大型LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷數(shù)值模擬

徐艷華 彭文山 李金娟 曹學(xué)文

1.中石化勝利石油管理局樁西采油廠 2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.中國石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

LNG儲(chǔ)罐在投產(chǎn)之前必須進(jìn)行預(yù)冷作業(yè)，如果直接充裝LNG，巨大的溫差將使內(nèi)罐及相關(guān)管道產(chǎn)生極大的溫度應(yīng)力[1-3]，可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐及管道結(jié)構(gòu)破壞；此外，由于受到低溫作用導(dǎo)致管道及儲(chǔ)罐焊接處以及閥門處可能產(chǎn)生松動(dòng)變形，引起LNG的泄漏等嚴(yán)重事故，因此，研究LNG儲(chǔ)罐的預(yù)冷工藝十分必要。目前，對LNG儲(chǔ)罐溫度場變化的研究集中在儲(chǔ)罐保冷性能[4-10]、預(yù)冷工藝[11-14]、預(yù)冷計(jì)算模型的建立方面[15-16]，對于冷卻動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬研究較少。本研究在充分考慮了規(guī)范要求的冷卻標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對LNG儲(chǔ)罐低溫氣體預(yù)冷過程進(jìn)行數(shù)值模擬，為實(shí)際工程中儲(chǔ)罐預(yù)冷提供參考。

式中:μt為湍流黏度，Pa·s;k為湍流動(dòng)能，J；ε為湍流耗散率，W/m3；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；Sk，Sε分別表示湍動(dòng)能、湍動(dòng)能耗散率的源項(xiàng)。

2.2.2模型參數(shù)

外罐直徑83.6 m，內(nèi)罐直徑80 m，內(nèi)罐高36.1 m，內(nèi)罐材質(zhì)9%(w)Ni鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為16.27 W/(m·K)，罐壁隔熱層厚1 m，導(dǎo)熱系數(shù)為0.039 1 W/(m·K)，混凝土外壁厚0.8 m，導(dǎo)熱系數(shù)為0.7 W/(m·K)。一個(gè)上卸料口直徑為1 m，一個(gè)出口直徑為0.6 m。罐底罐頂隔熱層冷卻所需預(yù)冷介質(zhì)用量相對罐壁較小[15]，為簡化模型，只考慮罐頂罐底的漏熱，忽略其厚度。

2.2.3邊界條件及計(jì)算設(shè)置

邊界條件：入口設(shè)置為質(zhì)量入口，設(shè)置入口介質(zhì)流量初始值、溫度、壓力，湍流強(qiáng)度=0.16Re-0.125及水力直徑；出口設(shè)置為壓力出口，出口靜壓10 kPa；流體與罐壁，罐壁與隔熱層自動(dòng)生成流固耦合面和固固耦合面；混凝土外壁面對流換熱系數(shù)設(shè)置為0.5 W/(m2·K)，環(huán)境溫度設(shè)置為300 K。設(shè)置罐頂漏熱量為其平均值3.58 W/m2，罐底漏熱量為其平均值8.26 W/m2[16]。

初始條件：儲(chǔ)罐內(nèi)氣體初始溫度設(shè)為293.15 K，參考壓力默認(rèn)為101.325 kPa，重力加速度沿著Z軸方向，設(shè)為-9.81 m/s2。

計(jì)算方法：激活能量方程，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)模型，采用PISO算法進(jìn)行計(jì)算。收斂控制條件設(shè)為殘差均低于10-3，出入口流量差值與入口流量之比小于0.5%。

建立的儲(chǔ)罐三維模型如圖2所示。

2.2.4結(jié)果分析

(1) 儲(chǔ)罐BOG預(yù)冷溫度場分布。大型LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷時(shí)，假設(shè)儲(chǔ)罐內(nèi)溫度為293.15 K，當(dāng)降低到可以儲(chǔ)存LNG的工作溫度108.15 K時(shí)，185 K的溫度差會(huì)使儲(chǔ)罐材料產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力而損壞材料，因此，要嚴(yán)格控制儲(chǔ)罐任意壁面的溫降不超過5 K/h。設(shè)置儲(chǔ)罐內(nèi)壁上坐標(biāo)為(-40，0，0)的點(diǎn)為溫度監(jiān)測點(diǎn)。

LNG儲(chǔ)罐氣體預(yù)冷模擬中分5個(gè)階段預(yù)冷：

預(yù)冷階段一(273.15 K BOG預(yù)冷過程)：氣體預(yù)冷模擬時(shí)間設(shè)置為10 h，先確定進(jìn)料口處的質(zhì)量流量。用FLUENT軟件分別試算：0.556 kg/s(約2 000 kg/h)、0.694 kg/s(約2 500 kg/h)、0.833 kg/s(約3 000 kg/h)、0.972 kg/s(約3 500 kg/h)，結(jié)果見圖3。

1 h內(nèi)溫度監(jiān)控點(diǎn)的冷卻速率分別為：2 K/h、3 K/h、4 K/h、6 K/h；10 h內(nèi)溫度監(jiān)控點(diǎn)的平均冷卻速率分別為：1.4 K/h、1.8 K/h、2 K/h、2 K/h。隨著時(shí)間推移，冷卻速率逐漸減小，低于規(guī)范要求的最小儲(chǔ)罐預(yù)冷冷卻速率(3 K/h)。1 h內(nèi)預(yù)冷介質(zhì)入口溫度為273.15 K時(shí)，入口流量2 500 kg/h和3 000 kg/h均滿足規(guī)范要求，但10 h內(nèi)平均冷卻速率均低于最小冷卻速率。這是因?yàn)椋肍LUENT軟件模擬時(shí)，入口溫度和入口流量為定值，隨著時(shí)間的推移，儲(chǔ)罐冷卻需要更多的預(yù)冷介質(zhì)。因此，實(shí)際現(xiàn)場儲(chǔ)罐預(yù)冷時(shí)，需根據(jù)冷卻速率不斷調(diào)節(jié)進(jìn)口流量，保證冷卻速率在規(guī)定范圍內(nèi)，從而提高儲(chǔ)罐的預(yù)冷效率和質(zhì)量。故建議預(yù)冷介質(zhì)溫度為273.15 K時(shí)的初始參考入口流量為0.694 kg/s(約2 500 kg/h)，在2 500～3 500 kg/h范圍內(nèi)調(diào)節(jié)流量。儲(chǔ)罐氣體預(yù)冷的罐壁及罐內(nèi)氣體的溫度分布云圖如圖4所示。

由圖4可知，罐內(nèi)氣體冷卻速率大于罐壁，且超過5 K/h。而儲(chǔ)罐的實(shí)質(zhì)是將罐內(nèi)壁逐漸冷卻到LNG的儲(chǔ)存溫度，且控制冷卻速率在3～5 K/h范圍內(nèi)，罐內(nèi)任意兩個(gè)測溫元件溫差不大于30 K。因此，并不要求罐內(nèi)氣體的冷卻速率也要滿足規(guī)范要求。又因?yàn)閮?chǔ)罐分階段預(yù)冷，第一階段是從293.15 K降至273.15 K，溫差20 K，二、三、四、五階段溫差30 K，所以也不存在測溫元件溫差超限問題。

由圖4還可知，罐壁溫降分布不均勻。這種現(xiàn)象是由進(jìn)氣口位置和非穩(wěn)態(tài)溫度場變化的無規(guī)律性共同造成的。由于低溫BOG氣體從罐頂進(jìn)料口進(jìn)入儲(chǔ)罐后，罐底最先接觸冷氣進(jìn)行熱量交換，經(jīng)罐底阻擋回流，沿罐壁向罐頂部移動(dòng)吸熱，因此，罐壁靠近罐底及卸料口的位置較罐壁其他位置溫降快，出現(xiàn)溫度梯度呈水波狀。罐內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)影響了非穩(wěn)態(tài)溫度場的變化，罐內(nèi)氣體溫度分布呈現(xiàn)類似于活塞的現(xiàn)象，下部溫度低于上部溫度。儲(chǔ)罐混凝土外罐壁溫度始終維持在298～300 K之間，說明第一階段儲(chǔ)罐保溫層保溫效果良好。

當(dāng)預(yù)冷10 h后，罐內(nèi)最低溫度已接近入口溫度，第一階段預(yù)冷結(jié)束。預(yù)冷階段二(243.15 K BOG預(yù)冷過程)：氣體預(yù)冷模擬時(shí)間設(shè)置為10 h，先確定上料口處的質(zhì)量流量。用FLUENT軟件分別試算：0.833 kg/s(約3 000 kg/h)、0.972 kg/s(約3 500 kg/h)、1.111 kg/s(約4 000 kg/h)、1.25 kg/s(約4 500 kg/h)。1 h內(nèi)溫度監(jiān)控點(diǎn)的冷卻速率分別為：2 K/h、3 K/h、4 K/h、5 K/h；10 h內(nèi)溫度監(jiān)控點(diǎn)的平均冷卻速率分別為：1.6 K/h、2.4 K/h、2.6 K/h、3 K/h，如圖4～6所示，由此得出預(yù)冷介質(zhì)溫度為243.15 K時(shí)的初始參考入口流量為0.972 kg/s(約3 500 kg/h)。

由圖6可知：儲(chǔ)罐預(yù)冷3 h后罐壁最低溫度為264 K，冷卻速率為3 K/h；預(yù)冷6 h后罐壁最低溫度為257 K，冷卻速率為2.7 K/h；預(yù)冷10 h后罐壁最低溫度為249 K，接近第二階段預(yù)冷目標(biāo)溫度，冷卻速率為2.4 K/h，低于規(guī)范要求的3 K/h；儲(chǔ)罐冷卻速率隨著儲(chǔ)罐預(yù)冷時(shí)間的推移逐漸減小。因此，實(shí)際預(yù)冷時(shí)需調(diào)節(jié)預(yù)冷介質(zhì)流量，使預(yù)冷過程保持在冷卻速率范圍內(nèi)，提高預(yù)冷效率。儲(chǔ)罐預(yù)冷第二階段完成，轉(zhuǎn)為下一階段預(yù)冷。

預(yù)冷階段三(213.15 K BOG預(yù)冷過程)：氣體預(yù)冷模擬時(shí)間設(shè)置為10 h，先確定進(jìn)料口處的質(zhì)量流量。用FLUENT軟件分別試算：1.11 kg/s(約4 000 kg/h)、1.25 kg/s(約4 500 kg/h)、1.389 kg/s(約5 000 kg/h)、1.528 kg/s(約5 500 kg/h)。1 h內(nèi)溫度監(jiān)控點(diǎn)的冷卻速率分別為：2 K/h、3 K/h、3 K/h、4 K/h；10 h內(nèi)溫度監(jiān)控點(diǎn)的平均冷卻速率分別為：1.7 K/h、2.1 K/h、2.6 K/h、2.7 K/h，如圖7所示，由此得出預(yù)冷介質(zhì)溫度為213.15 K時(shí)的最佳入口流量為1.389 kg/s(約5 000 kg/h)。

由圖8可知：儲(chǔ)罐預(yù)冷3 h后罐壁最低溫度為234 K，冷卻速率為3 K/h；預(yù)冷6 h后罐壁最低溫度為225 K，冷卻速率為3 K/h；預(yù)冷10 h后罐壁最低溫度為217 K，接近第三階段預(yù)冷目標(biāo)溫度，冷卻速率為2.6 K/h，低于規(guī)范要求的3 K/h；儲(chǔ)罐冷卻速率隨著儲(chǔ)罐預(yù)冷時(shí)間的推移逐漸減小。因此，實(shí)際預(yù)冷時(shí)需調(diào)節(jié)預(yù)冷介質(zhì)流量，使預(yù)冷過程保持在冷卻速率范圍內(nèi)，提高預(yù)冷效率。10 h后罐壁溫度接近入口溫度，儲(chǔ)罐預(yù)冷第三階段完成，轉(zhuǎn)為下一階段預(yù)冷。

預(yù)冷階段四(183.15 K BOG預(yù)冷過程)：氣體預(yù)冷模擬時(shí)間設(shè)置為10 h，先確定進(jìn)料口處的質(zhì)量流量。用FLUENT軟件分別試算：1.944 kg/s(約7 000 kg/h)、2.083 kg/s(約7 500 kg/h)、2.22 kg/s(約8 000 kg/h)、2.5 kg/s(約9 000 kg/h)。1 h內(nèi)溫度監(jiān)控點(diǎn)的冷卻速率分別為：2 K/h、3 K/h、3 K/h、5 K/h；10 h內(nèi)溫度監(jiān)控點(diǎn)的平均冷卻速率分別為：1.4 K/h、1.8 K/h、2.1 K/h、2.8 K/h，如圖9所示，由此得出預(yù)冷介質(zhì)溫度為183.15K時(shí)的最佳入口流量為2.22～2.5 kg/s(約8 000～9 000 kg/h)。

由圖10可知：儲(chǔ)罐預(yù)冷3 h后罐壁最低溫度為204 K，冷卻速率為3 K/h；預(yù)冷6 h后罐壁最低溫度為196 K，冷卻速率為2.8 K/h；預(yù)冷10 h后罐壁最低溫度為192 K，與第四階段預(yù)冷目標(biāo)溫度183 K相差9 K，冷卻速率為2.1 K/h，低于規(guī)范要求的3 K/h；儲(chǔ)罐冷卻速率隨著儲(chǔ)罐預(yù)冷時(shí)間的推移逐漸減小。6 h后儲(chǔ)罐冷卻緩慢，10 h后沒有達(dá)到第四階段的預(yù)冷目標(biāo)溫度。理論分析得出，在儲(chǔ)罐溫度降低到193～209 K時(shí)，為保證冷卻速率需提高預(yù)冷介質(zhì)的流量。因此，在第四階段預(yù)冷3 h后，應(yīng)提高預(yù)冷介質(zhì)流量，從而保證第四階段預(yù)冷順利完成。實(shí)際預(yù)冷時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況不斷調(diào)節(jié)預(yù)冷介質(zhì)流量，使預(yù)冷過程中的冷卻速率滿足規(guī)范要求，使儲(chǔ)罐預(yù)冷順利高效地完成。

儲(chǔ)罐預(yù)冷第四階段完成后，轉(zhuǎn)為下一階段預(yù)冷。預(yù)冷階段五(153.15 K BOG預(yù)冷過程)：氣體預(yù)冷模擬時(shí)間設(shè)置為10 h，先確定進(jìn)料口處的質(zhì)量流量。用FLUENT軟件分別試算：2.778 kg/s(約10 000 kg/h)、2.917 kg/s(約10 500 kg/h)、3.056 kg/s(約11 000 kg/h)、3.333 kg/s(約12 000 kg/h)。溫度監(jiān)控點(diǎn)的冷卻速率分別為：3 K/h、3 K/h、4 K/h、6 K/h；10 h內(nèi)溫度監(jiān)控點(diǎn)的平均冷卻速率分別為：1.9 K/h、2 K/h、2.3 K/h、2.9 K/h，如圖11所示。建議預(yù)冷介質(zhì)溫度為153.15 K時(shí)的入口流量為3.056 kg/s(約11 000 kg/h)。

由圖12可知：儲(chǔ)罐預(yù)冷3 h后罐壁最低溫度為173 K，冷卻速率為3.1 K/h；預(yù)冷6 h后罐壁最低溫度為165 K，冷卻速率為3 K/h；預(yù)冷10 h后罐壁最低溫度為160 K，接近第五階段預(yù)冷目標(biāo)溫度，冷卻速率為2.3 K/h，低于規(guī)范要求的3 K/h；儲(chǔ)罐冷卻速率隨著儲(chǔ)罐預(yù)冷時(shí)間的推移逐漸減小。因此，應(yīng)加大流量，繼續(xù)預(yù)冷，直至罐壁溫度達(dá)到153 K時(shí)，標(biāo)志第五階段氣體預(yù)冷完成。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)節(jié)入口流量，提高冷卻速率。

由以上5個(gè)預(yù)冷階段模擬結(jié)果可知，各階段初始時(shí)冷卻速率符合規(guī)范要求，隨著預(yù)冷時(shí)間的推移，冷卻速率均呈減小趨勢。因此，實(shí)際儲(chǔ)罐預(yù)冷時(shí)，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注測溫元件的讀數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場情況不斷調(diào)節(jié)預(yù)冷介質(zhì)流量，使預(yù)冷過程冷卻速率保持在規(guī)定范圍內(nèi)，提高儲(chǔ)罐的預(yù)冷效率。通過FLUENT模擬不同入口流量下的儲(chǔ)罐溫降分布，根據(jù)規(guī)范要求，得出不同階段的建議參考入口流量，見表1。

當(dāng)?shù)蜏貧怏w預(yù)冷的5個(gè)預(yù)冷階段結(jié)束后，轉(zhuǎn)入低溫LNG液體預(yù)冷，直至達(dá)到預(yù)冷標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定溫度。

(2) 儲(chǔ)罐預(yù)冷壓力場分布。由圖13可知:LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷過程中，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力沿X、Y軸方向無明顯壓力梯度，壓力基本一致；沿重力方向存在較明顯壓力梯度，出口處壓力最小。罐底壓力最高為13.8 kPa，罐頂壓力最低為13.2 kPa，罐內(nèi)最大壓差為0.6 kPa。分析其原因是低溫氣體重力因素造成的壓力降。整個(gè)預(yù)冷過程中罐內(nèi)壓力波動(dòng)較小，維持在13 kPa左右，低于儲(chǔ)罐初始設(shè)置的15 kPa，不存在超壓風(fēng)險(xiǎn)。通過調(diào)節(jié)出口閥門開度控制儲(chǔ)罐壓力，避免出現(xiàn)超壓風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 論

(1) LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷過程根據(jù)規(guī)范要求，冷卻速率控制在3～5 K/h內(nèi)，罐內(nèi)任意兩處測溫點(diǎn)溫差不超過30 K，將預(yù)冷過程分為293 K→273 K、273 K→243 K、243 K→213 K、213 K→183 K、183 K→153 K五個(gè)階段。第一階段建議參考入口流量為2 500 kg/h、第二階段為3 500 kg/h、第三階段為5 000 kg/h、第四階段為8 000 kg/h、第五階段為10 500 kg/h，每個(gè)階段可以根據(jù)其對應(yīng)的流量范圍調(diào)節(jié)入口流量值，既可以保證冷卻速率，避免溫降過快對儲(chǔ)罐產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，破壞儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)，又可以提高預(yù)冷效率，節(jié)約成本。

(2) 儲(chǔ)罐罐壁靠近罐底的位置溫降最快，罐內(nèi)氣體溫降大于內(nèi)罐溫降?，F(xiàn)場預(yù)冷操作時(shí)，需注意罐壁下面靠近卸料入口的位置的溫度監(jiān)控點(diǎn)的溫度。隨著預(yù)冷時(shí)間推移，冷卻速率均呈減小趨勢。因此，實(shí)際預(yù)冷時(shí)需調(diào)節(jié)預(yù)冷介質(zhì)流量，使預(yù)冷過程保持在冷卻速率范圍內(nèi)，提高預(yù)冷效率。5個(gè)預(yù)冷階段儲(chǔ)罐外壁溫度始終維持在293～300 K范圍內(nèi)，儲(chǔ)罐保溫層保溫性能達(dá)到要求。

(3) 整個(gè)預(yù)冷過程結(jié)束后，沿Z軸方向壓力梯度不大，罐內(nèi)壓力低于設(shè)計(jì)壓力的上限(29 kPa)，因此，儲(chǔ)罐預(yù)冷過程中不存在超壓的風(fēng)險(xiǎn)。

(4) LNG儲(chǔ)罐數(shù)值模擬彌補(bǔ)了數(shù)學(xué)理論分析的不足。模擬結(jié)果顯示了儲(chǔ)罐預(yù)冷過程中儲(chǔ)罐的溫度分布云圖，得到儲(chǔ)罐預(yù)冷過程中的溫度的分布規(guī)律。最先接觸冷氣的罐底最先降溫，罐壁靠近罐底的位置溫降快于罐壁靠近罐頂?shù)奈恢?，為?chǔ)罐建造中溫度檢測器的安裝位置、熱角保護(hù)的設(shè)置、保溫層的鋪設(shè)等提供參考。

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