LNG接收站儲罐溫度場及其參數優化研究

李昭輝，朱漢華，朱志鵬，門 皓，張 夢

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

液化天然氣(LNG)一般儲存在常壓下，溫度為111 K，利于儲存和運輸。液化天然氣比同質量的其他氣體體積小很多，需要絕熱技術,來防止或減小液體的蒸發。如不采取絕熱技術會造成大量液化氣體的蒸發[1]，甚至發生事故[2]。在國內，李兆慈[3]對儲罐進行了三維溫度場分析，分別是環境溫度、風速、液位高度對其溫度場的影響。羅義英[4]研究了LNG儲罐底部泡沫玻璃的厚度與蒸發率的關系曲線。范嘉堃[5]通過現場實測儲罐表面溫度分布情況，發現與理論分析結果有偏差。在國外，Dong[6]對30 000 m3液化天然氣儲罐進行整體溫度場和熱應力分布的分析，Zhao利用正交脊波變換和有限元方法相結合，來研究液化天然氣儲罐液體分層的溫度場分析。本文將采用理論分析和數值仿真相結合的方法，對LNG接收站儲罐溫度場進行模擬分析，揭示了儲罐傳熱特征，并對儲罐的設計參數進行優化，提高儲罐的保冷性。

1 LNG儲罐散熱分析

1.1 LNG儲罐的結構與相關參數

本文研究對象是罐容積約為8×104m3的LNG全容式雙壁金屬罐，儲罐內直徑約為58 m、外直徑約為60.0 m、外罐高約36.5 m、內罐高約34.3 m。內壁與外壁之間采用堆積絕熱的方式，外界環境溫度為296 K，LNG的密度為436.3 kg/m3，LNG的汽化潛熱為510 kJ/kg，8×104m3LNG儲罐結構示意圖見圖1，儲罐絕熱材料參數見表1。

圖1 8×104 m3LNG儲罐結構示意圖

表1 儲罐絕熱材料參數

1.2 漏熱理論分析

1)罐頂漏熱量計算。罐頂的漏熱主要是由3部分組成，穹頂外壁向內壁的熱傳導Q11，由內罐穹頂向吊頂上表面的熱輻射Q12，吊頂上表面向內罐頂的熱傳導Q13；ε1為穹頂下表面的發射率，ε2為吊頂上表面的發射率；A1為穹頂下表面的面積，A2為吊頂上表面的面積；X1,2為吊頂上表面對穹頂下表面的角系數；Tw為外界環境溫度，T1為穹頂下表面溫度，T2為吊頂上表面溫度，Tn為儲罐內部LNG液體溫度；σb為黑體輻射常數，σb=5.67×10-8W/(m2·K4)；λ1為穹頂低碳鋼的導熱系數，λ2為玻璃纖維的導熱系數，λ3為鋁箔的導熱系數；σ1為穹頂的厚度，σ2為吊頂玻璃纖維層的厚度，σ3為鋁箔的厚度。

穹頂熱阻R1,1和外界環境向穹頂的熱傳導Q11分別為：

(1)

(2)

穹頂向吊頂上表面進行熱輻射的熱阻R1,2和穹頂向吊頂上表面的熱輻射Q12分別為:

(3)

(4)

吊頂熱阻R1,3和通過吊頂的熱傳導Q13為：

(5)

(6)

根據傳熱學原理，Q11=Q12=Q13：

(7)

2)罐壁漏熱量計算。外界熱量透過儲罐罐壁傳入罐內的傳熱過程可以看作多層圓筒壁的穩態導熱。儲罐內罐的半徑為r1，到9%Ni鋼板的半徑為r2，到彈性氈的半徑為r3，到珍珠巖的半徑為r4，到外罐壁鋼板的半徑為r5;λ4為9%Ni鋼板的導熱系數，λ5為彈性氈的導熱系數，λ6為珍珠巖的導熱系數，λ7為16MnDR鋼板的導熱系數。

罐壁材料的導熱熱阻R2為：

(8)

外界環境通過儲罐罐壁向內罐傳遞的熱量Q2為：

(9)

3)罐底漏熱量計算。外界熱量透過儲罐底部傳入罐內的傳熱過程可看作是多層平壁的穩態導熱。λ8為干沙的導熱系數，λ9為泡沫玻璃磚的導熱系數，λ10為混凝土的導熱系數，σ8為內罐底9%鋼板的厚度，σ9為罐底干沙的厚度，σ10為罐底泡沫玻璃磚的厚度，σ11為罐底混凝土的厚度，σ12為外罐底板的厚度。

罐底材料的導熱熱阻R3為：

(10)

外界環境通過儲罐罐底向儲罐內部傳遞的熱量Q3為：

(11)

1.3 有限元分析的邊界條件及假設

由于LNG全容式雙壁金屬罐結構復雜，為了方便建立模型，現對仿真過程進行如下的假設：①儲罐所有材料的導熱系數不隨溫度變化而變化；②罐體內LNG處于飽和狀態，即罐內LNG的溫度處處相等，即為111 K。

運用有限元軟件計算罐體溫度場可以分為3步：建立幾何模型并進行網格劃分；施加邊界條件并求解；通過后處理，輸出結果，包括溫度分布圖、熱流密度圖等。

取吊頂單位長度橫截面進行分析計算，分析單元取plane35單元，對吊頂截面模型進行網格劃分，對吊頂下表面施加載荷，即Tn=111 K，罐內液體對罐體的對流換熱系數為103.2 W/(m2·K)；對吊頂上表面施加載荷，即T2=292.98 K，氣體對流換熱系數取為5 W/(m2·K)。

由于儲罐的軸對稱性，取儲罐罐壁的1/360(1°)進行分析計算，分析單元選取plane55單元，對外罐壁鋼板外表面施加載荷，即Tw=296 K，對內罐壁9%Ni鋼板施加載荷，即Tn=111 K，外罐壁與空氣對流換熱系數取13.805 W/(m2·K)。

取罐底的單位長度橫截面進行分析計算，分析單元選取plane35單元，對內罐罐底板9%Ni鋼上層施加載荷，即Tn=111K，罐底外壁鋼板下層施加載荷，即Tw=296 K，儲罐底部與空氣的對流換熱系數為22.10 W/(m2·K)。

2 計算模型與驗證

2.1 計算模型驗證

利用ANSYS中的APDL方法對儲罐漏熱進行仿真，儲罐各部分的漏熱分布如表2所示。

表2 儲罐各部分的漏熱分布

根據前文理論分析結果計算可知，吊頂的理論計算漏熱量為22 824.0 W；由仿真結果分析可知，吊頂的熱流密度值為8.558 8 W/m2，則吊頂的仿真漏熱量為22 613.00 W，與理論計算值的誤差為0.9%，說明計算結果較為準確。

根據前文理論分析結果計算可知，罐壁的理論計算漏熱量為43 023.3 W；由仿真結果分析可知，罐壁的熱流密度為6.854 8 W/m2，則罐壁的仿真漏熱量為42 841.52 W，與理論計算值的誤差為0.4%，說明計算結果較為準確。

根據前文理論分析結果計算可知，罐底的理論計算漏熱量為45 083.4 W；由仿真結果分析可知，罐底的熱流密度為16.977 6 W/m2，則罐底的仿真漏熱量為44 856.17 W，與理論計算值的誤差為0.5%，說明計算結果較為準確。

2.2 計算結果驗證

根據在某地LNG接收站的調研，測出了1天內每小時實測液面高度的數據，根據液位高度的變化數據，可以計算出1天之內LNG的蒸發量，根據蒸發量可計算出1天之內LNG的漏熱量，并與現在的數值模擬分析得出的漏熱量進行對比。圖2為數值模擬結果與現場勘測數據對比驗證，發現結果基本吻合。

圖2 數值模擬結果與現場勘測數據對比驗證

3 參數優化

3.1 設計參數下漏熱量

根據理論計算和數值模擬的計算結果，儲罐罐底的漏熱量約占儲罐總體漏熱量的40.7%，而儲罐罐底的漏熱量與罐底的保冷層(泡沫玻璃磚)的厚度具有顯著的關系。為減少儲罐整體的漏熱量，研究罐底的保冷層參數具有顯著的意義。

罐內儲存的介質為111 K的液化天然氣，在正常情況下，罐內的液體處于靜止狀態，根據傳熱學的公式可知，內罐底部與天然氣的對流換熱系數hn=103.25 W/(m2·K)，外罐底與外界空氣的對流換熱系數hd=22.10 W/(m2·K)。

根據設計條件，LNG儲罐底部單位面積的漏熱量Q：

(12)

得出Q=16.98 W，與數值模擬的結果相近。

3.2 儲罐罐底最大允許漏熱量

由本地氣象局提供的信息可知，某地LNG接收站的夏季溫度最高為308 K，相對濕度η=80%，則露點溫度Td=304 K，外界環境溫度Tw=296 K，根據《工業設備及管道絕熱工程設計規范》可知，那么Tw-Td=-8.0 K<-4.5 K，LNG 儲罐的單位面積最大允許漏熱量Qmax：

Qmax=-(Tw-Td)hd。

(13)

得出Qmax=176.8 W。當儲罐在設計條件下，即罐底的保冷層(泡沫玻璃磚)的厚度為520 mm時，罐底單位面積的漏熱量為16.98 W，計算可得，罐底單位面積的漏熱占單位面積最大允許漏熱量的9.6%。

3.3 LNG儲罐底部參數優化

使用有限元方法進行傳熱分析，由傳熱學公式可知，由于罐底漏熱量與泡沫玻璃磚的厚度呈連續函數關系，假設泡沫玻璃磚的厚度為θ，分析θ=0、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 400、1 500、1 600(單位mm)，這17種工況下罐底的熱流密度，進而求出相對應罐底的漏熱量。泡沫玻璃磚厚度與熱流密度和漏熱量的關系見表3。

表3 泡沫玻璃磚厚度與熱流密度和漏熱量的關系

根據表3做出罐底漏熱量與泡沫玻璃磚厚度的關系曲線如圖3所示，可得出以下結論。

圖3 罐底漏熱量與泡沫玻璃磚厚度的關系曲線

1)當罐底不加保冷層時，即θ=0,罐底的漏熱量占最大允許漏熱量的367.8%；當θ=100 mm，罐底的漏熱量占最大允許漏熱量的45%，說明加入保冷層能有效地阻止儲罐的漏熱。

2)當罐底保冷層厚度為設計值θ=520 mm時，罐底的漏熱量占最大允許漏熱量的9.6%，罐底的漏熱量占儲罐整體漏熱量的41%，說明此厚度下罐底的保冷效果已經非常顯著。

3)當繼續增大保冷層厚度，θ=1 200 mm時，罐底的漏熱量占最大允許漏熱量的4.2%，罐底的漏熱量占儲罐整體漏熱量的23%，保冷層增加700 mm,漏熱量比例減少5.8%，說明在此區間范圍內增加保冷層厚度具有一定的效果。

4)繼續增加保冷層厚度，當θ=1 600 mm時，罐底的漏熱量占最大允許漏熱量的3.18%，保冷層增加400 mm，漏熱量僅減少1%，說明繼續增加保冷層厚度對儲罐保冷性的優化意義不大。

4 結束語

通過對LNG儲罐罐體進行溫度場的計算結果進行分析，發現保冷層兩側存在較大的溫差，說明加入保冷層能有效地阻止儲罐的漏熱，增加儲罐的保冷性。計算結果還顯示出，罐底的漏熱量占儲罐整體漏熱量的比例接近一半，說明針對罐底的優化更能有效減少儲罐的漏熱。所以在今后設計LNG儲罐的時候，應該重點考慮罐底部分的結構設計。

根據儲罐的設計參數計算，保冷層厚度為520 mm時，罐底的漏熱量占最大允許漏熱量的9.6%，當保冷層厚度增加至1 200 mm時，罐底的漏熱量占最大允許漏熱量的4.2%，罐底漏熱占儲罐整體漏熱量的比例降至為23%；當繼續增加保冷層厚度時，發現漏熱量減少的效果并不明顯。所以在今后設計LNG儲罐的時候，從經濟性的情況考慮，不能一味地增加其保冷層厚度，而應該找到保證保冷效果情況下最經濟的方案。