大型LNG储罐整体温度场分析的参数化建模和计算

万里平，武铜柱，李晓琳

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

作为一种绿色清洁能源，液化天然气的工业应用日益广泛。目前国内对于天然气的需求增长迅速，正进行大批LNG 接收站的设计和建设。

LNG接收站主要储存设备为大型低温LNG储罐。由于储罐存储介质温度极低，约为-165 ℃，与罐体外部环境温度相差巨大，因此，储罐罐体的保冷结构设计尤为重要。通常情况下，罐体的保冷结构主要由罐底保冷、内外罐之间保冷、储罐吊顶保冷等几部分组成，各部分因考虑不同的温差和相应的强度需求，需设置不同的保冷材料。前人在储罐温度场分析方面做了大量工作，朱鸿梅等【1】研究了LNG储罐角部绝热保冷结构的重要性；王明伍等【2】研究了不同环境温度和不同泄漏工况下，热角保护处的温度场；李兆慈等【3】计算了稳态工况下储罐的温度场，分析了不同环境温度、液位高度和对流换热系数对储罐温度场分布的影响。

LNG储罐的大型化是大势所趋，温度场计算是储罐设计的重点之一，为避免重复建模，并提高工程技术人员的计算效率，本文介绍了储罐整体温度场参数化建模计算，分析了不同环境温度下储罐的温度场分布情况，研究了介质发生泄漏的异常工况下储罐的温度场情况。

1 模型介绍

外罐为预应力混凝土罐的低温储罐保温结构复杂，其保温结构主要由以下几部分组成：

1) 罐底保冷，由混凝土或珍珠岩混凝土圈梁、素混凝土层、泡沫玻璃砖及高强度泡沫玻璃砖等组成；

2) 热角保护，由泡沫玻璃砖和玻璃棉毡组成；

3) 罐壁保冷，由弹性毡和膨胀珍珠岩组成；

4) 吊顶保冷，主要结构为玻璃棉毡。

图1所示为某预应力混凝土外罐的LNG储罐结构，该储罐基础采用无伴热的架空承台形式。本文以该储罐为例进行参数化建模介绍和异常工况分析。

金属内罐壁板与保冷结构(如泡沫玻璃砖弹性毡等)相比，厚度方向尺寸差别较大，在模型网格划分时，如果两者同时出现，网格质量难以保证。由于金属的导热系数较大，壁厚与保温结构相比较小，因此，热量通过金属壁板时，温度梯度较小，在对预应力混凝土罐进行整体温度场分析时，可以忽略金属壁板的厚度对热传导的影响，不必考虑金属壁板的模型。

图1 预应力混凝土罐结构示意

外罐为预应力混凝土罐的LNG储罐保冷结构几何参数很多，对于本文分析的罐体，共整理出48个几何尺寸参数。图2所示为罐底保冷部分参数。实际使用时，工程人员将各尺寸参数输入表中，然后将Excel表生成可以被ANSYS软件读取的文本文件，以达到高效输入尺寸数据的目的。

图2 罐底保冷几何参数示例

对于储罐的温度场分析，由于几何模型和温度载荷都是轴对称的，所以本文选用二维热分析单元PLANE55。该单元具有4个节点，每个节点只有1个自由度，适用于稳态或瞬态热分析，也可以考虑由常速流动的质量所输送的热流。其单元几何图形如图3所示。

对储罐进行网格划分。稳态热分析对于网格密度的要求较结构分析宽松，考虑本结构中不同保冷结构的尺寸差别较大，对于厚度方向小于20 mm 的线，划分为1个单元， 其余面按总体尺寸50 mm划分， 保证每个单元的长宽比不大于5， 以保证计算的合理性。本储罐网格模型见图4。

图3 储罐温度场分析使用单元PLANE55

2 整体温度场分析的多种工况计算

预应力混凝土储罐温度场分布情况随环境平均气温不同而不同，因此，一年内不同季节，环境气温的变化及太阳热辐射强度变化，储罐的温度场也会随之发生改变。实际运行过程中，储罐可能出现介质泄漏的异常工况，包括轻微泄漏、中度泄漏和重度泄漏。

图4 储罐网格模型

其中，轻微泄漏为TCP底部2 m范围内的液体泄漏量；中度泄漏为在TCP和外罐连接点封板以上6 m的液体泄漏量；重度泄漏为内罐失效情况下，外罐承受全部罐内LNG液体。

采用参数化模型，可以方便工程技术人员对不同泄漏情况的温度场进行快速计算。下面对介质泄漏的异常工况进行温度场分析，了解储罐在异常工况出现时，罐体各部位的温度分布情况。

在温度场分析之前，对热分析涉及的边界进行简要说明。本文模型热分析的边界条件涉及了传热的3种形式：传导、对流、辐射。

1) 热传导

当1个物体内部或连续的物体之间存在温度梯度，能量就会由高温区向低温区转移，这样的传热方式称为热传导。傅立叶定律给出了热传导的计算公式，见式(1)。

(1)

式中：q——热流量，W；

k——导热系数，W/(m·℃)；

A——传热面积，m2；

对于预应力混凝土罐的模型，同一种保冷结构内部的传热、不同保冷结构之间的传热都属于热传导。

2) 热对流

对流传热采用牛顿冷却定律计算：

Q=λA(Tw-T∞)

(2)

式中：λ——对流传热系数，W/(m2·℃)；

Tw——固体壁面温度，℃；

T∞——流体温度，℃。

储罐内部介质与内罐壁和内罐底之间的传热、外罐壁与环境中的空气之间的传热，都属于对流传热。

3)热辐射

辐射传热与前面两种传热方式不同。传导和对流都与介质有关，而辐射传热则是高温物体产生电磁波，向外发射能量而产生的传热。物体之间的辐射传热可以采用斯蒂藩-玻耳兹曼定律计算：

q=

(3)

Fθ——形状系数的函数；

σ——斯蒂藩-玻耳兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；

T1、T2——发生辐射传热的两个物体的温度，K。

吊顶保冷上表面与罐顶混凝土下表面的传热属于辐射传热。

2.1 载荷边界条件说明

进行温度场计算时，预应力混凝土外储罐的工况很多，而内罐罐内介质温度条件单一。罐体外部环境在不同季节、一天中不同时刻均不相同。通常，对于1台储罐，至少需要计算12种工况，见表1。本文选择其中的工况1～工况4进行研究。

表1 泄漏工况组合

储罐共6项温度载荷边界，其中边界1是内部介质与内罐壁、内罐底的对流边界；边界2是介质液位以上区域，气相介质与内罐壁和吊顶底的对流边界；边界3是气相与吊顶上部和外罐顶的辐射边界；边界4～边界6是空气分别与外罐顶、外罐壁和外罐底对流传热的边界。6项边界所在位置见图5。

工况1～工况4的温度场载荷边界示意见图6。从图6中可以看到，对应轻度泄漏、中度泄漏和重度泄漏，内外罐之间膨胀珍珠岩与浸没于介质的高度逐渐升高。这里需要说明，本文仅定性给出研究结果，实际工程中，随着环境温度、风速和操作工况的变化，对流边界条件也可能发生变化。本文的边界条件满足实际工程边界条件的合理范围。

2.2 计算结果分析

对工况1～工况4进行计算，得到各工况下储罐的温度场分布。下面对其进行对比分析。

图5 储罐温度场分析边界条件示意

首先看工况1，即年平均气温环境下，未发生泄漏的情况。图7中a)是储罐整体温度场分布云图，图b)是热角保护区温度场分布云图。

图6 工况1～工况4的温度场载荷边界示意

从图7中可以看出，罐体在正常无泄漏工况下运行时，保冷效果良好，最高温度位于罐顶，外罐壁温度与环境温度差异不大。热角保护处的结构可以有效保冷，外罐底温度接近环境温度。

工况2～工况4是介质出现泄漏的异常工况，图8给出了这3种工况下热角保护区及泄漏部位附近的温度场分布云图。由图8可以看出，当发生轻微泄漏时，热角保护结构可以有效阻止冷量向外扩散，外壁温度仍接近环境温度；当发生中度泄漏时，泄漏部位的罐壁温度大幅降低，外罐壁外侧温度低于零度，若环境湿度达到一定数值，将出现结露现象；当发生完全泄漏场，整个外罐壁，除热角保护附近温度与环境温度接近，其余部位温度均大幅降低，低于零度。轻度泄漏时，由于有热角保护的保温结构，泄漏介质的汽化量变化相对小，泄漏液位上部的传热影响与中度和重度泄漏比，相对较小；但中度和重度泄漏时，泄漏介质在珍珠岩区域会大量汽化，对液位以上保冷层的传热影响非常大，这一过程传热计算非常复杂，后续可做深入研究。

图7 工况1下的储罐温度场分布

图8 工况2～工况4下的储罐温度场分布

工程中出现完全泄漏工况概率极小，轻度泄漏和中度泄漏偶有发生，因此，需要重点关注这两种泄漏工况，尤其是中度泄漏的介质高度，以确定合理的热角保护高度，保证储罐的安全运行。

3 结语

在温度场计算过程中，通过对外罐为预应力混凝土的LNG储罐进行参数化建模，计算了异常泄漏工况下储罐的温度场分布情况。

对于泄漏工况，按照不同环境温度和泄漏程度，可以计算12种工况。本文选择工况1～工况4进行计算。当发生轻微泄漏时，热角保护结构可以有效阻止冷量向外扩散；当发生中度泄漏时，外罐壁外侧温度低于零度，若环境湿度达到一定数值，将出现结露现象；当发生完全泄漏时，除热角保护附近温度与环境温度接近，其余部位温度均大幅降低，低于零度。对于中度和重度泄漏工况，泄漏介质在珍珠岩区域会大量汽化，对液位以上保冷层的传热影响非常大，这一过程的传热计算非常复杂，可进一步做深入研究。

本文显示了参数化建模在储罐温度场计算中的便利性，文中所列工况仅是工程中可能发生的几种工况案例，而储罐实际运行过程中，泄漏程度都是随机出现的，参数化的模型和载荷边界输入，可以帮助工程人员迅速完成相关温度场计算，保证设计合理性，提高设计工作效率。