大型LNG 儲罐預冷分析模型與工程應用研究

張晨 陳峰 王亞群 安東雨 呂夢蕓 孫亞娟(中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028)

0 引言

液化天然氣(LNG，Liquefied Natural Gas)發展潛力巨大，是國內外大力發展的新能源產業，具有光明的發展前景[1]。但是快速發展LNG 產業離不開大型儲罐的興建，作為接收站最重要的工藝儲存設備，其安全運行對整個LNG 產業鏈的順暢具有舉足輕重的作用。

儲罐預冷過程中由于較大(共計約200℃)的溫度變化，在熱載荷作用下，會造成結構熱應力集中、內罐不均勻冷縮引起變形等不利作用，威脅儲罐的長期安全穩定運行。這一問題在22 萬m3儲罐工程建設中表現的更為突出。為有效控制大型儲罐預冷工程的相關參數，防止出現熱應力結構損傷，保障儲罐結構安全。本文圍繞儲罐預冷過程，建立儲罐預冷結構分析模型，并結合儲罐預冷溫度模型，確定由預冷造成的儲罐應力分布，為LNG 儲罐預冷提供安全經濟且合理的方案，輔助實際工程實施。

1 儲罐預冷分析模型建立

1.1 儲罐基本情況

儲罐基本結構如圖1 所示，其核心包括鋼制內罐、混凝土外罐及兩者之間的保冷系統。

圖1 LNG儲罐

1.1.1 鋼制內罐

22 萬m3LNG 儲罐的內罐半徑43m，高度41.8m，包括筒體和罐壁上的加強圈，材料為EN10028-4X7Ni9 鋼。內罐筒體由內罐底板和內罐壁組成。

(1)內罐底板外側環板厚度20mm，環板區域寬度929mm，罐底中幅板厚度6mm。

(2)內罐壁厚度沿高度變化，罐壁上有5 道加強圈。

1.1.2 混凝土外罐

外罐由標號C50 的混凝土建成，自下而上包括：

(1)混凝土底板：半徑46.7m 的混凝土圓板結構。

(2)混凝土墻體：外罐墻體為混凝土筒體結構，由主墻和上部環梁組成，墻體內半徑44m，主墻體厚度1.0m，環梁段厚度1.2m，高度3.5m。

(3)穹頂混凝土：內半徑為88m，分層建造底層混凝土厚度為0.33m。

1.1.3 保冷系統

布置于內罐與外罐之間，包括罐底、罐壁以及罐頂保冷，三部分為一個整體，對內罐形成封閉的保冷空間。

1.2 結構模型

根據LNG 儲罐結構特征，分內罐、外罐、保冷三部分進行模型建立工作。儲罐各個部分模型建立情況如下：

1.2.1 鋼制內罐

內罐為板梁組合結構，采用合適的單元類型對內罐不同結構進行建模，模型如圖2 所示。

圖2 鋼制內罐

1.2.2 混凝土外罐

混凝土外罐模型如圖3 所示。

圖3 混凝土外罐

1.2.3 保冷系統

保冷系統為三維結構區域，內部材料區域復雜，結構形式多樣，采用實體單元來進行建模，模型如圖4 所示。

然后通過網格裝配技術完成各部分之間的整體化裝配，以確保力學意義上的載荷傳遞和位移協調，最終建立的LNG 儲罐模型如圖5 所示。

1.3 溫度模型

針對LNG 噴淋降溫的預冷方式，采用FLUENT 分析系統構建儲罐預冷溫度模型：

1.3.1 氣液兩相模型

基于離散相模型模擬噴淋出的LNG 液相顆粒[2]；LNG 顆粒揮發產生的低溫天然氣及其在儲罐內的分布情況采用組分運輸模型進行模擬。進而確定由LNG 噴淋揮發、氣相分布造成的罐內溫度降低及其分布情況。

1.3.2 湍流模型

選擇k-ε 湍流模型以適應大尺度、高湍流計算[3]，并匹配計算網格。

1.3.3 熱載荷傳遞模型

為反映預冷過程中溫度變化導致的儲罐熱載荷，開發基于節點映射的溫度差值算法，實現溫度預測結果作為熱邊界條件賦予儲罐結構有限元模型，實現溫度熱載荷從溫度模型向結構模型的實時同步傳遞。

1.3.4 邊界條件

建立溫度模型邊界條件，注入口為LNG 噴嘴定義的顆粒入口條件；出口為儲罐排空閥，為環境壓力和溫度條件；罐壁為由壁面溫度/厚度、保溫層材料屬性定義的墻邊界條件。

基于以上模型，基于Intel(R)Xeon(R)CPU E5645，在保證計算收斂穩定、結果準確的基礎上，實現了模型計算時間和實際預冷時間5:1的計算效能，即每5h計算時間可預測1h預冷情況，滿足了工程需要。

2 儲罐預冷分析應用

以某項目建設的22 萬m3儲罐為對象，開展預冷分析模型的應用研究。

2.1 儲罐預冷溫度計算

在滿足BS EN 14620 冷卻速度要求的情況下[4]，在環境溫度40℃時，所需總噴淋降溫時間為50h，不同時刻模型預測的罐內溫度分布情況如圖6 所示。

2.2 均勻溫降儲罐應力分析

根據儲罐預冷溫度模型，在均勻噴淋降溫的條件下，罐內不同位置應力結果如下。

2.2.1 內罐應力

(1)底板及壁板。預冷初期1h 及預冷結束50h，底板及壁板Von Mises 應力結果如圖7 所示。

基于應力云圖，底板與內罐壁接觸處、底板中心位置及內壁上部應力較大。預冷結束時，內罐底板中心位置應力最大值為32MPa，內罐壁底板與管壁相交處應力最大值為22.4MPa，內罐壁頂部應力最大值為136MPa。在整個預冷過程中LNG 儲罐內罐整體的最大應力為162.8MPa，位于內罐與中間保溫層的接觸位置。

圖4 保冷系統

圖5 22萬方LNG儲罐有限元模型

圖6 預冷LNG儲罐內溫度分布

圖7 LNG儲罐內罐壁及底板應力分布

(2)加強圈。內罐加強圈Von Mises 應力結果如圖8 所示。在整個預冷過程中，內罐加強圈最上圈應力相對較大，最大應力值為6MPa。

圖8 內罐加強圈應力分布(50h)

2.2.2 外罐應力

預冷結束時，外罐不同位置Von Mises 應力如圖9 所示。其中，外罐墻體中部應力較大，最大值為2.7MPa；底板邊緣應力較大，最大值為3.4MPa；外罐穹頂的邊緣處應力較大，最大值為1.4MPa。

2.3 局部過冷應力分析

實際噴淋過程難以實現完全的均勻溫降，可能發生LNG液滴滴落在儲罐內罐底板，造成罐底底板的局部低溫過冷，外罐與內罐中間受保溫層隔離，受液滴滴落的影響很小，故針對LNG 液滴滴落內罐底板開展局部應力分析。

根據溫度模型，液滴滴落后，滴落處內罐底板溫度及Von Mises 應力隨時間變化曲線如圖10 所示。

在滴落處，鋼板溫度快速降低，在15s 內可降低至-118℃，之后溫度變化趨于平緩，在1000s 時溫度降至-131℃。根據計算結果，液滴滴落后，內罐底板應力快速增長，在15s 時達到最大值，為237.23MPa，此后隨溫度的逐步擴散應力呈現先降低后提升的趨勢，最終趨于穩定時的230.7MPa。

3 儲罐預冷工程應用

根據計算情況，在滿足BS EN 14620 冷卻速率要求的情況下，在預冷速率相同的條件下，儲罐內罐最大應力為162.8MPa，外罐最大應力為3.4MPa，均小于儲罐鋼材和混凝土可允許的最大應力207MPa 和36MPa，可有效保障儲罐在預冷過程中的結構安全。當發生LNG 液滴滴落，出現局部過冷時，儲罐內罐底板最大應力237.23MPa，超過了材料的許用應力207MPa，存在局部應力破壞的情況。

基于模型分析，開展某22 萬m3LNG 儲罐的預冷優化設計。一方面，利用LNG 遠洋運輸船掃倉泵替代卸料泵，以增大預冷LNG 供給壓力；另一方面，增大儲罐預冷LNG 供給管線管徑以減少壓降。兩方面結合，可提高LNG 噴淋閥操作壓力，降低LNG 液滴顆粒粒徑，提高LNG 霧化效果，防止出現液滴滴落，提高預冷效果。同時，在現場作業過程中，密切監視罐體溫度，保證罐壁溫度低于罐底溫度，確保自上而下的整體降溫過程。

開展了某儲罐實際工程應用，在37℃～43℃環境溫度下，完成預冷時間為52.6 小時，未出現異常情況，圓滿達到了工程目標。同時，模型預測數據與現場監測數據對比取得了很好的一致性，對罐底中部關鍵性參數溫度的預測誤差在3%～7%，充分反映了模型預測的高精度，如圖11 所示。同時，根據模型預測和現場反饋情況，可進一步開展冷卻速率提升的研究，以降低作業時間，提升效率。

圖9 儲罐外罐應力分布(50h)

圖10 LNG滴落處溫度/應力變化

圖11 現場監測與模型預測數據對比

4 結語

本文面向國內在建容量最大的22 萬m3儲罐，圍繞儲罐預冷過程，建立了儲罐預冷結構分析模型，并結合儲罐預冷溫度模型，確定了由預冷造成的儲罐應力分布，實時分析儲罐預冷過程受到的熱應力作用，完成對儲罐結構應力的影響分析，確定在預冷過程中儲罐內部結構的主要危險點，為LNG 儲罐預冷提供了安全、經濟合理的方案，輔助實際工程實施，彌補了22及以上大型LNG 儲罐三維預冷仿真的空白，具有良好的工程推廣應用價值。