摘 要

摘　要：建立LNG儲罐預冷計算模型，采用MATLAB自編程序?qū)δ矻NG接收站儲罐預冷過程進行模擬，模擬了預冷過程中儲罐內(nèi)以及儲罐壁的溫度場變化。在二次回流和儲罐底部混凝土向罐內(nèi)導

摘　要：建立LNG儲罐預冷計算模型，采用MATLAB自編程序?qū)δ?span lang="EN-US">LNG接收站儲罐預冷過程進行模擬，模擬了預冷過程中儲罐內(nèi)以及儲罐壁的溫度場變化。在二次回流和儲罐底部混凝土向罐內(nèi)導熱的共同作用下，儲罐底部中心區(qū)域溫度不是隨預冷過程單調(diào)下降，而是在預冷后期出現(xiàn)階段性溫度上升。

關鍵詞：LNG接收站；　LNG儲罐；  預冷；　數(shù)值模擬

Study on Precooling Simulation of Storage Tank in LNG Receiving Station

Abstract：The model for precooling calculation of LNG storage tank is established．The simulation of the precooling process of storage tank in a LNG reeeiving station is performed using the self-compiled program based on MATLAB software．The variation of temperature fields in the storage tank and its wall in the precooling process is simulated．Under the joint action of the secondary recirculation and the heat transfer from the concrete at the bottom of the tank to the tank，the temperature in the eentral area at the bottom of the tank has a phased rise at the late period of the precooling process instead of monotonous decline with the precooling process．

Keywords：LNG receiving station：LNG storage tank；precooling；numerical simulation

 

LNG接收站的主要功能是接收、儲存和氣化LNG，由于LNG的低溫特性，在第一次LNG卸料前，需要對LNG儲罐進行預冷。預冷是確保LNG接收站順利投產(chǎn)運行的重點工作。預冷使常溫的LNG管道和儲罐達到低溫工作狀態(tài)，防止LNG突然進入常溫管道和儲罐，引起管道和儲罐急劇收縮，造成管道和儲罐損壞。另外，可以通過預冷檢驗低溫設備和管道的冷縮量、管托支撐的變化、低溫閥門的密封性、儲罐的真空性等^[1-2]。本文采用自編程序建模，使用MATLAB軟件對儲罐的預冷過程進行模擬。

1　模型的建立

1.1　物理模型

本文模擬的LNG儲罐物理模型見圖1，其中的ROZ坐標系，R代表徑向，Z代表豎直方向，O的坐標值為(0，0)。該LNG儲罐為預應力混凝土全容罐，公稱有效容積為16×10⁴m³，儲罐的外直徑為83.4m，高50.4m，內(nèi)罐直徑為80m，高度為36.9m。儲罐的外壁與環(huán)境之間是對流換熱。不考慮與氣相空間換熱，鋁吊頂為絕熱邊界。儲罐內(nèi)初始條件為BOG氣體。預冷時，LNG通過噴淋環(huán)上的噴嘴均勻地噴入儲罐，進而吸熱氣化。噴淋環(huán)直徑為13.19m，共有28個噴嘴，其中24個噴嘴均勻分布于噴淋環(huán)上，布置角度為豎直向下向環(huán)外傾斜45°，另外4個噴嘴也均勻分布于噴淋環(huán)上，布置角度為豎直向下向環(huán)內(nèi)傾斜45°。噴嘴的總噴淋量為35m³／h，噴淋區(qū)域是指噴嘴噴淋的液滴能覆蓋的最大范圍^[3]。

 

1.2　數(shù)學模型

①氣體連續(xù)性方程

 

式中g(下標)——氣相

j——體積分數(shù)

r——密度，kg／m³

t——預冷時間，s

u——速度，m／s

S——源相

②液體連續(xù)性方程

 

式中l(下標)——液相

③氣體動量方程^[4-5]

 

式中ug,R——氣相速度在尺方向的分量，m／s

p——罐內(nèi)壓力，Pa

R——R坐標值

m——黏度，Pa·s

 

式中ug,Z——氣相速度在Z方向的分量，m／s

Z——Z坐標值

g——重力加速度，m／s²

④氣體能量方程

 

式中Cp——比定壓熱容，J／(kg·K)

T——溫度，K

l——熱導率，w／(m·K)

H——氣化潛熱，J／kg

⑤儲罐壁能量方程

 

式中rb——儲罐壁的密度，kg／m³

Cp,b——儲罐壁的比定壓熱容，J／(kg·K)

Tb——儲罐壁的溫度，K

lb——儲罐壁的熱導率，W／(m·K)

1.3　模型假設

①LNG從噴嘴噴出后，速度迅速降低到下降的平衡速度，不考慮速度衰減過程。

②當液滴達到平衡速度后，液滴速度保持恒定，不考慮液滴對氣體的作用力。

③液滴在噴淋區(qū)內(nèi)沿徑向均勻分布。

④忽略液體的可壓縮性。

⑤液體處于熱力學飽和態(tài)，罐內(nèi)壓力保持恒定，因此液體吸收的熱量全部用于氣化^[6]。

2　計算方法及結果

2.1　計算方法

本文采用了有限容積法，利用MATLAB軟件編寫了數(shù)值模擬程序，對壓力場和速度場的耦合采用SIMPLE算法求解^[7-8]。

2.2　計算輸入條件

①噴嘴噴入LNG的溫度為-162℃，噴嘴的入口壓力為24kPa。

②儲罐最大溫降速率控制在5℃／h。

③儲罐的計算初始溫度為10℃，環(huán)境溫度為20℃。

④噴嘴噴淋流量恒定，為35m³／h。

2.3　計算結果與分析

計算儲罐溫度場隨著時間的變化，儲罐溫度降至-150℃左右計算終止。預冷過程中不同時刻的儲罐溫度場見圖2，圖2中溫度單位均為K。

 

從圖2可以看出，當LNG從噴嘴噴出后，首先在噴嘴出口處吸熱氣化，該區(qū)域溫度迅速降低。隨著噴淋的繼續(xù)，低溫氣體向下運動，到達儲罐底面后沿底面向四周擴散，運動到側壁后又沿側壁向上爬升，溫度較低的氣體和內(nèi)罐壁面發(fā)生對流換熱，從而達到對儲罐預冷的目的。不同時刻儲罐各監(jiān)測點的溫度見表1。

從表1可以看出，隨著預冷時間的延長，儲罐各監(jiān)測點的溫度逐漸降低至-150℃左右，預冷儲罐約需60h，噴淋流量為35m³／h，因此整個預冷過程需消耗LNG2100m³。

 

點(0，0)處的溫度隨預冷時間的變化見圖3，預冷57h后儲罐底部沿徑向的溫度分布見圖4。從圖3可以看出，儲罐底部中心(即點(0，0)處)的溫度并不是隨著預冷過程的進行而一直降低的，當儲罐底部溫度降低到一定程度后，底部中心出現(xiàn)了溫度不降反升的現(xiàn)象。從圖4也可以看出，底部中心區(qū)域的溫度高于其他位置(除靠近側壁處)。這是因為噴淋的液滴到達儲罐底面后，在底面氣化，產(chǎn)生的氣體無法及時沿底面向四周擴散，積聚在儲罐底部的中心區(qū)域，形成二次回流，二次回流阻礙了儲罐底面與內(nèi)部低溫氣體的對流換熱。同時，底部的混凝土向內(nèi)部的導熱還在繼續(xù)，因此在二次回流區(qū)出現(xiàn)了溫度不降反升的現(xiàn)象。隨著預冷的繼續(xù)，底部混凝土的熱量充分釋放，液滴在儲罐底面處的氣化量減小，產(chǎn)生的新氣體量減少，二次回流區(qū)逐漸被壓縮，底部中心區(qū)域的溫度又重新下降。

 

 

在預冷的前期，底部中心區(qū)域沒有出現(xiàn)溫度上升是因為前期罐內(nèi)氣相溫度較高，液滴未運動到儲罐底部前就已完全氣化，無法形成二次回流。

儲罐底部靠近側壁處的溫度明顯高于其他區(qū)域，是因為該位置靠近儲罐底部與側壁的角接區(qū)域，角接區(qū)域向儲罐內(nèi)的導熱作用使得附近區(qū)域溫度降低緩慢。

3　結論

①LNG接收站儲罐第一次進料之前需要進行預冷，現(xiàn)階段國內(nèi)LNG儲罐預冷計算方面沒有成熟的計算模型，本文建立了LNG儲罐預冷計算模型，采用MATLAB自編程序進行模擬，模擬了預冷過程中儲罐內(nèi)以及儲罐壁的溫度場變化。

②針對LNG儲罐噴淋預冷過程，儲罐底部中心的溫度并不是隨著預冷過程的進行而一直降低的，當儲罐底部溫度降低到一定程度后，底部中心出現(xiàn)了溫度不降反升的現(xiàn)象。這是二次回流和底部混凝土向罐內(nèi)導熱共同作用的結果。

③對公稱有效容積為16×10⁴m³的儲罐，在儲罐最大溫降速率控制在5℃／h的條件下，當噴淋流量為35m³／h時，將儲罐溫度預冷至-150℃大概需要60h，整個預冷過程需消耗LNG 2100m³。

 

參考文獻：

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[8]陶文銓．計算傳熱學的近代進展[M]．北京：科學出版社，2000．

 

本文作者：劉萬山  盧超  呂俊

作者單位：中海浙江寧波液化天然氣有限公司