大型LNG 储罐预冷分析模型与工程应用研究

张晨 陈峰 王亚群 安东雨 吕梦芸 孙亚娟(中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028)

0 引言

液化天然气(LNG，Liquefied Natural Gas)发展潜力巨大，是国内外大力发展的新能源产业，具有光明的发展前景[1]。但是快速发展LNG 产业离不开大型储罐的兴建，作为接收站最重要的工艺储存设备，其安全运行对整个LNG 产业链的顺畅具有举足轻重的作用。

储罐预冷过程中由于较大(共计约200℃)的温度变化，在热载荷作用下，会造成结构热应力集中、内罐不均匀冷缩引起变形等不利作用，威胁储罐的长期安全稳定运行。这一问题在22 万m3储罐工程建设中表现的更为突出。为有效控制大型储罐预冷工程的相关参数，防止出现热应力结构损伤，保障储罐结构安全。本文围绕储罐预冷过程，建立储罐预冷结构分析模型，并结合储罐预冷温度模型，确定由预冷造成的储罐应力分布，为LNG 储罐预冷提供安全经济且合理的方案，辅助实际工程实施。

1 储罐预冷分析模型建立

1.1 储罐基本情况

储罐基本结构如图1 所示，其核心包括钢制内罐、混凝土外罐及两者之间的保冷系统。

图1 LNG储罐

1.1.1 钢制内罐

22 万m3LNG 储罐的内罐半径43m，高度41.8m，包括筒体和罐壁上的加强圈，材料为EN10028-4X7Ni9 钢。内罐筒体由内罐底板和内罐壁组成。

(1)内罐底板外侧环板厚度20mm，环板区域宽度929mm，罐底中幅板厚度6mm。

(2)内罐壁厚度沿高度变化，罐壁上有5 道加强圈。

1.1.2 混凝土外罐

外罐由标号C50 的混凝土建成，自下而上包括：

(1)混凝土底板：半径46.7m 的混凝土圆板结构。

(2)混凝土墙体：外罐墙体为混凝土筒体结构，由主墙和上部环梁组成，墙体内半径44m，主墙体厚度1.0m，环梁段厚度1.2m，高度3.5m。

(3)穹顶混凝土：内半径为88m，分层建造底层混凝土厚度为0.33m。

1.1.3 保冷系统

布置于内罐与外罐之间，包括罐底、罐壁以及罐顶保冷，三部分为一个整体，对内罐形成封闭的保冷空间。

1.2 结构模型

根据LNG 储罐结构特征，分内罐、外罐、保冷三部分进行模型建立工作。储罐各个部分模型建立情况如下：

1.2.1 钢制内罐

内罐为板梁组合结构，采用合适的单元类型对内罐不同结构进行建模，模型如图2 所示。

图2 钢制内罐

1.2.2 混凝土外罐

混凝土外罐模型如图3 所示。

图3 混凝土外罐

1.2.3 保冷系统

保冷系统为三维结构区域，内部材料区域复杂，结构形式多样，采用实体单元来进行建模，模型如图4 所示。

然后通过网格装配技术完成各部分之间的整体化装配，以确保力学意义上的载荷传递和位移协调，最终建立的LNG 储罐模型如图5 所示。

1.3 温度模型

针对LNG 喷淋降温的预冷方式，采用FLUENT 分析系统构建储罐预冷温度模型：

1.3.1 气液两相模型

基于离散相模型模拟喷淋出的LNG 液相颗粒[2]；LNG 颗粒挥发产生的低温天然气及其在储罐内的分布情况采用组分运输模型进行模拟。进而确定由LNG 喷淋挥发、气相分布造成的罐内温度降低及其分布情况。

1.3.2 湍流模型

选择k-ε 湍流模型以适应大尺度、高湍流计算[3]，并匹配计算网格。

1.3.3 热载荷传递模型

为反映预冷过程中温度变化导致的储罐热载荷，开发基于节点映射的温度差值算法，实现温度预测结果作为热边界条件赋予储罐结构有限元模型，实现温度热载荷从温度模型向结构模型的实时同步传递。

1.3.4 边界条件

建立温度模型边界条件，注入口为LNG 喷嘴定义的颗粒入口条件；出口为储罐排空阀，为环境压力和温度条件；罐壁为由壁面温度/厚度、保温层材料属性定义的墙边界条件。

基于以上模型，基于Intel(R)Xeon(R)CPU E5645，在保证计算收敛稳定、结果准确的基础上，实现了模型计算时间和实际预冷时间5:1的计算效能，即每5h计算时间可预测1h预冷情况，满足了工程需要。

2 储罐预冷分析应用

以某项目建设的22 万m3储罐为对象，开展预冷分析模型的应用研究。

2.1 储罐预冷温度计算

在满足BS EN 14620 冷却速度要求的情况下[4]，在环境温度40℃时，所需总喷淋降温时间为50h，不同时刻模型预测的罐内温度分布情况如图6 所示。

2.2 均匀温降储罐应力分析

根据储罐预冷温度模型，在均匀喷淋降温的条件下，罐内不同位置应力结果如下。

2.2.1 内罐应力

(1)底板及壁板。预冷初期1h 及预冷结束50h，底板及壁板Von Mises 应力结果如图7 所示。

基于应力云图，底板与内罐壁接触处、底板中心位置及内壁上部应力较大。预冷结束时，内罐底板中心位置应力最大值为32MPa，内罐壁底板与管壁相交处应力最大值为22.4MPa，内罐壁顶部应力最大值为136MPa。在整个预冷过程中LNG 储罐内罐整体的最大应力为162.8MPa，位于内罐与中间保温层的接触位置。

图4 保冷系统

图5 22万方LNG储罐有限元模型

图6 预冷LNG储罐内温度分布

图7 LNG储罐内罐壁及底板应力分布

(2)加强圈。内罐加强圈Von Mises 应力结果如图8 所示。在整个预冷过程中，内罐加强圈最上圈应力相对较大，最大应力值为6MPa。

图8 内罐加强圈应力分布(50h)

2.2.2 外罐应力

预冷结束时，外罐不同位置Von Mises 应力如图9 所示。其中，外罐墙体中部应力较大，最大值为2.7MPa；底板边缘应力较大，最大值为3.4MPa；外罐穹顶的边缘处应力较大，最大值为1.4MPa。

2.3 局部过冷应力分析

实际喷淋过程难以实现完全的均匀温降，可能发生LNG液滴滴落在储罐内罐底板，造成罐底底板的局部低温过冷，外罐与内罐中间受保温层隔离，受液滴滴落的影响很小，故针对LNG 液滴滴落内罐底板开展局部应力分析。

根据温度模型，液滴滴落后，滴落处内罐底板温度及Von Mises 应力随时间变化曲线如图10 所示。

在滴落处，钢板温度快速降低，在15s 内可降低至-118℃，之后温度变化趋于平缓，在1000s 时温度降至-131℃。根据计算结果，液滴滴落后，内罐底板应力快速增长，在15s 时达到最大值，为237.23MPa，此后随温度的逐步扩散应力呈现先降低后提升的趋势，最终趋于稳定时的230.7MPa。

3 储罐预冷工程应用

根据计算情况，在满足BS EN 14620 冷却速率要求的情况下，在预冷速率相同的条件下，储罐内罐最大应力为162.8MPa，外罐最大应力为3.4MPa，均小于储罐钢材和混凝土可允许的最大应力207MPa 和36MPa，可有效保障储罐在预冷过程中的结构安全。当发生LNG 液滴滴落，出现局部过冷时，储罐内罐底板最大应力237.23MPa，超过了材料的许用应力207MPa，存在局部应力破坏的情况。

基于模型分析，开展某22 万m3LNG 储罐的预冷优化设计。一方面，利用LNG 远洋运输船扫仓泵替代卸料泵，以增大预冷LNG 供给压力；另一方面，增大储罐预冷LNG 供给管线管径以减少压降。两方面结合，可提高LNG 喷淋阀操作压力，降低LNG 液滴颗粒粒径，提高LNG 雾化效果，防止出现液滴滴落，提高预冷效果。同时，在现场作业过程中，密切监视罐体温度，保证罐壁温度低于罐底温度，确保自上而下的整体降温过程。

开展了某储罐实际工程应用，在37℃～43℃环境温度下，完成预冷时间为52.6 小时，未出现异常情况，圆满达到了工程目标。同时，模型预测数据与现场监测数据对比取得了很好的一致性，对罐底中部关键性参数温度的预测误差在3%～7%，充分反映了模型预测的高精度，如图11 所示。同时，根据模型预测和现场反馈情况，可进一步开展冷却速率提升的研究，以降低作业时间，提升效率。

图9 储罐外罐应力分布(50h)

图10 LNG滴落处温度/应力变化

图11 现场监测与模型预测数据对比

4 结语

本文面向国内在建容量最大的22 万m3储罐，围绕储罐预冷过程，建立了储罐预冷结构分析模型，并结合储罐预冷温度模型，确定了由预冷造成的储罐应力分布，实时分析储罐预冷过程受到的热应力作用，完成对储罐结构应力的影响分析，确定在预冷过程中储罐内部结构的主要危险点，为LNG 储罐预冷提供了安全、经济合理的方案，辅助实际工程实施，弥补了22及以上大型LNG 储罐三维预冷仿真的空白，具有良好的工程推广应用价值。