大型LNG 储罐罐顶冷接管结露问题分析

李晓琳

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

液化天然气是绿色清洁能源，近年来应用越来越广泛，为满足其储存需求，国内沿海地区大批LNG 接收站已经建成或正在建设之中【1-2】。

大型LNG 储罐是LNG接收站最重要的储存设备。在一般情况下，由于储罐内部与外部环境存在巨大温差，需要在内外罐的环隙、储罐吊顶上以及罐顶冷接管设置保冷，以确保LNG罐内介质的低温储存。LNG储罐的保冷设计是保障其正常操作的关键技术之一，对此，国内外学者和设计人员从不同方面进行了研究。

李海润等【3】利用ANSYS软件对全容式LNG储罐的罐体进行了温度场计算，重点关注大型LNG储罐的罐底与罐壁、罐顶与罐壁连接处的结构设计和优化；李兆慈等【4】就稳态工况下储罐罐体的温度场分布进行了有限元计算，对不同环境温度、液位高度、对流换热系数对储罐温度场分布的影响规律进行了分析；王明伍等【5】则针对不同工况下LNG储罐热角保护的温度场分布做了计算和分析。国外学者如Pellegrini、Laura A. 等【6】通过建立传热模型来分析在外界源源不断向罐内传热的情况下，罐内介质的组成、温度和压力发生的变化。Chen Q S和Prasad V【7】对LNG 加气站中LNG 低温储罐建立了热力学和传热模型，用来探究内罐向外界漏冷的不同机理；Boukeffa D等【8】对一个低温液氮容器的传热和冷泄漏进行了实验研究和模拟分析。

上述研究者大多数对储罐的整体温度场分布进行了分析研究，对储罐局部易漏冷部件尤其是罐顶冷接管的针对性研究并不多。由于结构原因，罐顶冷接管存在局部漏冷问题，为了减轻漏冷处结露，有必要对影响漏冷处结露的因素和条件进行分析研究。

本文以预应力混凝土全容式LNG 储罐的顶部进料管为例开展研究工作，提出了一种基于罐顶冷接管局部温度场分析模型和储罐建设地气象条件的冷接管局部结露概率及程度的判断方法，并采用该分析模型对影响冷接管结露的一些参数进行了系列化分析研究，藉此找出一些规律，为罐顶冷接管的结构优化设计提供依据。

1 顶部进料管温度场分析模型

1.1 有限元模型

LNG 储罐罐顶的冷接管内部流通的介质温度为-163 ℃，为了避免冷接管内介质温度直接作用在罐顶，需要在冷接管和罐顶之间采用保冷套管进行过渡，冷接管与保冷套管之间的间隙填充保冷材料。在保冷套管的顶部，通过盖板、筋板及环板连接冷接管和保冷套管，并在冷接管及保冷套管上部外表面设置保冷。冷接管和保冷套管之间存在冷桥漏冷现象。本文所述的顶部进料管各部分结构、尺寸和材料见图1。

图1 顶部进料管N1结构、尺寸和材料及传热边界示意

本文选用 ANSYS中8节点 SOLID70热实体单元来模拟整个传热过程。根据前期试算，接管、弯头部分对关注部位的温度场分布几乎没有影响，模型建立时将其省略；底套管和底环板在模型建立时亦省略。有限元模型结构见图2。

图2 顶部进料管有限元模型

1.2 边界条件

顶部进料管接管内部运输液化天然气，此处基本保持-163 ℃的恒定温度；储罐外部整个大气环境在一定时间范围内温度变化较小，可以视为温度恒定；储罐内部吊顶以上、拱顶以下的气体环境，沿竖直方向从下到上温度逐渐升高，由实际温测数据可知，这部分温度变化范围为低于大气温度10～3 ℃。

根据以上分析，在接管内表面设置恒定温度载荷-163 ℃。在与外界大气环境接触的部件表面(图1加粗波浪线示意的部位)设置对流传热边界条件，对流传热系数取值按25 W/(m2·℃)。考虑到储罐内部吊顶以上、拱顶以下气体环境的不均匀性，设定温度呈线性变化的气体环境，于接触表面(图1细波浪线示意的部位)设置自然对流传热边界，考虑传热系数18 W/(m2·℃)。各部件传热系数见表1。

表1 顶部进料管各部件材料及性能参数

1.3 网格划分及网格无关性验证

模型网格划分见图3，全部采用映射网格规整六面体结构以保证精度，单元数量78 300个。为了验证网格无关性，设置了网格加密1倍的模型，单元数量142 428个，对比后发现温度场分布几乎相同，关注点处(保冷套管与混凝土凸台相交处)温度值相差仅0.5%。为兼顾计算速度和准确性，后续计算采用单元数量78 300个的模型。

图3 顶部进料管网格划分

2 基于气象条件的局部结露判断

结露是指空气中的水汽能达到饱和状态时，若环境温度继续下降，则开始出现空气中过饱和的水汽凝结水析出的现象。参考空气温度湿度对照表，可以得到某个环境条件的露点。据此环境条件对罐顶冷接管模型进行局部温度场分析，得到关注点处的温度大于露点的结论，表明在此环境条件下，关注点处不会结露。关注点处温度高于露点温度的差值越大，越不容易结露。在工程应用中，保冷结构是基于建设地气象条件，按夏季空调室外计算干球温度、最热月平均相对湿度条件下保冷结构表面无凝结的原则进行计算后确定的，且校核外表面温度时，关注点处温度高于露点温度1 ℃以上时，才可判断为不结露。下面以夏季空调室外最热月平均相对湿度值较高的茂名为例进行计算和结露判断。茂名夏季空调室外计算干球温度为33.5 ℃，最热月平均相对湿度为85%，露点为30.6 ℃。

利用第1节中建立的模型进行有限元的传热计算并绘制温度场分布云图。顶部进料管与外界大气环境接触的部件表面对流传热系数取为25 W/(m2·℃)。图4是计算所得的顶部进料管中心横切面温度场分布和部件温度场分布。由图4 可知：顶部进料管的温度场分布，内接管内壁温度接近-163 ℃；裸露在大气环境中的管道外保温层外壁接近设定大气温度33.5 ℃；在接管和保冷套管连接部分，由于金属的导热系数远大于保冷材料，冷量沿盖板、环板和筋板组成的“冷桥”快速传向保冷套管上端，此处温度分布与顶部进料管其他部位有显著不同，保冷套管靠近“冷桥”的部分温度明显低于周围保冷结构。

根据部件温度场分布云图可以计算得到关注点处的温度值为29.092 ℃，比露点温度低1.508 ℃，所以在上述温度和湿度条件下，LNG储罐顶部进料管保冷套管与混凝土凸台相交处会发生结露现象。用同样的方法可以得到其他建造地的结露情况，统计结果见表2。由表2可以看到，不同建造地结露的概率和程度是不同的，夏季空调室外干球温度高、最热月平均相对湿度较大的地方易发生结露现象。

图4 顶部进料管在设定工况的温度场分布云图

表2 不同建造地顶部进料管结露情况

3 大气对流传热系数对结果的影响

下面对顶部进料管与外界大气环境接触的部件表面对流形式(即对流传热系数的取值)对关注点处结果的影响进行分析。对流传热系数的取值根据空气自然对流传热系数的取值范围10～25 W/(m2·℃)和强制对流传热系数的取值范围20～100 W/(m2·℃)设定为12、 18、 24、 30、 36、 42、 48、 54和60 W/(m2·℃)。气象条件依然取茂名夏季气象条件， 分别计算这9组条件下关注点处的温度值并绘制变化曲线，如图5所示。分析结果可知： 随着对流传热系数的增加， 关注点处温度值增加， 增加的幅度从大到小； 在12～36 W/(m2·℃)范围内， 增大对流传热系数对于提高关注点处温度值、降低结露概率非常有效，超过36 W/(m2·℃)后，这种变化效果显著降低。

图5 不同大气对流传热系数条件下的计算结果变化曲线

4 保冷套管外露(不保温段)长度对结果的影响

本文还研究了外露于外界大气环境的保冷套管长度对关注点处结果的影响。计算气象条件依然取茂名夏季气候条件。图6给出了保冷套管外露长度为150、200、250、300、350、400和450 mm时关注点处的温度值变化曲线。分析结果可知：随着保冷套管外露长度的增加，关注点处温度值增加；在一定长度范围内，增加保冷套管的外露长度，关注点处温度值升高较快，能有效降低结露概率，超过某一长度后，这种变化效果显著降低。

图6 不同保冷套管外露长度条件下的计算结果变化曲线

5 结论

针对大型LNG 储罐罐顶冷接管的冷泄漏问题，以预应力混凝土全容式LNG 储罐的顶部进料管为例开展研究工作，建立了罐顶冷接管局部温度场分析计算模型，并在此基础上结合储罐建造地气象条件提出了判断罐顶冷接管关注部位结露概率和程度的方法，即根据建造地夏季空调室外计算干球温度、最热月平均相对湿度条件，评估罐顶冷接管表面是否结露，且关注部位表面温度高于露点温度1 ℃以上时，判断为不结露。

通过对影响罐顶冷接管局部结露的3个参数——建罐地区气象条件、大气对流传热系数和保冷套管外露长度进行研究，可以得到以下结论：

1) 不同建造地结露的概率和程度是不同的，夏季空调室外干球温度高、最热月平均相对湿度较大的地方易发生结露现象。

2)冷接管处空气的对流传热对是否结露影响显著。一定范围内增大对流传热系数对于提高罐顶冷接管表面温度、降低结露概率效果显著，但当对流传热系数超过一定范围后，其对是否结露的影响减小。冷接管处空气对流传热系数的大小随建造地气候条件的变化而变化，如果建造地多风，有利于防止冷接管处结露的发生。

3) 增加保冷套管的不保温外露长度，对于提高罐顶冷接管表面温度、降低结露概率效果明显，但超过一定长度后，这种效果大大降低。