.7.8地腳螺栓計算/333

10.7.9支柱底板計算/334

10.7.10拉杆計算/335

10.7.11支柱與球殼連接最低點a的應力校核/336

10.7.12支柱與球殼連接焊縫的強度校核/337

10.8安全泄放計算/338

10.8.1安全閥排泄量/338

10.8.2安全閥排放面積的計算/338

參考文獻/339

第11章LNG立式儲罐設計計算

11.1LNG立式儲罐的特點/340

11.2LNG立式儲罐的設計/341

11.2.1設計依據的標準及主要設計參數/341

11.2.2LNG儲罐結構的初步設計/342

11.2.3LNG立式儲罐強度校核/348

11.3外罐的開孔補強計算/356

11.3.1強度削弱係數計算/356

11.3.2有效補強範圍計算/356

11.3.3有效補強面積Ae的計算/357

11.4LNG立式儲罐安全附件/357

11.4.1安全閥的設計計算/357

11.4.2爆破片的設計計算/358

11.5LNG立式儲罐及相關設備的選型/359

11.5.1測溫裝置的選型/359

11.5.2液位測量裝置的選型/359

11.5.3真空測量裝置的選型/360

11.5.4真空夾層安全泄放裝置的選型/360

11.6LNG立式儲罐管路的設計/360

11.7LNG儲罐的漏熱校核/360

11.7.1夾層允許漏熱/360

11.7.2真空粉末絕熱層綜合漏熱/361

11.7.3內外罐下支撐漏熱/361

11.7.4內外罐定位支撐漏熱/361

11.7.5管道漏熱近似計算/362

參考文獻/363

第12章LNG槽車設計計算

12.1概述/364

12.1.1背景/364

12.1.2低溫容器/365

12.1.3LNG運輸工具發展趨勢/366

12.2設計依據的標準及主要設計參數/367

12.2.1設計依據的標準/367

12.2.2主要設計參數/367

12.3LNG槽車結構的初步設計/367

12.3.1內膽的應變強化設計/367

12.3.2內膽的常規設計/369

12.3.3保冷層的設計計算/369

12.3.4外膽的設計計算/371

12.3.5內膽加強圈的設計/372

12.3.6內壓容器下支撐結構的設計/372

12.4LNG槽車強度校核/373

12.4.1設計條件/373

12.4.2槽車品質載荷計算/374

12.4.3內膽的軸向定位支撐結構的設計計算/375

12.4.4開孔及補強計算/375

12.5LNG槽車安全附件和管路的設計/379

12.5.1安全閥的設計計算/379

12.5.2爆破片的設計計算/381

12.5.3測溫裝置的選型/381

12.5.4液位測量裝置的選型/382

12.5.5真空測量裝置的選型/382

12.5.6真空夾層安全泄放裝置的選型/382

12.5.7管路的設計/383

12.6LNG槽車的漏熱校核/383

12.6.1夾層允許漏熱/383

12.6.2高真空絕熱層綜合漏熱/383

12.6.3內外膽下支撐漏熱/384

12.6.4內外膽定位支撐漏熱/384

12.6.5管道漏熱近似計算/385

12.7校核表/385

12.7.1內壓圓筒校核/385

12.7.2內壓橢圓左封頭校核/386

12.7.3內膽橢圓右封頭校核/387

12.7.4外壓圓筒校核/388

12.7.5外壓碟形左封頭校核/389

12.7.6外膽碟形右封頭校核/391

12.7.7臥式容器(三鞍座)校核/392

12.8設計結果匯總/395

參考文獻/396

致謝

附錄


章節試讀:

隨著低溫製冷技術的不斷發展,低溫工藝及裝備設計製造技術日趨完善,在工業、農業、國防及科研等領域內的作用日益凸顯,尤其在石油化工、煤化工、天然氣、空分等大型成套裝備技術領域具有重要地位,已廣泛應用於大型液化天然氣(LNG)、百萬噸化肥、百萬噸甲醇、大型氣體液化分離等重大系統裝備技術工藝流程中。

在LNG工業領域,大力發展LNG產業,提高天然氣能源在消費中的比例是調整我國能源結構的重要途徑,LNG既是天然氣遠洋運輸的唯一方法,也是天然氣調峰的重要手段。隨著國內眾多LNG工廠的相繼投產及沿海LNG接收終端的建設,我國LNG工業進入了高速發展時期,與之相關連的LNG低溫製冷裝備技術也得到相應快速發展。LNG液化工藝主要包括天然氣預處理、液化、儲存、運輸、接收、再氣化等工藝單元,其中,液化工藝為核心工藝流程,主要應用低溫製冷工藝技術制取-162℃低溫環境並將天然氣液化。根據不同的LNG液化工藝,可設計並加工製造不同的製冷裝備,主要包括天然氣壓縮機、製冷劑壓縮機、天然氣冷箱、BOG壓縮機、氣液分離器、大型空冷器、LNG膨脹機、四級節流閥及各種過程式控制制裝備等。儲運工藝技術中還包括大型LNG儲罐、LNG立式儲罐、LNG氣化器、LNG潛液泵等。近年來,30萬立方米以上LNG系統多採用混合製冷劑板翅式主換熱裝備及液化工藝技術,60萬立方米以上大型LNG系統多採用混合製冷劑纏繞管式主換熱裝備及液化工藝技術,這兩種混合製冷劑LNG液化工藝技術具有集約化程度高、製冷效率高、占地面積小及非常便於自動化管理等優勢,已成為大型LNG液化工藝裝備領域內的標準性主流選擇,在世界範圍內已廣泛應用。目前,國內的大型LNG裝備一般隨著成套工藝技術整體進口,包括工藝技術包及主設備專利技術使用費等,造價非常昂貴,後期維護及更換設備的費用同樣巨大。由於大型LNG系統裝備及主設備大多仍未國產化,即還沒有成型的設計標準,因此給LNG製冷裝備的設計計算帶來了難題。

《液化天然氣裝備設計技術:動力儲運卷》主要圍繞LNG液化工藝及儲運工藝中所涉及的主要裝備技術,研究開發LNG液化工藝流程中核心動力裝備及儲運裝備的設計計算技術,主要包括混合製冷劑離心壓縮機、天然氣往復式壓縮機、BOG壓縮機、混合製冷劑膨脹機、螺旋壓縮膨脹製冷機、LNG潛液泵、LNG溫控閥及其附件、LNG汽車加氣系統、LNG大型儲罐、10000m3液化天然氣球罐、LNG立式儲罐、LNG槽車共12類核心裝備的設計計算技術,為LNG液化、LNG儲運、LNG接收及LNG氣化等關鍵環節中所涉及主要設備的設計計算提供可參考樣例,並推進LNG系列裝備及LNG系統工藝技術的標準化及國產化研究開發進程。

(1)混合製冷劑離心壓縮機

混合製冷劑離心壓縮機是大型LNG液化工藝流程中的核心動力設備,也是大型混合製冷劑低溫製冷系統的核心設備之一,主要用於100萬立方米以上MCHE型LNG液化系統,及60萬立方米以上大型PFHE型LNG液化系統。由於混合製冷劑在壓縮過程中存在預冷分凝過程,混合製冷劑壓縮難以計算,壓縮過程中存在很多不確定性等問題,給混合製冷劑離心壓縮機的研究及設計帶來了困難。本文基於通用離心壓縮機設計計算過程,結合混合製冷劑物性計算過程,採用西安交通大學流體教研室提供的多級離心壓縮機壓縮過程計算方法,結合100萬立方米MCHE型LNG液化混合製冷劑壓縮機壓縮工藝流程,採用正丁烷、異丁烷、丙烷、乙烯、氮氣、甲烷六元混合製冷劑,兩段四級壓縮過程,中段冷卻並分離提取正丁烷、異丁烷二元製冷劑,丙烷、乙烯、氮氣、甲烷四元混合製冷劑進入二段壓縮過程的工藝流程。經過近些年來對MCHE型LNG液化系統的研究與開發,本書給出了一種六元混合製冷劑離心式壓縮機設計計算模型,供相關行業的同行參考,以利於推進大型LNG混合製冷劑離心式壓縮機的國產化進程。

(2)天然氣往復式壓縮機

LNG液化工藝用天然氣壓縮機是LNG液化流程中的主要動力設備之一,是將管道送來的低壓天然氣增壓後,送至主換熱設備並液化,從而使天然氣在接近4.3MPa壓力下液化,一來可以節省液化過程中天然氣管道佔用空間,縮小主換熱器的換熱面積及總體尺寸;二來讓天然氣壓力高於主要成分甲烷的臨界壓力,整體液化溫度高於標準沸點,便於天然氣液化。天然氣壓縮機是將機械能轉變為氣體壓力能的機械,而往復式壓縮機又因排氣壓力高、排氣壓力穩定、價格相對較低,還可實現小氣量、高壓力等優點,已成為工業上使用量大、使用面廣的一種通用機械。近年來,管道天然氣增壓功率及流量逐漸增大,在3MW以下中小型LNG液化系統中,通常採用往復式壓縮機。往復式壓縮機,主要由機座和工作腔兩大部分組成,機座部分包括機身、曲軸、連杆、十字頭組件等;工作腔部分包括氣缸、活塞、活塞杆、活塞環與填料、氣閥組件等,而在壓縮機工藝計算中,熱力計算和動力計算又是最重要的環節。往復式壓縮機的動力和熱力計算結果將是總體設計的依據,其精確程

度會體現壓縮機的設計水準。本書給出了天然氣往復式壓縮機設計計算模型,供相關行業的同行參考。

(3)BOG壓縮機

BOG壓縮機是LNG液化過程中不可缺少的主要動力設備之一,為大型LNG儲罐等配套設施,是LNG飽和蒸氣返回主液化系統的主要動力設備,具有壓縮-162℃以上溫度低溫蒸氣的特點。BOG壓縮一般採用往復式較多,其壓縮機頭具有防凍、防霜等特點。本書給出BOG壓縮機設計計算模型,供相關行業的同行參考。

(4)混合製冷劑膨脹機

混合製冷劑膨脹機是LNG液化膨脹製冷過程獲取冷量所必備的設備,是膨脹製冷液化工藝中的核心設備之一,其主要原理是利用有一定壓力的混合製冷劑氣體在透平膨脹機內進行絕熱等熵膨脹對外做功而消耗氣體本身的內能,從而使混合製冷劑氣體自身強烈地冷卻而達到製冷的目的。目前,從LNG低溫液化、空分到極低溫氫、氦的液化製冷,都有透平膨脹機的應用。本書根據透平膨脹機膨脹製冷原理,給出了混合製冷劑膨脹機的設計計算方法,僅供參考。

(5)螺旋壓縮膨脹製冷機

螺旋壓縮膨脹製冷機採用完全軸對稱且同軸線結構的螺旋壓縮機頭、電動機及螺旋膨脹機頭,應用近似佈雷頓迴圈製冷原理,較佈雷頓迴圈更接近等溫壓縮過程的迴圈方式,壓縮功相對較小,可回收膨脹功,COP較高;應用多級螺旋壓縮葉片逐級改變螺旋壓縮葉片螺距及螺旋上升角、逐級擴壓再壓縮的連續壓縮方法,實現高速螺旋葉輪對氣體的多級離心衝壓壓縮過程;通過增大螺旋膨脹葉片螺距及螺旋上升角,高壓氣流逐漸膨脹加速的連續膨脹做功方法,實現氣體對螺旋葉片膨脹做功過程及降溫過程;採用氣流多級軸向擴壓再膨脹的方法帶動螺旋葉片高速旋轉,實現氣流對多級螺旋葉片逐級膨脹做功並降溫的過程;結構簡潔精巧,外形似圓柱形,可直接連接至管道中,實現高溫氣體的開式低溫製冷過程。該技術由蘭州交通大學張周衛等提出,並給出了螺旋壓縮膨脹製冷機設計計算模型,供相關行業的同行參考。

(6)LNG潛液泵

作為整個LNG加氣站的動力裝置,LNG低溫泵的性能要求最主要的是耐低溫且絕熱效果好,以及承受出口高壓。其次是氣密性和電氣方面的安全性能要求比普通泵高很多。低溫泵必須有足夠的壓力和流量範圍,以適應不同級別的汽車LNG儲存系統;要盡可能減少運行時產生的熱量,以防止引發LNG氣化;不可出現兩相流,否則會造成泵的損壞。LNG汽車加氣站用潛液泵主要由泵、泵夾套和電動機組成。採用離心式結構體,轉速高、品質輕,這種高速離心式LNG潛液泵採用遮罩電動機一體軸配裝泵體、葉輪、導流器、誘導輪等部件,通過變頻控制器控制電動機的轉速。其結構設計為遮罩電動機和泵體全部浸沒在低溫液體中,達到零洩漏的方式。本書根據LNG潛液泵增壓原理,給出了LNG潛液泵的設計計算方法,僅供參考。

(7)LNG溫控閥及其附件

溫度控制閥是流量調節閥在溫度控制領域的典型應用,其基本原理:通過控制換熱器,空調機組或其他用熱、冷設備,一次熱冷媒入口流量,以達到控制設備出口溫度的目的。當負荷產生變化時,通過改變閥門開啟度調節流量,以消除負荷波動造成的影響,使溫度恢復至設定的值。本書給出了一種LNG溫控設計計算模型,供相關行業的同行參考。

(8)LNG汽車加氣系統

以LNG為燃料的汽車稱為LNG汽車,一般分三種形式:第一種為完全以LNG為燃料的純LNG汽車;第二種為LNG與柴油混合使用的雙燃料LNG汽車;第三種為LNG與汽油混合使用的雙燃料LNG汽車。這幾種LNG汽車的燃氣系統基本相同,都是將LNG儲存在車用儲罐內,通過氣化裝置氣化為0.5MPa左右的氣體供給發動機,其主要構成有LNG儲罐、氣化器、減壓調壓閥、混合器和控制系統等。本書主要給出了LNG汽車車載LNG儲罐等的設計計算模型,供相關行業的同行參考。

(9)LNG大型儲罐

LNG大型儲罐主要用於LNG接收站或LNG液化工廠末端,為接收LNG的最主要設備。LNG接收站內一般有多個大型LNG儲罐,設計容積從幾萬立方米到幾十萬立方米,投資造價很高。LNG大型儲罐結構形式有單包容罐、雙包容罐、全包容罐和膜式罐等。本文給出了一種LNG大型儲罐的設計計算模型,供相關行業的同行參考。

(10)10000m3液化天然氣球罐

10000m3液化天然氣球罐是一種常用的LNG儲存罐體,為中小型LNG接收站內核心設備,一般一個接收站可由幾個罐體組成。LNG球罐主要由真空雙殼體組成,外層安裝水準環路,用以均勻罐內LNG溫度,避免罐內LNG溫度分層。LNG球罐是一個大型、複雜的焊接殼體,它涉及材料、結構、焊接、熱處理、無損檢測等多方面技術,對球罐設計方法和理論、選材和材料評價體系、高性能材料的焊接及熱處理技術、大板片球罐製造技術的理論和實際都有重要作用。球形儲罐與其他形式的壓力容器比較,有許多突出的優點。如與同等容量、相同工作壓力的圓筒形壓力容器比較,球罐表面積小,所需鋼板厚度較薄,因而具有耗鋼量少、重量輕的優點。本書給出了10000m3LNG球罐的設計計算方法,僅供參考。

(11)LNG立式儲罐

LNG立式儲罐一般是垂直圓柱形雙層真空儲罐,具有耐低溫特性,要求儲液具有良好的耐低溫性能和優異的保冷性能。儲罐內LNG一般儲存在101325Pa、-162℃飽和狀態。內罐壁要求耐低溫材料,一般選用A537CL2、A516Gr60等材料。在內罐和外罐之間填充高性能的保冷材料。罐底保冷材料還要有足夠的承壓性能。本書給出了一種LNG立式儲罐設計計算模型,供相關行業的同行參考。

(12)LNG槽車

LNG槽車主要由雙層平臥真空罐體與汽車底盤兩部分組成。作為LNG陸地運輸的最主要的工具,因其具有很強的靈活性和經濟性,已得到了廣泛應用。目前,我國使用的LNG槽車主要有兩種形式,LNG半掛式運輸槽車和LNG集裝箱式罐車。半掛式運輸槽車有效容積為36m3,集裝箱式有效容積為40m3。本書給出了LNG槽車設計計算模型,供相關行業的同行參考。

本書共分12章,第1章、第3∼5章、第8∼10章由張周衛、郭舜之負責撰寫並編輯整理,第2章、第6章、第7章、第11章、第12章由汪雅紅、趙麗負責撰寫並編輯整理。全書最後由張周衛統稿。

本書受國家自然科學基金(編號:51666008),甘肅省財政廳基本科研業務費(編號:214137),甘肅省自然科學基金(編號:1208RJZA234)等支持。

本書按照目前所列裝備設計計算開發進度,重點針對12項裝備進行研究開發,總結設計計算方法,並與相關行業內的研究人員共同分享。

由於水準有限、時間有限及其他原因,本書中難免存在疏漏與不足之處,希望同行及廣大讀者批評指正。



蘭州交通大學

張周衛 趙麗 汪雅紅 郭舜之

2017年12月


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