液化天然气储罐预冷过程温度场数值模拟

匡以武，耑锐，王文，朱菊香

（1上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240；2浙江工业大学化工学院，浙江 杭州310029）

引 言

液化天然气 （LNG）技术解决了天然气的存储、运输问题，同时还广泛用于民用燃气系统的调峰。大型LNG储罐是LNG接收站最重要的存储设备，储罐工作压力约为0.1MPa，温度为－162℃［1］。通常罐内壁采用9%镍钢，外罐由预应力混凝土材料建成。在内外罐之间以及储罐吊顶都设计有保温材料，以确保储罐的日最大蒸发量低于安全值［2］。工程应用中，首次投入使用的LNG储罐，在LNG充注储罐之前，首先要进行预冷，避免出现急剧和非均匀降温导致的罐体应力集中和罐内压力骤升。LNG储罐的预冷是整个储罐投入使用过程中风险最高，难度最大的环节［3］。

朱鸿梅等［4］对大型LNG储罐预冷过程中角部绝热结构的温度场进行了数值模拟，指出在预冷的初期，储罐侧壁的降温速度较慢且温度梯度小，储罐底部的降温速度较快且温度梯度大。陈帅等［5］建立了LNG储罐预冷的集总参数数值计算模型，指出在确保罐内温差正常的情况下，应尽可能地提高冷却速度到5K·h－1，以便减少闪蒸汽 （BOG）的排放。然而陈帅的模型并没有考虑到储罐侧壁与底部的不同之处，模型仅能计算储罐的平均温降速度。

LNG储罐的预冷操作是通过环形均匀布置的喷嘴向储罐内小流量喷淋LNG，通过控制喷淋流量调整相变蒸发与对流换热，从而达到控制罐体温度下降速率的目的。预冷过程涉及储罐内气体的非稳态流动，多组分工质相变传热和传质以及大空间对流换热过程，目前对其复杂的耦合机理研究尚不充分，喷淋用的喷嘴的布置也主要依靠操作经验。本文建立了LNG储罐喷淋预冷过程的热流固耦合计算模型，进行了数值模拟，针对罐内热流场对壁温分布的影响进行了分析探讨。

1 储罐物理模型

图1为LNG储罐示意图，LNG经喷淋管线进入喷淋环，然后自均匀布置在圆形喷淋环上的锥形喷嘴喷淋进入储罐。LNG喷淋前，储罐内已经过BOG气体置换。喷淋时，LNG由喷淋环上的实心圆锥喷嘴均匀地喷入储罐，由于储罐内气体对于液滴的黏滞作用，液滴水平喷射速度迅速衰减，进而转变成竖直向下降落，因此喷淋的LNG液滴只能覆盖有限的储罐区域，图1中的储罐中心喷淋区域即是指喷嘴喷淋的液滴最大能覆盖的范围［6］，由于储罐金属壁面太薄，图中未画出。

在LNG液滴飞行的过程中，由于液滴温度很低，气体温度很高，液滴不断从周围的气体中吸收热量并迅速汽化成低温气体，然后迅速与周围气体混合。由于LNG从喷嘴以较大的速度喷出，LNG液滴自身具有动量，液滴汽化的同时，会将动量传递给了气体。LNG液滴汽化，体积迅速膨胀，也会推动气体流动。获得了动量的气体，在储罐内流动，形成流场，进而引起储罐内温度场的变化。储罐壁面和底面与内部低温气体发生对流换热，温度不断降低，直至预冷过程结束。

在本文的模拟中选择160000m3地上全容式LNG储罐为研究对象，储罐内壁半径40m，壁厚0.7m，罐顶最大高度50m，储罐筒体高度37.5m。罐内喷淋环直径13m，喷淋环上均匀布置32个实心圆锥喷嘴。模拟过程中，LNG喷淋速度为40m3·h－1。

图1 LNG储罐计算示意图Fig.1 Schematic of LNG tank

2 数学模型

储罐预冷过程中，罐内气体受到液滴飞行和汽化过程的扰动而发生流动，液滴由于气体的黏滞作用主要是垂直向下降落，因此基本控制方程如下。

气体连续性方程：

液体连续性方程：

气体动量方程［7－8］：

气体能量方程：

储罐壁能量方程：

数值模型满足以下基本假设：

（1）液体从喷嘴喷出后，速度迅速降低到下降的平衡速度，不考虑速度衰减过程；

（2）当液滴达到平衡速度后，液滴速度保持恒定，不考虑液滴对气体的作用力；

（3）液滴在喷淋区内沿径向均匀分布；

（4）忽略罐内气体的可压缩性；

（5）液体处于热力学饱和态，并假设储罐气体排放能力足够，罐内压力保持恒定，液滴吸收热量全部用于汽化［9］；

（6）由于储罐吊顶采用了保温结构，且储罐的穹顶内气相部分具有较好的隔热作用，因此忽略顶部的环境漏热。

3 计算方法及结果

3.1 计算方法

本文采用了有限容积法，对模型的控制方程进行了离散化求解，利用MATLAB编写了数值模拟程序，对于压力场和速度场的耦合，采用SIMPLE算法求解［10－11］。由于储罐金属内壁较薄，在此附近需要对网格进行局部加密，数值计算的网格划分示意图如图2所示。图中曲线包裹的区域即为喷淋出的LNG液滴所能覆盖的区域。

图2 计算网格示意图Fig.2 Calculation mesh

3.2 计算时间步长的选择

由于计算的重点是反应储罐壁温随时间的变化，因此选用储罐底部中心位置的壁温变化来验证时间步长对计算结果的影响。通常，选用小的时间步长计算的结果比较大的时间步长结果更精确，但是计算所需的时间会成倍增长，当时间步长对计算结果的影响不大时，为节省计算时间，通常选择较大的时间步长。图3显示，0.5s和1s的计算结果基本吻合，考虑计算所需的机器时间，因此实际选用1s作为计算时间步长。

图3 不同时间步长下储罐底部中心温度的变化Fig.3 Temperature variation at tank bottom for different time steps

4 数值模拟结果与讨论

储罐的计算初始温度为10℃，环境温度20℃，LNG喷淋流量为40m3·h－1。

图4给出了在LNG喷淋流量为40m3·h－1的情况下，预冷的开始阶段，LNG储罐内温度的变化。由图可以看出，当LNG喷入储罐后，吸热汽化，造成罐内局部气体温度降低，随着喷淋的继续，低温气体向下运动，到达底面后沿底面向四周扩散，当运动到侧壁后，又沿侧壁向上爬升，进而使储罐内温度趋于均匀。

上述过程可以解释为当LNG进入储罐后，储罐内气相温度很高，LNG首先在喷嘴的出口处汽化，该区域的气体温度迅速降低。由于LNG从喷嘴以较大的速度喷出，LNG液滴自身具有动量，液滴汽化的同时，会将动量传递给气体。另外，LNG液滴汽化，体积迅速膨胀，这也会推动气体流动。从图5可以看出，获得动量的气体向下运动，遇到底面后向四周扩散，最后沿侧壁向上爬升，进而在储罐内形成流场。此过程中，由于低温气体的流动，储罐内温度场趋于均匀，同时温度较低的气体和储罐壁面间发生对流换热，储罐壁面温度不断降低，从而达到预冷的目的。

图4 预冷过程中储罐温度变化Fig.4 Temperature field

图5 预冷过程中储罐流场变化Fig.5 Velocity field

图6 储罐底部中心的温度变化Fig.6 Temperature variation at tank bottom center

图6是储罐底部中心的温度随时间的变化。可以看出，储罐底部中心的温度并不是随着预冷过程的进行而一直降低的，当储底部温度降低到一定程度后，底部中心区域出现了温度不减反增的现象，从温度的径向分布也可以看出，中心区域的温度会高于其他部分。这是因为当喷淋的液滴喷到储罐的底壁后，在壁面汽化，产生的气体无法及时沿底面向四周扩散，从而在储罐底部的中心区域积聚，形成二次流动，如图7所示。二次流动阻碍了储罐与内部低温气体的对流换热，同时，底部的混凝土对内部的导热还在继续，因此在二次流动区域出现了温度不减反增的现象。随着预冷的继续，底部混凝土的热量充分释放，液滴在储罐的底壁上汽化量减小，产生的新气体量减少，二次流动区域逐渐被压缩，底部中心区域的温度又重新下降。

而在预冷的初始阶段，底部中心区域没有出现温度上升是因为初始阶段，罐内气相温度较高，液滴运动到储罐底部前就已完全汽化，无法到达罐底汽化形成二次流动，因此底部中心区域温度在预冷前期不会出现升高的现象。

图7 储罐底部中心区域二次回流流场Fig.7 Backflow velocity field at tank center

5 结 论

本文针对LNG储罐喷淋预冷过程，建立了热流固耦合计算模型，模拟了预冷过程中储罐内以及储罐壁的温度场的变化，分析了预冷过程中储罐内流场和储罐壁面温度的变化。

（1）模拟结果显示，喷淋进入储罐的LNG液滴并不能完全覆盖整个储罐，液滴进入储罐后，速度迅速衰减并转成垂直下落，同时液滴不断吸热汽化，造成罐内局部气体温度降低，随着喷淋的继续，低温气体向下运动，到达底面后沿底面向四周扩散，当运动到侧壁后，又沿侧壁向上爬升，进而使储罐内温度趋于均匀，达到储罐预冷降温的目的。

（2）由于储罐的底部中心区域出现二次流动，阻碍了储罐底壁与内部低温气体的换热，同时由于混凝土对容器的导热，造成容器底部中心区域的温度不减反增的现象。然而随着储罐预冷的进行，底部混凝土热量释放，二次流动逐渐消失，储罐底部的温度又重新开始下降。二次流动区域的出现主要受喷淋装置的布置以及喷淋流量的影响。

符 号 说 明

cp——比定压热容，J·kg－1·K－1

Hlg——汽化潜热，J·kg－1

p——压力，Pa

T——温度，K

t——时间，s

u——速度，m·s－1

α——体积分数

λ——热导率，W·m－1·K－1

μ——黏度，Pa·s

下角标

g——气体

l——液体

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