全容式LNG储罐罐体温度场计算及分析

1、全容式LNG储罐罐体温度场计算及分析李海润1 李兆慈2 徐嘉爽11.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 6100172.中国石油大学（北京），北京 昌平 102249摘 要 全容式LNG储罐是目前国内LNG接收站普遍采用的罐型，LNG储罐储存低温液体，内外温差较大，罐体结构复杂，其温度场分布对储罐的结构设计有重要影响。以国内某一LNG接收站的全容式储罐为例，通过对储罐底部、罐壁和顶部结构及传热过程的分析，建立了罐体各部位温度场计算模型，利用ANSYS软件计算了得到了LNG储罐罐顶、罐壁、罐底的温度场分布，并对计算结果进行了分析。储罐结构设计时应考虑储罐绝热层与内罐体接触部位

2、热应力影响；同时注意优化储罐底部的结构，可以有效降低罐底漏热量。关键词： LNG；全容式储罐；温度；ANSYS文献标识码：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 前言随着国内天然气需求量的不断增加，通过船运从国外进口LNG的量近年不断攀升，与之相配套的LNG接收站建设也迅速发展。中海油广东大鹏、福建和上海LNG接收站已建成投产，浙江LNG接收站正在建设，后续粤东、海南、珠海和深圳LNG接收站正在筹建中，中石油投资建设的江苏、大连、唐山LNG正在建设中，中石化青岛LNG项目已开始建设，国内还有一批后续项目正在进行规划1。LNG储罐是接收站最重要的设备，属常压、

7、超低温大型烃类储罐，全容式储罐是目前普遍采用的罐型。一般情况下，LNG是常压储存的，储存温度约为-162。由于储罐内部与环境存在巨大温差，并且大型LNG储罐的罐底和罐壁、罐顶与罐壁处的连接处结构较为复杂，在此处形成温度梯度会产生热应力，又会在低温部位影响储罐的机械性能2。为此，对大型全容式LNG储罐的温度场进行计算对储罐的设计有重要意义。目前，国内外对LNG储存设施温度场的研究主要集中在LNG船和小型LNG储罐上，对LNG接收站中大型储罐的温度场研究还比较少。冯武文等人对LNG船船体温度分布做了详细研究3。上海交通大学对低温容器的热力研究做得比较多。杨敏之等人利用有限元法和边界元法计算液化气船

8、低温液罐鞍座的温度场4；汪顺华等人采用数值差分法求解出低温储罐绝热层内部温度变化规律5。邱林等人对LNG船遇冷过程前后液货舱内气体温度分布进行了计算6。在国外，Q.-S.Chen等人对LNG加气站中LNG低温储罐内的温度和压力的变化进行了分析7。D.Boukeffa等人以一个液氮容器颈管为研究对象，对颈管壁的温度场进行了研究实验测量和数值计算8。O. Khemis等人对低温容器传热进行了实验研究 9 。1 全容式LNG储罐基本结构目前我国正在建设或已经投入使用的大型LNG储罐均为全容式LNG储罐。全容式LNG储罐通常由预应力混凝土外罐和9%Ni钢内罐构成。LNG存放在内侧有刚性加强结构的敞口垂

9、直圆柱体内罐中，外罐的作用是抵抗内罐可能受到的外部冲击和储存由于偶然原因从内罐中渗漏出的液化天然气，以增强储罐的总体安全性10。内罐与外罐之间填充绝热材料，主要为膨胀珍珠岩、弹性毡及泡沫玻璃砖等。储罐支承在360根直径1.2 m深度不等的钢筋混凝土灌注桩基上，每根桩顶部根据需要可安装防震橡胶垫。本文以国内某一接收站的全容式LNG储罐为研究对象，其基本结构如图1所示。该LNG储罐的最大工作容积为160000m3，内罐高度为36.315m，内罐半径为40m，外罐高度为38.55m，外罐半径为42m，拱顶高度为10.983m。图1 全容式LNG储罐基本结构LNG储罐罐底与罐壁的材料及相关参数见表1和

10、表2。表1 罐底材料参数序号材料厚度/mm导热系数/W·m-1·K-119%Ni钢内罐底板630.752混凝土找平层98.51.4539%Ni钢二次罐底630.754混凝土找平层1031.455油毡30.6996第一层泡沫玻璃砖1500.0487油毡30.6998第二层泡沫玻璃砖1500.0489油毡30.69910第三层泡沫玻璃砖1500.04811油毡30.69912混凝土找平层991.451316MnDR外罐底板64814混凝土底部承台9001.45表2 罐壁材料参数序号材料厚度/mm导热系数/W·m-1·K-119%Ni钢内罐壁1227.530.

11、752弹性毡2900.0433膨胀珍珠岩7000.0424416MnDR外罐金属衬板10485预应力混凝土壁10001.45罐顶是由混凝土拱顶、型钢梁、吊架、膨胀珍珠岩保温层和铝吊顶组成，其中混凝土拱顶的厚度平均为400mm，膨胀珍珠岩铺设在铝吊顶上面，厚度为1000mm，铝吊顶的厚度为6mm。2 罐体传热过程分析大型LNG储罐一般采用常压储存，储存温度为-162。由于与外界环境存在着巨大温差，罐内液体不可能与外界完全绝热，这样外界热量不可避免的通过储罐罐体进入罐内。全容式LNG储罐结构复杂，罐体传热包括导热、对流和辐射多种传热方式共存，为简化计算过程，方便建立模型，进行以下假设：1)储罐内L

12、NG处于饱和均质状态，不同液位高度下的温度等于该静压力下的饱和温度，蒸发气的温度为110K；2)所有材料各向同性，忽略温度变化对材料导热系数的影响；3)由于内罐底板、二次罐底、外罐底板和铝吊顶的厚度相对于绝热层厚度而言极薄，且其导热系数相对于绝热材料而言又很大，因此可以忽略这些材料的热阻；计算时取空气的对流换热系数为25W/(m2·K)，蒸发气的对流换热系数为15W/(m2·K)，甲烷的导热系数为0.03 W/(m·K)，LNG密度为450kg/m3。运用ANSYS计算罐体温度场可以分为三步：1)建立几何模型并进行网格划分；2)施加边界条件并求解；3)通过后处理，

13、输出结果，包括温度分布、热流密度分布等11。3 罐体温度场计算模型建立求解低温条件下的传热问题，一般都是从质量、动量和能量守恒定律推导出热传导偏微分方程和积分方程，然后进行求解，但在初始条件和边界条件下求解这样的方程是较困难的。目前，通常采用有限差分法、有限元法和边界元法进行数值计算。在这几种算法中，有限单元法的应用最广泛，而ANSYS是目前最流行的有限元计算软件之一。在运用ANSYS计算罐体温度场之前，运用传热学理论和有限元理论建立罐体温度场的有限元模型。根据Fourier传热定律和能量守恒定律，可以建立热传导问题的控制方程，即物体的瞬态温度场应满足以下方程： (1)式中 材料密度，kg/m

14、3；材料的比热容，J/(kg·K)；x方向的热传导系数，W/(m·K)；y方向的热传导系数，W/(m·K)；z方向的热传导系数，W/(m·K)；内热源强度，W/m3。一般传热问题的初始条件为： (2)相应的变分为，在满足边界条件一（）、二（）、三（）及初始条件的许可温度场中，真实的温度场使以下泛函I取极小值： (3)式中 第一类热力学边界，温度边界；第二类热力学边界，热流密度边界；第三类热力学边界，对流换热边界；研究对象。在实际问题处理过程中，边界条件二和三较难满足，因此可将这两个条件耦合进上述泛函式：(4)式中 对流换热系数，W/(m2·K)

15、；环境温度，K；边界S2上给定的热流密度，W/m2。对于稳态问题，温度不随时间变化，有。将物体离散为单元体，即，在单元体内，可根据节点数来确定单元温度场的函数模式，即将单元温度场表示为节点温度的插值关系，有： (5)式中 节点温度列阵节点温度形状函数矩阵将节点温度场表达式代入耦合泛函式，并求其变分极值，则有： (6)式中 节点温度列阵；单元热传导矩阵；单元节点等效温度载荷列阵。方程是单元热传导方程。大型全容式LNG储罐日蒸发率很小，可以近似认为罐体的传热是稳态的。在稳态分析中罐体上任何一个节点的温度都不随时间变化。通过上面推导出的单元热传导方程可以得到罐体稳态热分析的热传导方程： (7)式中

16、传导矩阵；节点温度向量；节点热流率向量。ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成。4 罐体温度场计算与分析假设储罐液位处于最大操作液位34.212m，储存压力为1标准大气压，可以对储罐各部位的温度场进行计算。4.1 罐底温度场计算与分析选取罐底的一个纵截面建立模型，输入相关材料参数，选用PLANE55单元，采用映射网格划分对模型进行网格划分，如图2所示：由于罐底截面是规则图形，采用映射网格自动划分既能提高计算速度，同时能达到较高的计算精度。网格划分后施加罐底的内外边界。内边界为温度边界，即底部LNG温度。该温度对应与罐底静压力下的饱和温度，运用克劳修斯克拉贝龙方程进

17、行计算得到底部LNG的温度为122.37K。外边界为对流换热边界，图3和图4是环境温度为20时的罐底截面温度分布图和热流密度分布图。图2 罐底网格划分图3 罐底温度分布图.4 罐底热流密度图3为罐底的温度分布图。从图上可以看出，混凝土底部承台导热系数较大，上下表面的温差较小；而上部保温层导热系数很小，因此保温层两侧的温差很大，说明绝热材料的保温效果很明显。图4为罐底的热流密度分布。从图上可以看出，热流密度在截面各处大小相等，通过热流密度图和ANSYS输出的数据文件可以看出，截面各处热流密度的方向均为Y轴的反方向。4.2 罐壁温度场计算与分析由于假设储罐液位处于最大操作液位，储罐内蒸发气层的厚度

18、只有1.3m，因此可以忽略蒸发气与罐内壁的对流换热。模型建立、网格划分与罐底的温度场计算相同，但边界条件有所不同。内罐壁的温度边界不是一个恒定值，而是随着的储罐高度的变化而变化，因为不同高度的静压力不同，该静压力下的饱和温度也不同，因此越接近储罐底部，LNG的温度就越高。同样运用克劳修斯克拉贝龙方程计算不同高度下LNG的温度。此外，外罐壁边界条件是一个热对流边界。图5和图6是环境温度为20时的罐壁截面温度分布图和热流密度分布图。图5 罐壁温度分布图6 罐壁热流密度图5为罐壁的温度分布图。从图上可以看出，罐内壁到混凝土内壁的温差达到了180，混凝土内外壁的温差只有20，说明绝热层很好的阻止了外界

19、热量漏入罐内。图6为罐壁的热流密度分布。从图上可以看出，由于罐壁下部的温差较罐壁上部的温差小，因此，罐壁热流密度在顶端最大，在底端最小，且从罐壁上部到罐壁下部逐渐减小。4.3 罐顶温度场计算与分析由于罐顶的几何形状不是很规则，不能采用映射网格划分，因此这里采用自由网格划分，单元尺寸设为0.1m。分析单元仍然选取PLANE55单元。罐顶的上下边界条件均为对流换热边界。图7和图8是环境温度为20时的罐顶截面温度分布图和热流密度分布图。图7 罐顶温度分布图8 罐顶热流密度图7为罐顶的温度分布图。从图上可以看出，温度梯度的方向基本上垂直于拱顶。混凝土外罐顶温降较小，温度下降主要集中在吊顶保温层和以及吊

20、顶与拱顶之间的甲烷气体层。图8为罐顶的热流密度分布。从图上可以看出，拱顶大部分区域热流密度的大小集中在0.4W/m21.1W/m2之间。拱顶两端由于绝热效果较差，热流密度比拱顶中间部位大。5 结论通过对大型全容式LNG储罐罐体的温度场计算结果分析，可以看出储罐绝热层与内罐体接触部位存在较大的温度梯度，因此在储罐结构设计时应考虑该处热应力影响，同时注意内罐体材料与绝热层材料热膨胀系数不同的影响。通过结算结果还可以看出，罐底的漏热量在储罐整个漏热中占较大比例，主要因为内罐底、二次罐底、绝热层之间都有一层混凝土找平层，会使罐底的总热阻大大减小，导致漏热增加。因此，在设计储罐应注意优化罐底部的结构。参考文献：1 钱伯章，朱建芳.世界液化天然气的现状及展望J.天然气与石油，2008，26(4)：34 - 38.2 王泓.LNG潜在的危害及其预防措施J.天然气与石油，2007，25(1)：1 - 3.3 冯武文，周昊，赵军.薄膜式液化天然气运输船船体温度分布研究J.造船技术，2006，5：17.4 杨敏之，徐芳.低温构件的计算热解析J.低温与超导，1998，26(4)：52.5 汪顺华，鲁雪生，赵红霞.低温液体容器无损存储传热模型J.低温工程，2001，6：37.6 邱林.液化天然气船液货仓绝热技术及传热计算分析D.上海：海