基于FLUENT軟件的大型LNG儲罐預冷研究

董文浩 鄭 勁 許培林 郭海峰 季夏夏.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學, 四川 成都 60500；.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司, 四川 成都 6005

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基于FLUENT軟件的大型LNG儲罐預冷研究

董文浩1鄭 勁1許培林1郭海峰2季夏夏1
1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學, 四川 成都 610500；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司, 四川 成都 610051

LNG儲罐預冷是LNG接收站正式投入工作前的重要環節,目前我國主要采用頂部環狀噴注方式進行LNG儲罐預冷。為了避免預冷過程中出現壁面溫差過大的現象,利用FLUENT軟件對16×104m3LNG儲罐預冷過程進行了模擬研究,分析了目前儲罐在預冷過程中存在的問題,并對預冷方式進行了改進。研究表明：頂部預冷方式容易造成儲罐內冷量聚集；管徑和進氣速度是罐內溫度層形成的重要影響因素,改進后的柱狀預冷方式能更好地防止儲罐內壁產生大溫差,加強儲罐的使用安全性，延長使用壽命。

LNG儲罐；預冷；模擬；影響因素

0 前言

隨著我國能源需求的不斷增長,引進LNG有利于優化我國能源結構,有效解決能源供應安全和生態環境保護的雙重問題,對實現社會經濟的可持續發展具有重要作用。未來一段時期內,LNG將成為我國天然氣市場的主力軍,LNG儲罐預冷則是LNG接收站正式投運前的關鍵環節。

目前我國LNG儲罐預冷主要采用的是頂部環狀噴注方式,在噴注過程中氣體由上向下運動,罐壁在軸向上出現較大溫差和局部冷卻,致使儲罐內壁產生過大的應力并出現異常收縮現象,由此產生的應力與儲罐建造和焊接過程中產生的應力疊加,導致儲罐在應力集中處破裂[1-3]。因此,針對環形壁面溫差過大的現象,基于FLUENT軟件對16×104m3LNG儲罐的液氮預冷過程進行模擬研究,分析了頂部環狀噴注方式在預冷過程中存在的問題,提出了柱狀噴注方式,并對兩種預冷方式進行了比較。

1 LNG儲罐預冷

1.1 預冷方式

LNG儲罐預冷是通過預冷管線噴淋完成,LNG儲罐結構及工藝流程示意圖見圖1。氮氣置換完成后,關閉儲罐所有閥門。儲罐內部保持微正壓,通過調節XV 146閥打開氮氣預冷管線,開始噴注冷卻氮氣或BOG氣體對儲罐進行預冷,LNG全容儲罐設計壓力29 kPa,所以開車預冷時罐內壓力須控制在20 kPa以下[4]。

圖1 LNG儲罐結構及工藝流程示意圖

1.2 預冷規范要求

根據歐洲標準BSEN 14620《設計和現場建造立式、圓筒形、平底、鋼制、操作溫度介于0～-165 ℃的冷卻液化氣儲罐》規定,LNG儲罐整體冷卻目標速率為3 ℃/h,不能超過5 ℃/h。為了能夠監測罐內溫降梯度,在儲罐多處安裝了溫度傳感器,以便控制內罐底部或罐壁任意2個相鄰監測點的溫差不超過30 ℃。

2 頂部環狀噴注預冷方式

2.1 模型建立

2.1.1 控制方程

FLUENT的湍流k-ε模型包括標準k-ε模型、重組化群k-ε模型和可實現k-ε模型。其中,可實現k-ε模型是標準k-ε模型的一種改進格式,它能較準確地計算圓形射流,其對旋流和分離流的計算結果明顯優于標準k-ε模型的計算結果,故采用可實現k-ε模型對噴注流場進行模擬[5]。用于求解流動及換熱問題的控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程、k方程和ε方程,采用可實現k-ε模型求解流動及換熱問題時,這些方程均可寫成如下通用形式：

(1)

在三維直角坐標系下,通用形式相對應的可實現k-ε模型的控制方程見表1[6-7]。

表1 可實現k-ε模型的控制方程

方程?擴散系數源項S連續方程100x-動量uμeff=μ+μt-?p?x+??xμeff?u?x()+??yμeff?v?x()+??zμeff?w?x()+Suy-動量vμeff=μ+μt-?p?y+??xμeff?u?y()+??yμeff?v?y()+??zμeff?w?y()+Svz-動量wμeff=μ+μt-?p?z+??xμeff?u?z()+??yμeff?v?z()+??zμeff?w?z()+Sw湍動能kμ+μtσkGk-ρε耗散率εμ+μtσkρεC1E-C2εvε?è???÷能量TμPr+μtσT依據實際問題而定

湍動黏性系數表達式：

(2)

式中：u、v、w分別為x,y,z方向的速度,m/s；ρ為密度,kg/m3；p為壓強,Pa；k為單位質量湍動能,m2/s2；ε為單位質量能量耗散率,m2/s3；T為溫度,K；Pr為能量的湍流普特朗數,取值0.85；S為用戶根據計算工況定員源項；μeff、μt、μ分別為有效黏性系數、湍流黏性系數,動力黏性系數；C2、σk、σε在FLUENT軟件中默認為常數,取值C2=1.9,σk=1.1,σε=1.3；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能產生量；系數E、Cμ、C1和σT的求解較為復雜,在此不做討論。

2.1.2 計算模型

本次選取16×104m3的儲罐為算例,儲罐內壁高34.6 m,內徑80 m,外徑82 m[8]。根據FLUENT軟件在實際應用中物理模型建立時的原則,對實際儲罐預冷進行假設：

1)儲罐頂部的噴注裝置呈對稱分布,因此將其視為二維平面問題。

3)根據儲罐壁厚計算,對于儲罐內壁的鋼板厚度取其平均值。

4)定義外界為常溫293 K,標準大氣壓力,不考慮外界熱源輻射傳熱。

16×104m3儲罐側壁相關參數見表2[11]。

表2 16×104m3儲罐側壁相關參數

材料密度/(g·cm-3)熱導率/(W·m-1·K-1)平均厚度/cm比熱容/(J·kg-1·K-1)9Ni鋼7 86014 7→7 91 6480→1 9玻璃纖維毯0 0160 0388334792膨脹珍珠巖0 7600 0391051753 74泡沫玻璃磚2 1800 0559215837 49預應力混凝土2 5002 32670837 21 注：Ni鋼熱導率和比熱容的“→”表示這兩項有隨著溫度降低而降低的性質。

利用GAMBIT軟件建立模型,選擇三角形自由網格進行模型劃分,并適當控制網格尺寸。對鋼板的傳熱壁面進行邊界層網格劃分。保溫層設置為有壁厚固體壁,鋼板設置為薄壁模型。頂部環狀噴注預冷二維模型見圖2,其中頂部每隔5 m設置一個氮氣噴管,噴管直徑為0.3 m。

圖2 頂部環狀噴注預冷二維模型

2.1.3 邊界條件

采用-120 ℃的氮氣為工作介質,預冷前初始罐內氣體為氮氣,罐體和罐內溫度為常溫293 K,設置儲罐鋼板和氮氣接觸面為流固耦合傳熱。

2.2 模擬結果

流速2 m/s頂部噴注預冷的溫度分布云圖和側壁軸向溫度分布見圖3,由圖3可見儲罐頂部出現大面積低溫區域,說明有大量的冷量聚集。溫度在儲罐內分布很不均勻,在250～300 K的溫度層面積很小,溫度層很薄,觀測圖3-b)可見,左右壁面溫降不一致,左壁面上溫度梯度較大,最大溫差高達40 ℃,超過了相關規范要求。經對1、2、3、4 m/s流速模擬可知,儲罐中的溫度分布基本與圖3相似。

流速10 m/s頂部噴注預冷的溫度分布云圖和側壁軸向溫度分布見圖4。與圖3相比,圖4中溫度場分布規則,但進氣速度的增加沒有改變260～290 K的溫度層面積,對內壁面的鋼材來說仍會造成壁面溫降過快。圖4側壁溫差在20 ℃左右,小于圖3中的側壁溫差幅度,但在某些局部位置還是形成了25 ℃的溫差,儲罐中仍存在大面積的冷量聚集區域。

a)溫度分布云圖

b)側壁軸向溫度分布圖3 流速2 m/s頂部噴注預冷

a)溫度分布云圖

b)側壁軸向溫度分布圖4 流速10 m/s頂部噴注預冷

3 溫差影響因素分析

3.1 產生溫差的原因

對目前實際生產中使用管徑為0.3 m噴嘴進行單管進氣工況模擬,在管道的進氣口段,冷卻氣體由上向下運動,周圍的氣體向預冷氣體靠近并隨著預冷氣體一起運動,在儲罐內形成漩渦，單管預冷時進氣口處的速度矢量分布見圖5。由此即可解釋圖3～4中的溫度分布現象：頂部噴注的氣體由上向下運動,底部氣體從罐壁兩側上升,導致頂部幾個噴嘴噴注的冷卻氣流向中間集中靠攏,出現頂部冷量聚集現象,因此氣流運動是溫度層形成的主要原因。綜上所述,影響儲罐內溫度層形成的因素有進氣管徑、進氣速度和進氣位置。

圖5 單管預冷時進氣口處的速度矢量分布

3.2 最佳管徑和進氣速度

最佳管徑和進氣速度須保證溫降達到3 ℃/h,溫度差控制在符合要求的30 ℃范圍內。在規定單位時間內達到溫降要求的情況下,各管徑對應的最小進氣速度和最少進氣口個數見表3。

表3 各管徑對應的最小進氣速度和最少進氣口個數

管徑/m最小進氣速度/(m·s-1)最少進氣口/個0 60 00510 50 0420 450 04230 40 04540 370 04650 330 04760 30 0560 280 05170 250 5270 21 080 181 580 162 090 143 0100 123 8120 16 8150 097 0170 0816200 072024

結合表3數據,利用ORIGIN軟件計算得到進氣速度和管徑關系擬合公式：

(3)

最小進氣速度和管徑關系擬合圖見圖6。由圖6可見,管徑0.3 m為1個特征點,當管徑小于0.3 m時,不同的管徑要求進氣速度相差很大,對儲罐內溫度層影響較大。當管徑大于0.3 m時,進氣速度相差較小,且都處于較低的流速,對溫度層影響較小,式(3)為氮氣預冷的改進提供了理論依據。

圖6 最小進氣速度和管徑關系擬合圖

4 柱狀噴注預冷方式

4.1 柱狀噴注預冷結構模型

改進后的柱狀噴注預冷二維模型見圖7,氮氣輸氣管道干線兩側每間隔5 m設置1個噴嘴,噴嘴直徑為0.15 m。

圖7 改進后的柱狀噴注預冷二維模型

4.2 柱狀噴注預冷模擬結果分析

a)溫度分布云圖

b)側壁軸向溫度分布

5 兩種預冷方式對比

進行LNG儲罐預冷時先將液氮槽車增壓到0.6 MPa,對應溫度為-177 ℃,考慮沿程冷損,因此,采用噴入儲罐內部時液氮的溫度設定為-173 ℃。不同流速下頂部環狀噴注的溫度場分布變化過程見圖9～10,柱狀噴注的溫度場分布變化過程見圖11。

圖9 低流速4 m/s頂部環狀噴注溫度場分布變化過程

圖10 高流速9 m/s頂部環狀噴注溫度場分布變化過程

圖11 流速5 m/s柱狀噴注溫度場分布變化過程

通過對圖9～11噴注過程溫度分布變化過程分析可得：

1)與頂部環狀噴注預冷方式相比,利用柱狀噴注預冷方式能使儲罐內的溫度層分布均勻,高溫層分布明顯并且均勻,不會造成儲罐內壁鋼材溫降過快,有利于儲罐冷卻。

2)噴注時噴注的速度越大,噴距就越長,噴嘴外部速度場的擴算角度就越小,離噴嘴近處的冷量擴散則越慢,但離噴嘴遠處的溫階明顯。

3)圖9～11中都有冷量聚集,柱狀噴注預冷的噴嘴個數比頂部預冷方式的少3個,冷量聚集不明顯。

4)圖11中,隨著噴注時間變化,溫度分布基本保持最初形成的分布形狀,均勻擴散,每個溫度層的變化過程也與相鄰的溫度層變化相同。

5)柱狀噴注溫度分布形成過程穩定,這樣儲罐頂部、底部和側壁同時預冷,預冷速度一致。

6)可嘗試在噴注的開始階段采用高速進氣,這樣在早期形成較好的溫階。在噴注后期采低速進氣,這樣冷量聚集,從而保證壁面不會出現較大的溫降。

7)從設備和現場施工而言,在頂部環狀噴注安裝噴嘴較多時,費時費力且設備龐大,使用完后撤離麻煩；而使用柱狀噴注時,安裝和撤離比較容易。

6 結論

1)相鄰熱電偶之間的溫差是由于儲罐內溫度場分布不均造成,儲罐內溫度分布影響因素有冷卻氣體進口速度、管徑和進口位置。

2)采用頂部環狀噴注預冷方式時,溫度場分布與進氣速度有關,較高的速度(>7.5 m/s)進口比低速進口溫度場分布規則。

3)采用柱狀噴注預冷方式,側壁面可得到同步降溫收縮,減小由于溫降不均勻造成的應力。

4)柱狀噴注預冷方式中儲罐內的溫度層分布更加規則均勻,有利于儲罐冷卻。

5)任何噴注方式都應合理選擇進氣管徑和速度,預冷管道的管徑應該在0.1～0.3 m選取,進氣速度應該控制在大于5 m/s。

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2015-01-04

董文浩(1988-),男,四川成都人,碩士研究生,主要從事天然氣處理和液化天然氣技術研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.017