大型LNG儲罐整體溫度場分析的參數(shù)化建模和計算

萬里平，武銅柱，李曉琳

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

作為一種綠色清潔能源，液化天然氣的工業(yè)應用日益廣泛。目前國內對于天然氣的需求增長迅速，正進行大批LNG 接收站的設計和建設。

LNG接收站主要儲存設備為大型低溫LNG儲罐。由于儲罐存儲介質溫度極低，約為-165 ℃，與罐體外部環(huán)境溫度相差巨大，因此，儲罐罐體的保冷結構設計尤為重要。通常情況下，罐體的保冷結構主要由罐底保冷、內外罐之間保冷、儲罐吊頂保冷等幾部分組成，各部分因考慮不同的溫差和相應的強度需求，需設置不同的保冷材料。前人在儲罐溫度場分析方面做了大量工作，朱鴻梅等【1】研究了LNG儲罐角部絕熱保冷結構的重要性；王明伍等【2】研究了不同環(huán)境溫度和不同泄漏工況下，熱角保護處的溫度場；李兆慈等【3】計算了穩(wěn)態(tài)工況下儲罐的溫度場，分析了不同環(huán)境溫度、液位高度和對流換熱系數(shù)對儲罐溫度場分布的影響。

LNG儲罐的大型化是大勢所趨，溫度場計算是儲罐設計的重點之一，為避免重復建模，并提高工程技術人員的計算效率，本文介紹了儲罐整體溫度場參數(shù)化建模計算，分析了不同環(huán)境溫度下儲罐的溫度場分布情況，研究了介質發(fā)生泄漏的異常工況下儲罐的溫度場情況。

1 模型介紹

外罐為預應力混凝土罐的低溫儲罐保溫結構復雜，其保溫結構主要由以下幾部分組成：

1) 罐底保冷，由混凝土或珍珠巖混凝土圈梁、素混凝土層、泡沫玻璃磚及高強度泡沫玻璃磚等組成；

2) 熱角保護，由泡沫玻璃磚和玻璃棉氈組成；

3) 罐壁保冷，由彈性氈和膨脹珍珠巖組成；

4) 吊頂保冷，主要結構為玻璃棉氈。

圖1所示為某預應力混凝土外罐的LNG儲罐結構，該儲罐基礎采用無伴熱的架空承臺形式。本文以該儲罐為例進行參數(shù)化建模介紹和異常工況分析。

金屬內罐壁板與保冷結構(如泡沫玻璃磚彈性氈等)相比，厚度方向尺寸差別較大，在模型網(wǎng)格劃分時，如果兩者同時出現(xiàn)，網(wǎng)格質量難以保證。由于金屬的導熱系數(shù)較大，壁厚與保溫結構相比較小，因此，熱量通過金屬壁板時，溫度梯度較小，在對預應力混凝土罐進行整體溫度場分析時，可以忽略金屬壁板的厚度對熱傳導的影響，不必考慮金屬壁板的模型。

圖1 預應力混凝土罐結構示意

外罐為預應力混凝土罐的LNG儲罐保冷結構幾何參數(shù)很多，對于本文分析的罐體，共整理出48個幾何尺寸參數(shù)。圖2所示為罐底保冷部分參數(shù)。實際使用時，工程人員將各尺寸參數(shù)輸入表中，然后將Excel表生成可以被ANSYS軟件讀取的文本文件，以達到高效輸入尺寸數(shù)據(jù)的目的。

圖2 罐底保冷幾何參數(shù)示例

對于儲罐的溫度場分析，由于幾何模型和溫度載荷都是軸對稱的，所以本文選用二維熱分析單元PLANE55。該單元具有4個節(jié)點，每個節(jié)點只有1個自由度，適用于穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析，也可以考慮由常速流動的質量所輸送的熱流。其單元幾何圖形如圖3所示。

對儲罐進行網(wǎng)格劃分。穩(wěn)態(tài)熱分析對于網(wǎng)格密度的要求較結構分析寬松，考慮本結構中不同保冷結構的尺寸差別較大，對于厚度方向小于20 mm 的線，劃分為1個單元， 其余面按總體尺寸50 mm劃分， 保證每個單元的長寬比不大于5， 以保證計算的合理性。本儲罐網(wǎng)格模型見圖4。

圖3 儲罐溫度場分析使用單元PLANE55

2 整體溫度場分析的多種工況計算

預應力混凝土儲罐溫度場分布情況隨環(huán)境平均氣溫不同而不同，因此，一年內不同季節(jié)，環(huán)境氣溫的變化及太陽熱輻射強度變化，儲罐的溫度場也會隨之發(fā)生改變。實際運行過程中，儲罐可能出現(xiàn)介質泄漏的異常工況，包括輕微泄漏、中度泄漏和重度泄漏。

圖4 儲罐網(wǎng)格模型

其中，輕微泄漏為TCP底部2 m范圍內的液體泄漏量；中度泄漏為在TCP和外罐連接點封板以上6 m的液體泄漏量；重度泄漏為內罐失效情況下，外罐承受全部罐內LNG液體。

采用參數(shù)化模型，可以方便工程技術人員對不同泄漏情況的溫度場進行快速計算。下面對介質泄漏的異常工況進行溫度場分析，了解儲罐在異常工況出現(xiàn)時，罐體各部位的溫度分布情況。

在溫度場分析之前，對熱分析涉及的邊界進行簡要說明。本文模型熱分析的邊界條件涉及了傳熱的3種形式：傳導、對流、輻射。

1) 熱傳導

當1個物體內部或連續(xù)的物體之間存在溫度梯度，能量就會由高溫區(qū)向低溫區(qū)轉移，這樣的傳熱方式稱為熱傳導。傅立葉定律給出了熱傳導的計算公式，見式(1)。

(1)

式中：q——熱流量，W；

k——導熱系數(shù)，W/(m·℃)；

A——傳熱面積，m2；

對于預應力混凝土罐的模型，同一種保冷結構內部的傳熱、不同保冷結構之間的傳熱都屬于熱傳導。

2) 熱對流

對流傳熱采用牛頓冷卻定律計算：

Q=λA(Tw-T∞)

(2)

式中：λ——對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

Tw——固體壁面溫度，℃；

T∞——流體溫度，℃。

儲罐內部介質與內罐壁和內罐底之間的傳熱、外罐壁與環(huán)境中的空氣之間的傳熱，都屬于對流傳熱。

3)熱輻射

輻射傳熱與前面兩種傳熱方式不同。傳導和對流都與介質有關，而輻射傳熱則是高溫物體產生電磁波，向外發(fā)射能量而產生的傳熱。物體之間的輻射傳熱可以采用斯蒂藩-玻耳茲曼定律計算：

q=

(3)

Fθ——形狀系數(shù)的函數(shù)；

σ——斯蒂藩-玻耳茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；

T1、T2——發(fā)生輻射傳熱的兩個物體的溫度，K。

吊頂保冷上表面與罐頂混凝土下表面的傳熱屬于輻射傳熱。

2.1 載荷邊界條件說明

進行溫度場計算時，預應力混凝土外儲罐的工況很多，而內罐罐內介質溫度條件單一。罐體外部環(huán)境在不同季節(jié)、一天中不同時刻均不相同。通常，對于1臺儲罐，至少需要計算12種工況，見表1。本文選擇其中的工況1～工況4進行研究。

表1 泄漏工況組合

儲罐共6項溫度載荷邊界，其中邊界1是內部介質與內罐壁、內罐底的對流邊界；邊界2是介質液位以上區(qū)域，氣相介質與內罐壁和吊頂?shù)椎膶α鬟吔纾贿吔?是氣相與吊頂上部和外罐頂?shù)妮椛溥吔?；邊?～邊界6是空氣分別與外罐頂、外罐壁和外罐底對流傳熱的邊界。6項邊界所在位置見圖5。

工況1～工況4的溫度場載荷邊界示意見圖6。從圖6中可以看到，對應輕度泄漏、中度泄漏和重度泄漏，內外罐之間膨脹珍珠巖與浸沒于介質的高度逐漸升高。這里需要說明，本文僅定性給出研究結果，實際工程中，隨著環(huán)境溫度、風速和操作工況的變化，對流邊界條件也可能發(fā)生變化。本文的邊界條件滿足實際工程邊界條件的合理范圍。

2.2 計算結果分析

對工況1～工況4進行計算，得到各工況下儲罐的溫度場分布。下面對其進行對比分析。

圖5 儲罐溫度場分析邊界條件示意

首先看工況1，即年平均氣溫環(huán)境下，未發(fā)生泄漏的情況。圖7中a)是儲罐整體溫度場分布云圖，圖b)是熱角保護區(qū)溫度場分布云圖。

圖6 工況1～工況4的溫度場載荷邊界示意

從圖7中可以看出，罐體在正常無泄漏工況下運行時，保冷效果良好，最高溫度位于罐頂，外罐壁溫度與環(huán)境溫度差異不大。熱角保護處的結構可以有效保冷，外罐底溫度接近環(huán)境溫度。

工況2～工況4是介質出現(xiàn)泄漏的異常工況，圖8給出了這3種工況下熱角保護區(qū)及泄漏部位附近的溫度場分布云圖。由圖8可以看出，當發(fā)生輕微泄漏時，熱角保護結構可以有效阻止冷量向外擴散，外壁溫度仍接近環(huán)境溫度；當發(fā)生中度泄漏時，泄漏部位的罐壁溫度大幅降低，外罐壁外側溫度低于零度，若環(huán)境濕度達到一定數(shù)值，將出現(xiàn)結露現(xiàn)象；當發(fā)生完全泄漏場，整個外罐壁，除熱角保護附近溫度與環(huán)境溫度接近，其余部位溫度均大幅降低，低于零度。輕度泄漏時，由于有熱角保護的保溫結構，泄漏介質的汽化量變化相對小，泄漏液位上部的傳熱影響與中度和重度泄漏比，相對較??；但中度和重度泄漏時，泄漏介質在珍珠巖區(qū)域會大量汽化，對液位以上保冷層的傳熱影響非常大，這一過程傳熱計算非常復雜，后續(xù)可做深入研究。

圖7 工況1下的儲罐溫度場分布

圖8 工況2～工況4下的儲罐溫度場分布

工程中出現(xiàn)完全泄漏工況概率極小，輕度泄漏和中度泄漏偶有發(fā)生，因此，需要重點關注這兩種泄漏工況，尤其是中度泄漏的介質高度，以確定合理的熱角保護高度，保證儲罐的安全運行。

3 結語

在溫度場計算過程中，通過對外罐為預應力混凝土的LNG儲罐進行參數(shù)化建模，計算了異常泄漏工況下儲罐的溫度場分布情況。

對于泄漏工況，按照不同環(huán)境溫度和泄漏程度，可以計算12種工況。本文選擇工況1～工況4進行計算。當發(fā)生輕微泄漏時，熱角保護結構可以有效阻止冷量向外擴散；當發(fā)生中度泄漏時，外罐壁外側溫度低于零度，若環(huán)境濕度達到一定數(shù)值，將出現(xiàn)結露現(xiàn)象；當發(fā)生完全泄漏時，除熱角保護附近溫度與環(huán)境溫度接近，其余部位溫度均大幅降低，低于零度。對于中度和重度泄漏工況，泄漏介質在珍珠巖區(qū)域會大量汽化，對液位以上保冷層的傳熱影響非常大，這一過程的傳熱計算非常復雜，可進一步做深入研究。

本文顯示了參數(shù)化建模在儲罐溫度場計算中的便利性，文中所列工況僅是工程中可能發(fā)生的幾種工況案例，而儲罐實際運行過程中，泄漏程度都是隨機出現(xiàn)的，參數(shù)化的模型和載荷邊界輸入，可以幫助工程人員迅速完成相關溫度場計算，保證設計合理性，提高設計工作效率。