全容式LNG儲罐罐體溫度場計算及分析

1、全容式LNG儲罐罐體溫度場計算及分析李海潤1 李兆慈2 徐嘉爽11.中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司西南分公司，四川 成都 6100172.中國石油大學（北京），北京 昌平 102249摘 要 全容式LNG儲罐是目前國內(nèi)LNG接收站普遍采用的罐型，LNG儲罐儲存低溫液體，內(nèi)外溫差較大，罐體結(jié)構(gòu)復雜，其溫度場分布對儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計有重要影響。以國內(nèi)某一LNG接收站的全容式儲罐為例，通過對儲罐底部、罐壁和頂部結(jié)構(gòu)及傳熱過程的分析，建立了罐體各部位溫度場計算模型，利用ANSYS軟件計算了得到了LNG儲罐罐頂、罐壁、罐底的溫度場分布，并對計算結(jié)果進行了分析。儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計時應考慮儲罐絕熱層與內(nèi)罐體接觸部位

2、熱應力影響；同時注意優(yōu)化儲罐底部的結(jié)構(gòu)，可以有效降低罐底漏熱量。關(guān)鍵詞： LNG；全容式儲罐；溫度；ANSYS文獻標識碼：ATemperature distribution calculation and analysis for full containment LNG tankLihairun, Xujiashuang(China Petroleum Engineering Co., Ltd. Southwest Company, Chengdu, Sichuan, 610017 China)Lizhaoci(China University of Petroleum (Beijing),

3、 Beijing 102249)Abstract: Full containment LNG tanks are widely adopted in Chinese LNG receiving terminals. LNG tanks are used as storing cryogenic fluid, its large temperature difference between the inside and outside and complicated structure, so temperature distribution has great effect on tank s

4、tructure design. A full containment LNG tank of a LNG receiving terminal in china was selected as the object, the structure and heat transfer process of tank body were analyzed, the temperature distribution calculation model was established, the temperature distribution of the top, the wall and the

5、bottom of the tank were calculated by ANSYS and the calculation results were analyzed. The design of tank structure should be considered thermal stress influence of contact spot between the insulation layer and inner tank; at the same time, the optimization of the tank bottom structure can effective

6、ly reduce the tank bottom heat leakage. Key words: LNG; full containment tank; temperature; ANSYS0 前言隨著國內(nèi)天然氣需求量的不斷增加，通過船運從國外進口LNG的量近年不斷攀升，與之相配套的LNG接收站建設(shè)也迅速發(fā)展。中海油廣東大鵬、福建和上海LNG接收站已建成投產(chǎn)，浙江LNG接收站正在建設(shè)，后續(xù)粵東、海南、珠海和深圳LNG接收站正在籌建中，中石油投資建設(shè)的江蘇、大連、唐山LNG正在建設(shè)中，中石化青島LNG項目已開始建設(shè)，國內(nèi)還有一批后續(xù)項目正在進行規(guī)劃1。LNG儲罐是接收站最重要的設(shè)備，屬常壓、

7、超低溫大型烴類儲罐，全容式儲罐是目前普遍采用的罐型。一般情況下，LNG是常壓儲存的，儲存溫度約為-162。由于儲罐內(nèi)部與環(huán)境存在巨大溫差，并且大型LNG儲罐的罐底和罐壁、罐頂與罐壁處的連接處結(jié)構(gòu)較為復雜，在此處形成溫度梯度會產(chǎn)生熱應力，又會在低溫部位影響儲罐的機械性能2。為此，對大型全容式LNG儲罐的溫度場進行計算對儲罐的設(shè)計有重要意義。目前，國內(nèi)外對LNG儲存設(shè)施溫度場的研究主要集中在LNG船和小型LNG儲罐上，對LNG接收站中大型儲罐的溫度場研究還比較少。馮武文等人對LNG船船體溫度分布做了詳細研究3。上海交通大學對低溫容器的熱力研究做得比較多。楊敏之等人利用有限元法和邊界元法計算液化氣船

8、低溫液罐鞍座的溫度場4；汪順華等人采用數(shù)值差分法求解出低溫儲罐絕熱層內(nèi)部溫度變化規(guī)律5。邱林等人對LNG船遇冷過程前后液貨艙內(nèi)氣體溫度分布進行了計算6。在國外，Q.-S.Chen等人對LNG加氣站中LNG低溫儲罐內(nèi)的溫度和壓力的變化進行了分析7。D.Boukeffa等人以一個液氮容器頸管為研究對象，對頸管壁的溫度場進行了研究實驗測量和數(shù)值計算8。O. Khemis等人對低溫容器傳熱進行了實驗研究 9 。1 全容式LNG儲罐基本結(jié)構(gòu)目前我國正在建設(shè)或已經(jīng)投入使用的大型LNG儲罐均為全容式LNG儲罐。全容式LNG儲罐通常由預應力混凝土外罐和9%Ni鋼內(nèi)罐構(gòu)成。LNG存放在內(nèi)側(cè)有剛性加強結(jié)構(gòu)的敞口垂

9、直圓柱體內(nèi)罐中，外罐的作用是抵抗內(nèi)罐可能受到的外部沖擊和儲存由于偶然原因從內(nèi)罐中滲漏出的液化天然氣，以增強儲罐的總體安全性10。內(nèi)罐與外罐之間填充絕熱材料，主要為膨脹珍珠巖、彈性氈及泡沫玻璃磚等。儲罐支承在360根直徑1.2 m深度不等的鋼筋混凝土灌注樁基上，每根樁頂部根據(jù)需要可安裝防震橡膠墊。本文以國內(nèi)某一接收站的全容式LNG儲罐為研究對象，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該LNG儲罐的最大工作容積為160000m3，內(nèi)罐高度為36.315m，內(nèi)罐半徑為40m，外罐高度為38.55m，外罐半徑為42m，拱頂高度為10.983m。圖1 全容式LNG儲罐基本結(jié)構(gòu)LNG儲罐罐底與罐壁的材料及相關(guān)參數(shù)見表1和

10、表2。表1 罐底材料參數(shù)序號材料厚度/mm導熱系數(shù)/W·m-1·K-119%Ni鋼內(nèi)罐底板630.752混凝土找平層98.51.4539%Ni鋼二次罐底630.754混凝土找平層1031.455油氈30.6996第一層泡沫玻璃磚1500.0487油氈30.6998第二層泡沫玻璃磚1500.0489油氈30.69910第三層泡沫玻璃磚1500.04811油氈30.69912混凝土找平層991.451316MnDR外罐底板64814混凝土底部承臺9001.45表2 罐壁材料參數(shù)序號材料厚度/mm導熱系數(shù)/W·m-1·K-119%Ni鋼內(nèi)罐壁1227.530.

11、752彈性氈2900.0433膨脹珍珠巖7000.0424416MnDR外罐金屬襯板10485預應力混凝土壁10001.45罐頂是由混凝土拱頂、型鋼梁、吊架、膨脹珍珠巖保溫層和鋁吊頂組成，其中混凝土拱頂?shù)暮穸绕骄鶠?00mm，膨脹珍珠巖鋪設(shè)在鋁吊頂上面，厚度為1000mm，鋁吊頂?shù)暮穸葹?mm。2 罐體傳熱過程分析大型LNG儲罐一般采用常壓儲存，儲存溫度為-162。由于與外界環(huán)境存在著巨大溫差，罐內(nèi)液體不可能與外界完全絕熱，這樣外界熱量不可避免的通過儲罐罐體進入罐內(nèi)。全容式LNG儲罐結(jié)構(gòu)復雜，罐體傳熱包括導熱、對流和輻射多種傳熱方式共存，為簡化計算過程，方便建立模型，進行以下假設(shè)：1)儲罐內(nèi)L

12、NG處于飽和均質(zhì)狀態(tài)，不同液位高度下的溫度等于該靜壓力下的飽和溫度，蒸發(fā)氣的溫度為110K；2)所有材料各向同性，忽略溫度變化對材料導熱系數(shù)的影響；3)由于內(nèi)罐底板、二次罐底、外罐底板和鋁吊頂?shù)暮穸认鄬τ诮^熱層厚度而言極薄，且其導熱系數(shù)相對于絕熱材料而言又很大，因此可以忽略這些材料的熱阻；計算時取空氣的對流換熱系數(shù)為25W/(m2·K)，蒸發(fā)氣的對流換熱系數(shù)為15W/(m2·K)，甲烷的導熱系數(shù)為0.03 W/(m·K)，LNG密度為450kg/m3。運用ANSYS計算罐體溫度場可以分為三步：1)建立幾何模型并進行網(wǎng)格劃分；2)施加邊界條件并求解；3)通過后處理，

13、輸出結(jié)果，包括溫度分布、熱流密度分布等11。3 罐體溫度場計算模型建立求解低溫條件下的傳熱問題，一般都是從質(zhì)量、動量和能量守恒定律推導出熱傳導偏微分方程和積分方程，然后進行求解，但在初始條件和邊界條件下求解這樣的方程是較困難的。目前，通常采用有限差分法、有限元法和邊界元法進行數(shù)值計算。在這幾種算法中，有限單元法的應用最廣泛，而ANSYS是目前最流行的有限元計算軟件之一。在運用ANSYS計算罐體溫度場之前，運用傳熱學理論和有限元理論建立罐體溫度場的有限元模型。根據(jù)Fourier傳熱定律和能量守恒定律，可以建立熱傳導問題的控制方程，即物體的瞬態(tài)溫度場應滿足以下方程： (1)式中 材料密度，kg/m

14、3；材料的比熱容，J/(kg·K)；x方向的熱傳導系數(shù)，W/(m·K)；y方向的熱傳導系數(shù)，W/(m·K)；z方向的熱傳導系數(shù)，W/(m·K)；內(nèi)熱源強度，W/m3。一般傳熱問題的初始條件為： (2)相應的變分為，在滿足邊界條件一（）、二（）、三（）及初始條件的許可溫度場中，真實的溫度場使以下泛函I取極小值： (3)式中 第一類熱力學邊界，溫度邊界；第二類熱力學邊界，熱流密度邊界；第三類熱力學邊界，對流換熱邊界；研究對象。在實際問題處理過程中，邊界條件二和三較難滿足，因此可將這兩個條件耦合進上述泛函式：(4)式中 對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)

15、；環(huán)境溫度，K；邊界S2上給定的熱流密度，W/m2。對于穩(wěn)態(tài)問題，溫度不隨時間變化，有。將物體離散為單元體，即，在單元體內(nèi)，可根據(jù)節(jié)點數(shù)來確定單元溫度場的函數(shù)模式，即將單元溫度場表示為節(jié)點溫度的插值關(guān)系，有： (5)式中 節(jié)點溫度列陣節(jié)點溫度形狀函數(shù)矩陣將節(jié)點溫度場表達式代入耦合泛函式，并求其變分極值，則有： (6)式中 節(jié)點溫度列陣；單元熱傳導矩陣；單元節(jié)點等效溫度載荷列陣。方程是單元熱傳導方程。大型全容式LNG儲罐日蒸發(fā)率很小，可以近似認為罐體的傳熱是穩(wěn)態(tài)的。在穩(wěn)態(tài)分析中罐體上任何一個節(jié)點的溫度都不隨時間變化。通過上面推導出的單元熱傳導方程可以得到罐體穩(wěn)態(tài)熱分析的熱傳導方程： (7)式中

16、傳導矩陣；節(jié)點溫度向量；節(jié)點熱流率向量。ANSYS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，生成。4 罐體溫度場計算與分析假設(shè)儲罐液位處于最大操作液位34.212m，儲存壓力為1標準大氣壓，可以對儲罐各部位的溫度場進行計算。4.1 罐底溫度場計算與分析選取罐底的一個縱截面建立模型，輸入相關(guān)材料參數(shù)，選用PLANE55單元，采用映射網(wǎng)格劃分對模型進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示：由于罐底截面是規(guī)則圖形，采用映射網(wǎng)格自動劃分既能提高計算速度，同時能達到較高的計算精度。網(wǎng)格劃分后施加罐底的內(nèi)外邊界。內(nèi)邊界為溫度邊界，即底部LNG溫度。該溫度對應與罐底靜壓力下的飽和溫度，運用克勞修斯克拉貝龍方程進

17、行計算得到底部LNG的溫度為122.37K。外邊界為對流換熱邊界，圖3和圖4是環(huán)境溫度為20時的罐底截面溫度分布圖和熱流密度分布圖。圖2 罐底網(wǎng)格劃分圖3 罐底溫度分布圖.4 罐底熱流密度圖3為罐底的溫度分布圖。從圖上可以看出，混凝土底部承臺導熱系數(shù)較大，上下表面的溫差較??；而上部保溫層導熱系數(shù)很小，因此保溫層兩側(cè)的溫差很大，說明絕熱材料的保溫效果很明顯。圖4為罐底的熱流密度分布。從圖上可以看出，熱流密度在截面各處大小相等，通過熱流密度圖和ANSYS輸出的數(shù)據(jù)文件可以看出，截面各處熱流密度的方向均為Y軸的反方向。4.2 罐壁溫度場計算與分析由于假設(shè)儲罐液位處于最大操作液位，儲罐內(nèi)蒸發(fā)氣層的厚度

18、只有1.3m，因此可以忽略蒸發(fā)氣與罐內(nèi)壁的對流換熱。模型建立、網(wǎng)格劃分與罐底的溫度場計算相同，但邊界條件有所不同。內(nèi)罐壁的溫度邊界不是一個恒定值，而是隨著的儲罐高度的變化而變化，因為不同高度的靜壓力不同，該靜壓力下的飽和溫度也不同，因此越接近儲罐底部，LNG的溫度就越高。同樣運用克勞修斯克拉貝龍方程計算不同高度下LNG的溫度。此外，外罐壁邊界條件是一個熱對流邊界。圖5和圖6是環(huán)境溫度為20時的罐壁截面溫度分布圖和熱流密度分布圖。圖5 罐壁溫度分布圖6 罐壁熱流密度圖5為罐壁的溫度分布圖。從圖上可以看出，罐內(nèi)壁到混凝土內(nèi)壁的溫差達到了180，混凝土內(nèi)外壁的溫差只有20，說明絕熱層很好的阻止了外界

19、熱量漏入罐內(nèi)。圖6為罐壁的熱流密度分布。從圖上可以看出，由于罐壁下部的溫差較罐壁上部的溫差小，因此，罐壁熱流密度在頂端最大，在底端最小，且從罐壁上部到罐壁下部逐漸減小。4.3 罐頂溫度場計算與分析由于罐頂?shù)膸缀涡螤畈皇呛芤?guī)則，不能采用映射網(wǎng)格劃分，因此這里采用自由網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)為0.1m。分析單元仍然選取PLANE55單元。罐頂?shù)纳舷逻吔鐥l件均為對流換熱邊界。圖7和圖8是環(huán)境溫度為20時的罐頂截面溫度分布圖和熱流密度分布圖。圖7 罐頂溫度分布圖8 罐頂熱流密度圖7為罐頂?shù)臏囟确植紙D。從圖上可以看出，溫度梯度的方向基本上垂直于拱頂?；炷镣夤揄敎亟递^小，溫度下降主要集中在吊頂保溫層和以及吊

20、頂與拱頂之間的甲烷氣體層。圖8為罐頂?shù)臒崃髅芏确植?。從圖上可以看出，拱頂大部分區(qū)域熱流密度的大小集中在0.4W/m21.1W/m2之間。拱頂兩端由于絕熱效果較差，熱流密度比拱頂中間部位大。5 結(jié)論通過對大型全容式LNG儲罐罐體的溫度場計算結(jié)果分析，可以看出儲罐絕熱層與內(nèi)罐體接觸部位存在較大的溫度梯度，因此在儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計時應考慮該處熱應力影響，同時注意內(nèi)罐體材料與絕熱層材料熱膨脹系數(shù)不同的影響。通過結(jié)算結(jié)果還可以看出，罐底的漏熱量在儲罐整個漏熱中占較大比例，主要因為內(nèi)罐底、二次罐底、絕熱層之間都有一層混凝土找平層，會使罐底的總熱阻大大減小，導致漏熱增加。因此，在設(shè)計儲罐應注意優(yōu)化罐底部的結(jié)構(gòu)。參考文獻：1 錢伯章，朱建芳.世界液化天然氣的現(xiàn)狀及展望J.天然氣與石油，2008，26(4)：34 - 38.2 王泓.LNG潛在的危害及其預防措施J.天然氣與石油，2007，25(1)：1 - 3.3 馮武文，周昊，趙軍.薄膜式液化天然氣運輸船船體溫度分布研究J.造船技術(shù)，2006，5：17.4 楊敏之，徐芳.低溫構(gòu)件的計算熱解析J.低溫與超導，1998，26(4)：52.5 汪順華，魯雪生，趙紅霞.低溫液體容器無損存儲傳熱模型J.低溫工程，2001，6：37.6 邱林.液化天然氣船液貨倉絕熱技術(shù)及傳熱計算分析D.上海：海