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目前,天然气球罐置换研究主要是对置换方法、极限氧含量、置换标准、置换过程注意事项等的研究,未深入地对球罐内氧气(或甲烷)分布及变化规律、氮气用量等研究。甲烷爆炸极限氧含量为12%(体积分数),但对置换标准未能达成共识。当球罐内氧气体积分数的最大值小于12%时,可保证球罐内不发生爆炸,此时的平均氧气体积分数便可作为置换标准。为了确定球罐内氧气体积分数的最大值小于12%的状态,制定合理的置换标准,了解球罐内气体组分的分布规律,因此本文基于氮气作为中间介质研究天然气球罐置换。为了达到研究目的,本课题采用理论计算和CFD模拟,再与天然气球罐置换工程数据做对比分析。通过对天然气球罐置换实例的分析,建立二维对称模型,模拟1000m~3天然气球罐投产置换中氮气置换空气的过程,球罐入口和出口管径均为DN50,注入的氮气流量为1000Nm~3/h,即质量流量为0.3472 kg/s,分别按一次性升压置换、分次升压置换和等压置换三种置换方法模拟。此外,在实例条件下使用等压置换法,模拟了检修置换中氮气或空气置换甲烷过程的A、B、C、D四个置换方案,注入的空气流量为1000Nm~3/h,即质量流量为0.3583 kg/s。实例模拟结果与理论计算结果相同,误差在允许范围内,证明了实例模拟是正确的、可行的。通过对各模拟结果的分析,得出以下结论:(1)投产置换时,在升压置换过程中压力随时间呈线性关系增加,氧气体积分数和入口速度随时间呈反比关系降低,温度趋于环境温度;分次升压置换比一次性升压置换更节省氮气和时间,且一次注入的氮气量最好是球罐容量的一倍(在标态下)。(2)在1000m~3天然气球罐升压置换中,当初始入口速度大于60 m/s时,球罐内所有气体参与涡流流动,各组分气体混合比较均匀,氧气体积分数的最大值与平均值相差较小(等压置换也有相同的结论),因此升压置换可以不进行稳压混合过程而直接放散。(3)在本文实例的工况下,当初始入口速度大于60 m/s时,无论是升压置换还是等压置换,将氧气体积分数为10%作为天然气球罐投产置换标准是合理且安全的。(4)使用惰性气体置换法时,等压置换是天然气球罐置换的最佳置换方法,等压置换的D方案是天然气球罐检修置换的最佳置换过程。