燃气驱动冷热电联供系统基于能量梯级利用,具有提高能源综合利用率、减少污染物排放的优点,同时对调整我国的能源结构、缓解夏季供电紧张具有重要意义。介绍冷热电联供系统的国内外应用研究现状及系统设备种类。针对北京、上海地区已建成冷热电联供系统进行了调研,通过对北京、上海地区已建成冷热电联供系统的建筑类型、动力系统选型、负荷匹配情况进行统计和分析,总结出国内冷热电联供发展的部分特点,并对冷热电联供系统的应用局限和发展前景提出了看法。

小型可移动式天然气液化装置以其独特优势在零散天然气源的液化集输、管输天然气的再分配及分布式调峰和车用LNG燃料站等场合有非常广泛的应用前景。概括对比分析了现有的天然气液化技术,指出占据国际LNG工业主流地位的混合制冷剂循环(MRC)液化流程也是适宜小型化的最佳技术之一。在简要介绍了小型天然气液化装置的近期进展后,重点介绍了本团队基于近20年的混合工质节流制冷技术方面的研究经验,研制成功系列规格小型混合工质撬装液化装置,同时提出并创建了以此为基础的"煤层气柔性液化中心和虚拟管网"集输方案的概念。已研制出的全风冷、制冷油润滑螺杆压缩机驱动的10000~30000 m³·d^-1"可移动式液化装置",其中30000 m³·d^-1液化装置生产中实测液化比功耗已经与国内1000000 m³·d^-1的集中液化工厂相当。目前在山西、内蒙古已有多套不同规模的装置运行,初步形成一定规模。

液化天然气(LNG)工业曾经在相当长的一段时间里都把注意力放在陆上大规模基荷型(base-load LNG)液化项目。近几年来,LNG工业开始显现出一些新的发展趋势,如北美的页岩气热、海上天然气资源的开发、使用LNG作为车船用燃料以及在极寒地区建设液化设施等。这些新趋势带来新的挑战,要求人们对工艺技术选择进行谨慎思考。在这个大背景下,最近筹建和在建的新兴LNG项目多具有与传统项目不同的特征,如原料气来源、驱动方式与燃料要求、海洋运动对设备的影响以及外部气候条件等。与此同时,这些项目在可靠性、易操作性、效率和产能等方面也具有不同的要求和侧重点。本文首先对传统基荷型LNG项目在液化工艺技术方面需要考虑的问题进行综述,然后重点论述如何针对新LNG项目优化这些问题以期达到更好的投资回报。以使用2个LNG项目作为案例分析,来展示如何进行正确的工艺技术选择以保证项目成功。

含CO₂的天然气体系在历经低温工艺时,由于CO₂的三相点温度(216.55 K)较高,容易凝华结霜产生固体CO₂,因而有必要对CO₂在天然气中的结霜温度进行计算。根据气固相平衡原理,分别采用道尔顿分压定律、PR状态方程对CO₂在CH₄-CO₂-N₂和CH₄-CO₂-C₂H₆三元系中的结霜温度进行了计算。此外,还采用HYSYS软件对CO₂的结霜温度做了相应的计算。将3种方法的计算结果和实验结果进行了比较,结果表明3种方法在预测三元系中CO₂的结霜温度时,都具有良好的精度。其中,PR状态方程法和HYSYS法的精度略高于道尔顿分压定律法;道尔顿分压定律法虽精度最低,但计算最简单,且也能获得满意的精度,可做工程快速估算使用。

为了定量描述绕管式换热器壳侧降膜蒸发特性并进而优化换热器结构,建立了绕管式换热器壳侧降膜蒸发过程流动与传热的数值模型。首先对降膜流动过程中流型变化和传热传质机理进行分析;通过对降膜流动过程液膜所受表面张力、重力和剪切力的计算,实现层状流、柱状流和滴状流等不同流型的模拟;通过管壁面和气液交界面的组分守恒建立降膜蒸发过程的传质子模型,并基于传质速率计算得出潜热传热速率。将数值模拟结果与已有文献中实验数据进行了对比,结果显示89%的模拟数据与实验数据偏差不超过25%;模拟结果与实验数据吻合较好。基于提出的模型,对不同工况下的绕管式换热器壳侧降膜蒸发传热传质规律进行了分析。

液化天然气(LNG)动力渔船推广前景广阔,为提高其LNG冷能的利用效率,对比分析了在船舶上利用LNG冷能的冷库和发电两种方案的利弊,并在此基础上提出了一种新的LNG冷能利用系统。通过热力学分析,获得了不同有机朗肯循环(ORC)冷凝温度、蒸发温度和载冷剂出口温度条件下系统的冷能利用率及效率。分析结果表明,系统冷能利用率随朗肯循环冷凝温度的降低、蒸发温度的升高而有显著提高;随载冷剂出口温度升高,系统冷能利用率稍有提高,但载冷剂流量显著增大。该系统冷能利用率及效率最大值分别达200.1%和28.6%,可实现LNG冷能利用率的大幅提升,节能效果显著。

中间流体气化器(IFV)是液化天然气浮式储存与再气化装置中关键设备之一。IFV较多采用丙烷作为中间流体,利用其蒸发、冷凝相变过程将LNG气化,而过冷中间流体换热流程可以减小气化器体积。通过对过冷丙烷换热流程进行实验,充分结合实际FSRU海平面运行背景,验证中间流体丙烷在水平面和倾斜角度下的换热特性及对整个换热过程的影响因素。实验发现海平面的略微晃动对其换热有一定的增强;当海水温度随四季发生改变升高时,中间流体提供给LNG的气化换热量也会增大,海水进出口温度差也会增大;当海水流量变大时,整个过程的换热强度增大。

中间流体气化器(IFV)多采用丙烷作为中间流体,利用其蒸发、冷凝相变过程将LNG气化。为了减小气化器体积,采用过冷中间流体换热流程。对过冷丙烷换热流程中的换热器换热过程进行数值模拟,研究影响过冷流体换热的因素。结果表明,随着海水流率的增大,换热增强;随着海水入口温度的升高,丙烷和水的进出口温差变大。在实际的工程应用中,在允许范围内尽量增大海水流率,以提高换热器效率。换热器倾斜角度对换热的影响需通过实验进一步探明。

实验研究了竖直微肋管内液化天然气(LNG)流动沸腾传热特性,分析热通量、质量流量以及入口压力对LNG两相流动传热特性的影响。针对实验工况分别采用Kim关联式、Koyama关联式以及两种不同F_tp系数的Wellsandt关联式对传热系数进行预测,并将实验结果与预测结果进行比较。结果表明,在整个实验工况范围内,采用Koyama关联式预测准确性最好。

分析了常见的基于空分系统的液化天然气(LNG)冷能利用方式,依据LNG冷能的能谱特点及空分系统运行安全性的特殊要求提出较优的冷能利用方案;针对不同压力等级工况提出LNG与N₂的换热网络布置方案,对提出的4种LNG-N₂换热网络分别进行了流程模拟,并与传统空分系统和已有的LNG冷能利用空分系统进行了比较,结果表明:新的LNG换热网络能有效降低空分系统的单位液态产品能耗,采用LNG-N₂双高压方案时为0.217 kW·h·kg^-1,若对LNG出口压力没有限制则采用LNG-N₂双低压方案可进一步降低能耗至0.176 kW·h·kg^-1,相比已有的LNG冷能利用空分系统能耗分别降低了15.9%和31.8%;同时研究了LNG冷能的多能级换热匹配性能,分析了当N₂压力不变时LNG压力变动对各个方案换热均匀性的影响。研究结果可为不同工况下选择合适的LNG换热压力提供参考。

为预测海上浮式天然气生产储卸平台(LNG-FPSO)中绕管式换热器的动态特性,建立了一种分相的多股流LNG绕管式换热器动态模型。采用二维矩阵的描述方法建立了行列数为3(n+1)×3(n+1)的对角矩阵和互连矩阵,对多股流换热器传热计算中的物理参量进行数学表达,实现了多股流多相区换热关系的描述。采用分相区的建模方法提出了相边界交错排列下流体与管壁的传热模型和管壁温度的计算模型,实现了冷热流体在并发相变时的传热计算。实例表明该模型能够计算多股流形式的绕管式换热器,并能处理相边界"交错"的情况。与已发表的模型进行仿真对比,计算结果吻合良好,最大偏差小于4%。

船用凝水管道上节流孔板设计不合理,易导致孔板下游流体发生汽蚀,并促使流体高速冲击管道,进而诱发管道剧烈振动和冲刷腐蚀失效,极大影响了船用凝水管道的安全性和稳定性。基于多孔消声器减振降噪机理,提出了具有"防止孔板汽蚀,减缓管路冲刷"功能的新型斜孔对冲式节流孔板,引入伯努利方程和阻塞压差计算方法,进行节流孔板孔径、级数和厚度的校核计算,得到适用于凝水调节管道的两级斜孔式节流孔板,并利用数值模拟手段对理论设计的单级和二级斜孔式孔板节流特性进行分析,计算结果表明单级节流孔板下游局部流域诱发大尺度涡流和汽蚀现象,易导致凝水管路振动;二级节流孔板不仅可以规避孔板诱发汽蚀,还能实现流体对冲射流效应,促使冲击能量相互抵消,减缓流体对管路的冲刷,数值模拟结果与理论设计数据基本吻合。因此该计算方法可为船舶凝水系统管道节流孔板结构设计提供一定理论支撑。

以一艘17万立方米新型独立B型液化天然气(LNG)船为研究对象,将该型围护系统与传统薄膜型和MOSS独立球型围护系统进行详细对比,突出该型围护系统的特点;分析船体和舱室结构后,通过合理和必要的简化,提供了一种计算独立B型液货舱传热的方法,通过数值模拟计算不同工况条件下液货舱的蒸发率,研究了聚氨酯泡沫绝热材料的热导率变化对液货舱蒸发率的影响。得到以下结论:(1)新型独立B型围护系统与传统围护系统相比有突出优势,在将来有很好的应用前景;(2)绝热层厚度为450 mm时,为了满足日蒸发率不能超过0.1%的限定要求,所选用的绝热材料的热导率应当小于或等于0.03 W·m^-1·K^-1。

缠绕管换热器在天然气液化、空气分离、低温甲醇洗等低温领域有广泛的应用。提出一种可用于缠绕管换热器的设计方法,基于该方法采用分段微元法编写了缠绕管换热器设计程序;并运用该程序对已有换热器进行核算,验证了设计方法的可靠性;同时设计了用于小型LNG装置的缠绕管换热器,为工程上设计用于LNG装置的多股流缠绕管式换热器提供参考。

基于大亚湾核电站蒸汽发生器实际运行过程,采用CFD技术,对其100%~50%工况的降负荷过程进行瞬态模拟,以揭示蒸汽发生器流动传热特性在降负荷过程中的动态变化规律。计算结果表明,降负荷过程中,一、二次侧流体热工参数均随时间降低,而且随着换热强度下降,支撑板(TSPs)对二次侧含汽率、流速及表面换热系数的扰动作用也逐渐减弱。对应于100%、70%及50%三种工况,一次侧流体出口温度分别为297.2、295.6和294.8℃,二次侧出口流体平均质量含汽率分别为24.5%、16.7%和12.1%,模拟结果均与大亚湾核电站运行过程中的实际值相符。研究结果为蒸汽发生器的安全运行及优化设计提供了理论参考。

撬装式液化天然气(LNG)流程要求设备紧凑,而传统换热器在减小其换热通道尺寸时会产生冻堵问题。热管极高的传热系数和良好的温度均一性,可以有效克服这种缺陷。根据小型天然气液化流程参数,设计制造了低温工质(丙烷、乙烷、甲烷等)重力热管换热器模块。实验结果显示,低温热管换热器在热通量为860 W·m^-2时,每排热管的平均换热效率为43.28%,414排热管换热器总体换热效率可达到99.68%,换热量满足小型LNG液化流程50000 m³·d^-1的处理量要求。并且在工况突变时,能够迅速将局部冷量均匀分布至所在迎风截面,防止高凝固点的杂质在通道内冻堵。

LNG储罐储存介质与环境温度存在较大温差,保冷和罐体结构复杂。以全容式LNG储罐为例分析储罐各部分的传热计算方法,建立了储罐罐体的二维和三维稳态温度场数值计算模型,计算得到罐壁、罐底及各连接部位的温度场分布图,并进行了分析。研究结果对LNG储罐的结构设计具有参考价值。

建立了液化天然气(LNG)储罐喷淋预冷过程的流动传热与传质模型,对储罐内热物理场和储罐壁面温度的变化进行探讨。分析表明,喷淋进入储罐的LNG液滴并不能完全覆盖整个储罐,液滴进入储罐后,速度迅速衰减并转成垂直下落,同时液滴不断吸热汽化。预冷过程中,LNG的喷淋速度决定了储罐的冷却速度,温降最快的位置出现在储罐底部的中心区域,侧壁温降速度较慢。由于储罐的底部中心区域出现二次流动,阻碍了储罐底壁与内部低温气体的换热,同时由于混凝土对容器的导热,造成容器底部中心区域的温度不减反增的现象。

为解决三角区漏流对壳程综合性能的影响,设计提出变螺距搭接螺旋折流板换热器,并进行了数值模拟和综合性能分析。结果表明,变螺距搭接螺旋折流板换热器的综合性能主要受螺旋角组合方式、螺旋周期数量和工质物性参数影响;在一定程度上能够实现优化三角漏流区的目的,某些螺旋角组合方式下的换热器综合性能明显优于相同螺旋角下的等螺距换热器;当变螺距螺旋折流板换热器与等螺距螺旋折流板换热器综合性能相同时,其还具有强化壳侧传热或节省折流板用耗材和便于安装的优点。

介绍了液化天然气B型液货舱的结构,建立液货舱计算模型。然后,采用CFD数值模拟方法,计算分析了6种工况下LNG船液货舱的温度场分布和速度场分布以及传热量情况,并计算出了不同工况下的日蒸发率。研究结果表明在绝热层厚度350 mm且完好的情况下,LNG液货舱达到了日蒸发率不超过0.1%·d^-1的设计目标。研究结果为LNG船围护系统绝热设计和创新提供重要的参考。

利用FLUENT软件对LNG管线连续泄漏和扩散进行了模拟计算,分析了不同管内压力、泄漏孔径和环境风速条件对LNG连续泄漏及扩散过程的影响,分析气云随时间扩展过程中的燃烧爆炸范围和低温冻伤范围的变化。研究结果对LNG设施的安全管理具有参考意义。

对比分析了LNG(液化天然气)加气站3种BOG(蒸发气)回收方式,指出采用大冷量斯特林制冷机的BOG再液化回收技术,不仅解决了传统回收方式对天然气管网和CNG(压缩天然气)站的依赖,而且实现了液化天然气储运过程中的"零排放",经济和社会效益显著。在此基础上,探讨了单级整体式斯特林制冷机的制冷能力以及BOG的液化量,试验和计算结果表明:单级斯特林制冷机的制冷量达到1 kW@77 K和2 kW@110 K,每月BOG液化能力≥8 t,满足了我国小型LNG站BOG回收过程对冷量的需求。

船用蒸汽蓄热器的充汽过程涉及复杂的汽液两相质量、能量传递过程,其充汽特性对于舰载机弹射过程至关重要。借助小型船用蒸汽蓄热器实验系统进行了不同运行条件下的充汽特性实验。实验结果表明:在充汽过程中工质水的温度出现了分层现象,蓄热器底层水温较低,上层水温较高;充汽结束后蓄热器压力随着其内部工质由非平衡态过渡为平衡态的过程出现反向降低并最终稳定的现象;由不均衡势差引起的压降比随着储存水质量的减小和单位时间注入能量的提升而变大;充汽流量、充汽初压、初始水位对蓄热器充汽特性影响显著,在实际应用中应结合弹射自身需求对工作参数进行合理设置。

为了深入研究燃料电池内部传热传质之间的关系,以自制的薄膜传感器为测量单元,实现了燃料电池内部温度和热通量的同步在线测量。实验结果表明自制的薄膜传感器可以测量膜电极表面的瞬态变化,且传感器对电池性能的影响较小;同步测量的数据显示,放电过程中温度的动态响应要迟于热流的动态响应,由于膜电极热导率的变化以及甲醇窜流的影响,相对于温度的阶跃变化,热通量呈现持续变化的趋势。

液化天然气液化后的体积仅为原体积的1/625,十分有利于运输和储存。丙烷预冷混合制冷剂液化工艺是目前最常用的天然气液化工艺,该工艺结合了级联式液化流程与混合制冷剂液化流程的优点,既高效又简单,目前世界上80%以上的基本负荷型天然气液化装置采用了此流程。由于实际情况中原料气的入口压力、温度、组分均存在变化的可能,需要针对工艺的原料气敏感性进行动态仿真分析。通过分别添加原料气压力、温度、组分的扰动,得到了各个工艺系统的动态响应。结果表明:当丙烷预冷混合制冷剂液化工艺分别存在原料气压力、温度、组分扰动时,各个系统均能在一段时间后重新恢复稳定,稳定时间为20~250 min。验证了丙烷预冷混合制冷剂液化工艺在原料气入口条件扰动时的稳定性和可靠性。

为了模拟中间流体气化器(IFV)中中间介质丙烷的换热情况,设计并搭建了一个IFV换热模拟实验台。采用水作为热源,冷氮气为冷源,在两个套管式光滑圆管中进行了丙烷的沸腾和冷凝换热实验,分析了水入口温度、水流量和实验管倾斜程度对丙烷换热的影响。结果发现丙烷的沸腾传热系数随着热通量的增大而增大,换热管倾斜时,其换热有所增强,实验值与Cooper方程对其换热的预测值的变化趋势是一致的,误差基本在30%以内。丙烷的冷凝传热系数随着壁面过冷度的增大而减小,传热管倾斜时,其换热也有所增强,传热系数的实验值和Nusselt方程预测值的变化趋势一致,误差在40%以内。

建立了浸没燃烧式气化器(SCV)传热管的传热计算模型,给出了计算流程,并且通过实际运行参数验证了模型的准确性。基于该模型计算分析了某型SCV额定工况时管内外的温升曲线以及传热系数曲线;讨论了LNG流量、入口参数以及壁面污垢热阻对水浴温度的影响;根据计算结果提出了加装管内扰流装置以强化传热,当管内传热强化系数为3.0时可在原结构基础上使水浴温度降低14.8℃,或在水浴温度保持不变的条件下减少23%的传热面积。

对LNG输送管道与其周围环境之间的耦合传热过程进行分析,包括管道与保温层之间的导热以及保温层与周围环境之间的对流传热和辐射,并对LNG输送管道的冷量损失进行了较为完整的分析和计算。用数值仿真对管道周围的流场和温度场进行模拟和分析,比较了不同厚度的保温材料、Reynolds数、环境温度以及阳光辐射等对冷量损失的影响。结果表明保温材料特性对LNG输送管道的冷量损失影响较为敏感。随着保温材料热阻的增加,Reynolds数、环境温度以及阳光辐射对冷量的损失的影响逐渐减小。

基于微分浅水方程对液化天然气(LNG)从不同类型的储罐中泄漏并在水面扩散的过程进行了模拟。通过低温液体扩散形成的液池的最大半径和生命周期对出流孔尺寸、液池形状和储罐形状进行了评估。对泄漏量为12500 m³的LNG泄漏过程的模拟计算表明,液池的最大半径与出流孔径表现出较好的Boltzmann非线性关系。对不同形状的液池和不同形状的储罐进行模拟分析表明,用半圆形液池来代替不断变化形状的液池和用立方体储罐简化球形储罐都是可取的。此外,模拟结果还与积分浅水模型的计算结果进行了对比,结果表明,基于平均深度的积分浅水模型相对于微分浅水模型会得出较大的液池半径。

利用一维数值计算与CFD数值模拟的方法对中间介质气化器中超临界LNG的换热情况进行了研究。分析了工作压力与质量流量对LNG超临界换热的影响。结果表明在较低压力下,超临界LNG的传热系数及壁温会出现波动的现象,而改变质量流量对这种现象影响不大。除此之外,数值模拟结果表明,低流量工况下,超临界LNG在临界区附近由于物性的剧烈变化会发生传热恶化现象,而常用的换热关联式不能很好地预测这一现象,适当提高入口流量可以有效避免传热恶化现象的发生。

煤层气(CBM)是一种非常规天然气。在中国,煤层气在抽采出来时常混有空气。考虑到安全因素,氧气首先应该被去除。之后,煤层气利用的最重要步骤则是甲烷-氮气混合气体的甲烷高效提浓。本文搭建了双床变压吸附(PSA)装置,选择特定的炭分子筛(CMS)进行CH₄/N₂混合物分离实验研究。由于CMS的动力学吸附特性,氮被吸附在CMS上,带有一定压力的甲烷则连续输出。研究了吸附压力、进气速度和循环周期等因素对吸附过程整体性能的影响。从50% CH₄/50% N₂的原料气可以获得95.45%纯度的甲烷产品,而从30% CH₄/70% N₂的原料气可以获得94.89%纯度的甲烷产品。研究表明,以上3个参数都对分离性能有影响,其中后两者的影响更大。在较低吸附压力和较低进气速度时更容易获得纯度90%以上的甲烷产品。另外,循环周期越短,获得的甲烷纯度越高。

本文提出了一种新型精馏型自复叠小型天然气液化系统,并采用HYSYS^®软件对其进行了性能模拟计算和优化分析,详细分析了组分配比和系统压力位对系统性能的影响规律。研究结果表明:对于不同组分配比的混合制冷剂,当吸气压力上升时,天然气液化量的变化趋势则可分为向下凹和变化不大两种类型,其对应的系统单位液化功的变化趋势可分为向上凸和单调减少两种类型,压缩机功率和排气温度则基本上呈单调降低趋势,并以系统单位液化功为目标优化,得到了最佳配比和最佳工况。

氨丙基功能型离子液体对CO₂具有良好的选择吸收特性,以[APMim]Br离子液体水溶液体系为例,在有效吸收(水含量大于55%)区间,水含量对CO₂的化学吸收和物理吸收都具有显著影响。依据[APMim]Br水溶液在278.15~348.15 K,0.1~4.5 MPa,水质量分数为55.90%、64.50%、76.80%和85.80%范围的CO₂吸收特性数据,对溶液体系的化学吸收和物理吸收模型进行分析研究,获得两种吸收机理的数学表达,并对实验数据进行回归分析,得到能够正确反映化学吸收和物理吸收的计算模型。结果表明,低压下化学吸收占主导作用,随水含量增大,溶液体系对CO₂吸收能力成倍增加,而且产生的物理吸收效应远大于离子液体本身的化学吸收能力。水的质量分数在0.65~0.85区间,[APMim]Br水溶液在相当大的温度和压力范围内具有优良的CO₂吸放气特性,显示出良好的工程应用前景。

以研制新型吸附式天然气(ANG)吸附剂为目的,比较了甲烷在石墨烯和活性炭上的吸附平衡。首先,在温度区间273~293 K、压力范围0~8 MPa,测试甲烷在比表面积分别为300和2074 m²·g^-1石墨烯和活性炭上的吸附平衡数据。其次,应用格子理论导出的通用吸附等温方程,通过吸附平衡态能量分析及10-4-3相互作用势函数求解,确定甲烷分子在石墨烯平面和活性炭上的最大面密度、受到的壁面吸附作用势及其在吸附层内的作用能。结果表明,在相同温度下,吸附甲烷分子在石墨烯上吸附层内的相互作用能较其在活性炭上的大,甲烷分子在石墨烯平面上的集聚更为密集。提高石墨烯的比表面积将有效提高甲烷在其上的吸附容量。

基于自主设计建设的胺法脱酸中试实验装置,针对目前常用的天然气脱碳方法醇胺法,利用工业中应用较多的N-甲基二乙醇胺(MDEA)+一乙醇胺(MEA)的前期优选配方(2 mol·L^-1+1 mol·L^-1),进行醇胺法脱碳装置工艺参数优化实验研究,结果用于指导工业生产。本文在CO₂含量6%和4%两种原料气气质下,采用控制变量法,分析了吸收和再生参数对胺法脱碳工艺的影响规律,优选出操作参数。结果显示:在本实验操作参数范围内提高吸收温度、吸收压力和胺液循环流量有利于提高胺液吸收性能,提高再生温度、降低再生压力有利于提高胺液再生性能,但各参数受到反应机理、气液平衡、装置能耗、胺液性质等影响,存在最优值;本实验装置系统下,原料气处理量为50 Nm³·h^-1时,MDEA+MEA脱碳的优化工艺操作参数为:吸收温度55℃,吸收压力3.5~4 MPa,胺液循环流量0.25 m³·h^-1,再生温度120℃,再生压力50 kPa。

为了提高阴离子交换膜的离子传导率,本文以降冰片烯二酸酐为原材料,单体中引入两个官能团提高单位体积内离子交换容量制备了阴离子交换膜。通过Materials Studio(MS)软件计算反应能垒,分析判断双季铵化单体形成与否的可行性。模拟计算与实验结果表明:分子结构设计合理,实验方法可行。当单体与降冰片烯比例为1:2.5时,最高离子传导率σ达到65.21 mS·cm^-1,离子交换容量为2.56 mequiv·g^-1,吸水率为22.6%。

针对强制循环蒸发系统液位与出料密度两个回路的非线性耦合问题,提出了一种基于粒子群算法的线性定常自抗扰解耦控制设计。首先通过引入虚拟控制量,将对象解耦配置为两个单输入单输出子系统,并对每个回路设计降维线性扩张状态观测器。随后,对观测器动态线性化得到的近似积分器环节进行比例控制。最后,在可能的大工况内通过粒子群算法优化控制增益耦合矩阵和比例增益。该算法使用观测器估计并补偿动态耦合部分,降低了控制器对数学模型的依赖程度;使用粒子群算法优化定常控制增益矩阵,避免了实时测量出料温度,降低了对传感测量的要求,提高了可靠性并降低了实施难度。数学仿真结果表明该算法能有效地消除液位回路和出料密度回路的耦合作用,在大工况内具有很强的鲁棒性。

广东大鹏LNG接收站作为中国最早投用的LNG接收站,在5年的高负荷运行后中新增并改造了部分设备及功能安全回路(SIF),为确保接收站功能安全仪表系统(SIS)的完整性与可靠性以及高负荷生产的可用性,对所有生产设施及管线场站进行了HAZOP分析,并在HAZOP分析的基础上进行了SIL定级及再验证(re-validation)工作。本文以SIL再验证工作为例介绍SIL验算/再验证在在役装置中的应用,以及如何通过敏感性分析优化SIS系统配置与校验管理,满足企业风险可接受标准,最后总结并展望了实施SIL验算工作中的技术难点和未来的技术方向。

利用ASPEN PLUS稳态模拟平台测试修正热力参数、流动过程的作用条件,以建立冷热电联供(CCHP)系统的联合循环,研究了系统中关键单元的热功转换过程,以及物流的流率、压力和温度分布,探讨了各输入参数对系统经济、技术和排放性能等的影响。结果表明:(1)预设工况下,燃气轮机进口温度为340℃,系统总能利用率达到94.65%,经济效率达到67.27%,CO₂、CO、NO₂、NO、SO₂排放量分别为0.5 kg·(kW·h)^-1、1.025 mg·(kW·h)^-1、0.15 g·(kW·h)^-1、6 g·(kW·h)^-1、3.7 g·(kW·h)^-1;(2)随着空气流量的增加,燃气轮机和余热锅炉的排气温度急速下降,总能利用率上升,而相对节能率、当量效率和经济效率不断减小。因此,空气的量应控制在理论空气量的20%~40%之间;(3)随着空气温度及环境温度的升高,燃料的气化率会微小地下降,但系统的总体能效性能会提高。

回汽保护是缓解蒸汽动力舰船紧急减速时汽包压力骤升幅度、提高舰船机动性的有效措施。建立增压锅炉、主汽轮机、调节阀等设备模型,集成了回汽保护系统仿真模型,并应用试验数据对仿真模型进行了校验。对不同回汽保护控制条件下蒸汽动力系统响应规律进行仿真研究,研究结果表明:倒车调节阀开度越大、开阀时间越短,汽包压力骤升幅度越小,回汽保护效果越明显;倒车调节阀开度越大,冷凝器喉部最高温度越高,而开阀时间对于冷凝器喉部最高温度无明显影响。

研究了酵母脂肪酶在有机溶剂中以琥珀酸酐为酰化试剂酯化合成虾青素琥珀酸酯。液相色谱质谱联用检测表明,酯化产物中既有虾青素单酯也有虾青素二酯。对酶促反应脂肪酶、反应介质、反应底物摩尔比、反应温度等酯化影响因素进行了详细探讨和优化。在所选的几种脂肪酶中,假丝酵母脂肪酶(Candida sp.)的催化活性最好,二甲基亚砜为适宜的反应溶剂,最佳反应温度为45℃。底物摩尔比是决定反应能否进行的关键因素,底物摩尔比为40以上,反应才能进行,摩尔比达到800时,虾青素转化率达到90%以上。底物摩尔比还显著影响产物中单酯和二酯分布,高摩尔比下二酯才能产生。对体系初始含水量和酶量的影响进行了优化。实验结果表明酶法合成虾青素琥珀酸酯具有很好的可行性。

浮式液化天然气生产储卸装置(LNG-FPSO,简称FLNG)是集海上天然气的液化、储存、装卸和外运为一体的新型FPSO装置。近十年来随着深海油气开发的推进,国内外掀起了FLNG研究、设计的高潮,FLNG也成为中国开发南海深水天然气的重要技术手段。本文针对我国南海深水天然气开发,研究并提出一套具有自主知识产权的200万吨级/年的FLNG上部液化技术与关键设备方案,包括:双塔双胺液循环新工艺;适用于FLNG的改进DMR液化工艺;冷剂压缩机驱动与发电采用定型航改燃机;预冷与液化深冷主换热器采用自行开发的FLNG铝制绕管换热器,具有安全可靠和高效易操作的技术优势。最后对推进我国南海FLNG工程化实施提出了两点建议:(1)加强FLNG铝制绕管换热器国产化研制和试验;(2)提高FLNG工程化实践能力。

冷热电联供是天然气高效利用的重要方面。以上海某医院为例,基于Trnsys与Matlab软件建立了天然气冷热电联产系统的动态仿真与控制模型。对传统蓄能策略、"主动蓄能"策略和新型蓄能策略进行了描述。利用该模型计算了系统在不同蓄能容量与控制策略下的效率、一次能源节约率和投资回收期,并进行了对比分析。结果表明,"主动蓄能"策略下联供系统对建筑供能的贡献率低,性能差于其他蓄能策略;新型蓄能策略下的系统运行时间能得到很大的延长。它能有效发挥蓄能设备的作用,使联供系统为建筑提供更多的高效能量。电力不能上网的条件下,联供系统的节能潜力受到很大的限制。

冷冻法海水淡化方法的制冷系统耗电量大,因而应用得并不广泛。另一方面,液化天然气(LNG)在其汽化过程中会释放出大量冷能。因此,将LNG蒸发和海水冻结两个过程结合起来可以在汽化LNG的过程中同时制取淡水。本文比较了两种冷冻法海水淡化的方案,即二次冷媒/海水直接接触法和二次冷媒/海水间接接触法。鉴于其简单和便于应用,选择间接接触法开展进一步研究。按照冷媒的不同工作状态提出了两种流程。在无相变流程中,二次冷媒在整个循环中保持在过冷液体状态。而在相变流程中,二次冷媒在冷冻海水时蒸发,并在汽化LNG时冷凝。在不同制冷温度下对两个流程的性能进行了分析。研究表明,相变流程制冷剂流量和功耗均较小。同时,研究结果说明利用LNG冷能进行海水淡化是可行的。

针对陆上LNG加气站和LNG运输槽车的BOG放散所造成的燃料损失和环境污染等问题,以大功率脉管制冷机为冷源研发了一套小型撬装式BOG再液化装置。在LNG加气站对该小型撬装式BOG再液化装置进行了试运行实验,装置具有较好的稳定性、可靠性和安全性。实验结果表明:装置的净制冷功率至少达到550 W@120 K,BOG的液化能力达到106 kg·d^-1。

由于受环境污染的影响,淡水资源的供给问题日趋严峻,供给方式的新技术探索是有效解决问题的重要途径,尤其是海水淡化的相关技术。利用实验室自制的垂直电场电泳装置,研究模拟海水的脱盐效果(以氯离子为研究对象)。考察了氯离子初始浓度、停留时间和电压3个因素分别对脱盐率、能量效率(单位电功能量的正极区迁移的氯离子质量)和分布比率的影响。出水分为4个区域,正极区、负极区、中间区和两极邻近区,其中中间区代表模拟海水淡化的目标收集区。结果表明,随着入水口处的氯离子初始浓度的增加,电泳装置出水口的中间区的脱盐率降低,能量效率逐渐升高,中间区、负极区和两极邻近区的分布比率增大,而正极区的分布比率减小。随着停留时间的增加,中间区脱盐率明显升高,高达69.5%,能量效率逐渐降低,中间区和负极区的分布比率减小,而正极区和两极邻近区的分布比率增加。随着电压升高,中间区的脱盐率逐渐升高,最高达13.9%,能量效率逐渐降低,正极区的分布比率逐渐增大,而负极区和两极邻近区的分布比率逐渐减小,中间区分布比率呈先上升后降低趋势。

针对质子交换膜中水分布不均匀造成燃料电池性能降低的问题,将膜和催化层中水传递方程进行耦合实现水在膜和催化层之间连续传递,建立了质子交换膜燃料电池三维稳态模型。利用有限元分析软件COMSOL进行模拟计算,研究了阳极气体在不同湿度下膜电流密度分布并组装单电池进行了验证,分析实验模拟结果表明:模拟极化曲线与实验极化曲线吻合良好。湿度对电流密度分布影响很大,低湿度条件下,脊背下方电流密度大于气体流道下方;高湿度条件下,电流密度分布比较均匀;采用Nafion117较厚膜时,高电流密度下,即使阳极加湿,阳极侧也有脱水的可能。

船用液化天然气储罐作为移动式压力容器,在运输过程中不仅承受静载荷,并且还承受一定惯性载荷的作用。相比传统的常规设计计算,使用有限元方法对于液化天然气储罐的结构强度分析将会更加准确方便。文中使用ANSYS软件对液化天然气储罐建立有限元模型,对于惯性载荷作用下的储罐进行了数值模拟,对于受到应力集中的局部进行应力分类和安全评定。仿真结果对于液化天然气储罐的设计制造提供参考和依据。

低温管道系统结构复杂,在工作时承受内压、温差及重力载荷,且承载时系统内各部件又相互影响和制约,采用传统材料力学或结构力学很难分析该系统内各部件应力情况。应用ANSYS软件对某液化天然气储罐的顶部进液管进行了结构强度分析,分析得到了顶部进液管在承受内压、自身重力以及温差应力作用下的变形和应力分布情况,基于此对进液管的布置进行结构调整。研究结果表明:优化设计后进液管道最大主应力小于原设计进液管最大主应力的1/6,极大地保证了储罐在使用过程中的安全性。

随着我国对环境的日益重视和能源结构的调整,天然气的应用越来越多,天然气气源也不断增多,燃气管网日益复杂。很多工商业用户对于燃气气质的要求较高,特别是对于燃气机组而言,燃气机组对热值波动以及热值变化率等气质较为敏感,燃气热值和热值变化率只能在一定范围内波动。日趋复杂的气质能否满足燃气电厂等工商业用户严苛的气质要求的问题亟需进一步研究。在气质瞬变模型的基础上建立了质换型天然气混输管网的仿真模型,模拟了某管网在气质质换过程中下游各节点的热值变化情况,对结果进行了分析。

微型热电联产是节能减排的有效途径。主要针对微型热电联产系统,通过设定参照对象建立热力学模型分析用能效果,并在微型热电联产机组匹配用户负荷条件下分析用户热电比及电网购电比例对联产系统节能潜力的影响。同时结合实测某办公楼供热季度的热电负荷特征确定微型热电联产系统方案,计算发现供热季联供方式日均节能率可达22.76%~23.16%,联供系统中原动机的效率可达48.06%。

天然气的预处理和液化是海上天然气利用前的两个关键环节。选取变压吸附分离法(PSA)作为浮式LNG预处理流程的工艺方法,选择新型CO₂预冷空气膨胀液化流程作为浮式LNG天然气液化的工艺方法,并对以上预处理和液化流程进行了模拟计算与分析。结果表明,采用双层吸附剂变压吸附(PSA)预处理流程能耗低,全气体运行避免了液体吸收剂随波浪晃动的缺点,可以满足海上天然气预处理的要求;CO₂预冷空气膨胀液化流程在预冷剂及制冷剂循环过程中,没有液体的产生,安全性高;以上预处理和液化流程适应于海上晃动的LNG平台。

混合制冷剂(MR)组分是影响天然气液化流程性能的最重要因素之一。在某些特定的液化天然气(LNG)装置中,丁烷和戊烷等重组分不受欢迎。研究了以下4种混合制冷剂组分用于单混合制冷剂(SMR)流程的效果:含有异丁烷(C₄)和异戊烷(C₅)的MR;不含C₄的MR;不含C₅的MR;不含C₄和C₅的MR。对各流程的比功耗进行了对比。结果表明,相比于异丁烷,异戊烷对降低能耗的贡献更大;另外,工况1的能耗比工况4低18%。更进一步地,提出了采用不同制冷剂进行预冷的SMR流程。对于工况4,采用丙烷预冷的流程能耗可降低12%。

液化天然气(LNG)在再气化过程中具有巨大的冷能利用价值。目前回收LNG冷能的诸多方法中LNG冷能发电是最有可能大规模利用的方式,同时也是技术较为成熟的方法。在保证天然气入网压力及膨胀机最大承压的条件下,通过HYSYS流程模拟软件对以丙烷为工质的朗肯循环、天然气直接膨胀与朗肯循环相结合的联合循环进行流程模拟,并根据模拟得到的过程参数和输出功进行对比分析,总结了两种循环的特点和发电收益。如果以年蒸发量为150万吨、年工作小时为8000 h的LNG接收站作为分析的基础,并以工业用电价格0.55元·(kW·h)^-1计算,联合法的年发电收益将比朗肯循环法多487万元,以此可以作为两种循环流程经济性分析的基础,为流程全面的经济性分析提供可靠的依据。

基于城市天然气用量具有"有限制增长"特点以及以12个月为周期变化的规律建立城市月用气量预测模型,分析不同类型城市预测模型的相关参数,并进行实例应用。结果表明,基于逻辑斯蒂原理以及月用气量变化分布曲线函数建立的城市月用气量预测模型可以很好地表征城市月用气量的增长过程特点和周期变化规律;不同类型城市的月用气量变化分布曲线特征值及其变化范围各异,而且高峰点前后曲线宽度不同。集中采暖类城市月用气量高峰特征值与低谷特征值相差较大,非集中采暖类城市月用气量高峰特征值与低谷特征值相近,完全生产类城市月用气量具有明显的个体特点。

大型常压LNG储罐在接收站中占有很高的投资份额,是接收站关键的储存容器,在启用时对调试技术的要求较高,其中,储罐的冷却是最重要的预备环节。基于气液两相容积节点原理,建立喷淋LNG蒸发计算模型,搭建大型LNG储罐预冷过程动态仿真平台,以160000 m³大型LNG地上全容储罐为例,计算其在预冷过程中所需要的时间以及预冷所用LNG总量,得到了预冷过程中储罐压力、BOG产生量以及储罐内部温度的动态变化,为设计优化液化天然气储罐预冷策略提供了理论依据。

针对沼气产气量不稳定的问题,提出了采用LNG气化掺混空气作为沼气调峰气源的解决方案,设计并加工了一种LNG引射空气混合器,模拟生产实际对引射混合器的运行特性进行了实验研究。结果表明在引射器出口压力一定时,混气比(空气:天然气)随着进口压力的增加而显著提升;进口压力一定时,混气比随着出口压力的增加而逐渐减小;考虑进出口压力对混气比的共同作用时,提高进口压力,混气比随出口压力升高而降低的趋势减缓;提高出口压力,混气比随进口压力升高而上升的趋势加剧。为获得与沼气发酵罐相同的出口压力,引射器进口压力应为0.25 MPa。

脉管制冷机是一种主要应用于卫星上冷却探测器的低温制冷机。具有室温推移活塞的脉管制冷机是一种可逆脉管制冷机。其逆向循环为冷脉管发动机,是一种新的可用于液化天然气冷量发电的装置。用数值分析的方法阐述了其工作原理,分析了最佳扫气容积比与脉管长度的关系,讨论了扫气容积对功率的调节。

增压-冷凝系统是LNG接收站的控制核心。介绍了增压-冷凝系统工艺流程,结合某LNG接收站运行过程中高压输送泵入口过滤器阻塞的情况分析了高压输送泵入口压力与过滤器压差间的变化规律以及在此情况下泵井放空管线配管对再冷凝器平稳运行的影响,对存在的问题提出了优化方案,从而保证增压-冷凝系统稳定运行。

喷射泄漏在LNG泄漏事故中比较常见,由于其蒸汽本身无色无味,难从感观上判断其泄漏扩散范围。但由于其温度低,喷射泄漏会使周边环境空气中水蒸气液化成可见蒸汽云。通过建立LNG喷射泄漏计算流体力学模型,对不同环境条件和喷射速度下的扩散情形进行数值模拟,得到了LNG泄漏扩散区域的温度场和浓度场。根据环境条件和温度场分布,得到了可见蒸汽云区域范围,并总结出可见蒸汽云区域范围与爆炸下限区域范围的关系。喷射泄漏发生时,可以为预测爆炸下限区域范围,划定安全隔离范围和消防救援提供帮助。

LNG设施通常包括天然气液化、LNG储运及运输等。在中国天然气供应链对经济民生影响重大。天然气供应链或供应系统中关键设备的非计划及计划性维修导致的天然气供应中断,都可能造成巨大的经济损失。本项目应用可靠性、可用性及可维修性(RAM)分析方法对于液化天然气储备库及附属设施的可靠性指标进行评估,定量分析LNG供应链中关键设备的失效及维修时间对于整个供应链可靠性指标的影响。RAM分析可以用来预测在指定的运行周期内整个LNG供应链的运行绩效。RAM分析辨识关键设备的失效模式,确定失效数据,并采取Monte Carlo的模拟计算,获得LNG供应链或系统中,关键设备失效对于可靠性指标影响。本文通过国内某LNG储备库项目的RAM分析,应用以Monte Carlo模拟为基础的系统可靠性分析软件ReliaSuite^®,评估LNG储备库系统设计能否满足可靠性指标。并且对LNG储运设施的卸料臂进行了失效模式及关键性影响分析(FMECA)。通过对LNG储备库各子系统对于项目整体可靠性的贡献进行敏感性分析,找到影响项目整体可靠性的瓶颈及解决方案。

降冰片烯衍生物的开环易位聚合具有反应条件温和、反应速率快及尺寸可控等优点,且因其独特的结构使得聚合物主链具有良好的热稳定性及耐酸碱性能。本文通过开环易位聚合法制备了降冰片烯基苯磺酰氯(NBSC)与5-降冰片烯-2,3-二羧酸二甲酯(DCNM)的新型二元无规共聚物。通过FT-IR、NMR表征了单体和共聚物的化学结构,并通过设计对比实验探究了最佳反应条件。GPC数据显示,当两单体配比1:1,催化剂用量为单体总物质的量1/450,反应时间30 min,反应温度40℃时,共聚物的相对分子质量最大,分子量分布较窄,产率最高,此条件为最佳反应条件。DSC表明,DCNM单体均聚物的T_g为60℃,与NBSC共聚后,T_g升高至80℃左右。TGA数据显示共聚物质量分解5%时对应的温度为145℃,最大分解速率时的温度为245℃,证明该聚合物具有良好的热稳定性。综合考虑其各项性能,这种新型的聚合物有望用于燃料电池质子交换膜领域的研究。

将十氟二唑和双酚芴作为聚合物单体制备了一种新型的偏氟聚芴醚二唑质子交换膜。通过加入4-羟基磺酸钠进攻十氟二唑邻位的C-F键引入官能基团探究了膜的制备方法。研究了膜的物理、电化学性能并组装了燃料电池单电池。实验结果表明:该膜具有较高的离子传导率、较强的机械性能及低的甲醇渗透率。30℃时,传导率为58 mS·cm^-1,70℃,传导率达到了137 mS·cm^-1。甲醇渗透率是Nafion^® 117膜的1/2,在100℃时,单电池的功率达到85 mW·cm^-2。

以扇贝和珍珠母贝壳为研究对象,对其化学成分、微观结构以及热分解行为进行研究,结果表明,扇贝和珍珠母贝壳都是由95%左右的CaCO₃和5%左右的有机质组成。其中,扇贝的无机相几乎由100%的方解石组成,而珍珠母贝壳的无机相由4.96%的方解石和95.04%的文石组成。且两者所含有机质的成分存在很大的差异。热分析表明,热分解分为两个阶段,第一阶段为有机质的变性和分解,第二阶段为碳酸钙分解为二氧化碳和氧化钙的过程。有所不同的是,珍珠母贝壳在400~500℃出现了由文石转变为方解石的晶型转换,可为生物矿化等提供参考。

分别以盐酸、三氯化铁、盐酸-三氯化铁作为催化剂,研究芝麻素差向异构化合成细辛素的条件并探讨差向异构化机理,采用NMR、MS方法对合成物进行结构鉴定。结果显示:单独使用盐酸作为催化剂,盐酸体积分数为20%时催化反应达到平衡;单独使用三氯化铁作为催化剂,会发生水解反应,致使催化反应终止;以盐酸-三氯化铁作为联合催化剂,使用较少的量(质量分数0.05%~0.5%),反应温度控制在体系中乙醇沸点之上,10 min内就能够达到很好的催化效果。联合催化剂可降低反应体系的活化能,加快了芝麻素异构化为细辛素的进程。

以C₆₀,对甲苯磺酰肼和4-苯甲酰基丁酸为原料,通过一锅法多步骤合成了[60] PCBM,用硅胶柱为载体,甲苯为洗脱剂获得初步纯化的[60] PCBM。经红外光谱图和¹H NMR谱图表征,证明合成产物为目标产物。为进一步纯化产物,结合HPLC分离技术,获得99.5%纯度的[60] PCBM。通过将副产物及回收的C₆₀重新投入合成体系,抑制了新的副产物产生,使得新鲜C₆₀转化为[60]PCBM的收率提高到93.3%。这些措施为降低高纯度[60] PCBM的成本奠定良好的基础。

离子液体的电导率性质反映了离子液体的导电性能,与溶剂中的电离度以及离子的溶剂化能力密切相关。为了研究本实验室合成的5种酯基取代的离子液体的电导率,用DDS307电导率仪测定1-乙酸甲酯基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺([MIMCH₂COOCH₃]NTf₂)、1-乙酸乙酯基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺([MIMCH₂COOCH₂CH₃]NTf₂)、1-乙酸正丙酯基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺([MIMCH₂COOCH₂CH₂CH₃]NTf₂)、1-对甲基苯甲酸甲酯基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺([MIMCH₂C₆H₄COOCH₃]NTf₂)和1-对甲基苯甲酸乙酯基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺([MIMCH₂C₆H₄COOCH₂CH₃]NTf₂)在二甲基亚砜、甲醇、乙腈和乙酸乙酯中的电导率数据。结果表明,其他条件不变时,在一定浓度范围内,离子液体的电导率随着其浓度的增大而增大;在一定温度范围内,随着温度的升高,离子液体电导率增大;4种溶剂相比电导率从小到大顺序依次为乙酸乙酯、二甲基亚砜、甲醇、乙腈,反映了带酯基的5种离子液体与乙酸乙酯的相互作用。

采用聚合反应合成了一种季铵盐型抗菌树脂,通过漆膜的抑菌圈测试、抗菌率测试以及模拟不同环境对漆膜抗菌效果的影响测试对抗菌树脂的抗菌性能进行了评价,并考察了抗菌树脂漆膜的力学性能。结果表明:季铵盐抗菌剂的含量为6%时,漆膜对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的抗菌率均能达到99%以上。在此含量下,对漆膜的力学性能影响不大,且漆膜具有良好的抵抗恶劣环境的能力,漆膜被擦拭1000次后,其抗菌率仍能达到95%以上,具有良好的抗菌持效性能。