LNG储罐漏热数值计算模型分析

2021-03-25李嘉浩

新型工业化 2021年11期

李嘉浩

（西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065）

0 引言

LNG的低温特性使得其对于储存过程中的温度（约-162.5℃）控制极为敏感，一旦环境温度升高，外界进入储罐内部的热量增加，导致液态的LNG大量蒸发，储罐压力上升至安全阀打开，排出蒸发气进行泄压，造成大量的资源浪费与环境污染。合理的储罐结构保冷设计是减缓外界热量入侵的基础，而对于漏热量的计算分析是LNG储罐在大型化设计及校验过程中必不可少的步骤。

对于大型储罐结构漏热的数值计算研究一直存在争议，通过调研发现，国内外对于LNG储罐的漏热分析多采用数值计算与数值模拟结合的方法，但多数直接采用数值模拟的漏热分析过程中忽略了对漏热方式的考虑，导致整个分析过程复杂、繁琐甚至严重脱离实际[1-2]。为此采用不同的数学方法，分别计算罐顶、罐壁与罐底漏热量，同时对储罐的漏热方式进行分析，为合理确定LNG储罐结构温度场及内部流场边界条件提供一定的数值指导。

1 LNG储罐传热分析

由于LNG储罐包含低温液体，因此进行有效的热分析对于成功设计至关重要。LNG储罐的结构细节非常复杂，需要采取一些方法来快速有效地计算其漏热情况[3-4]。为此，利用稳态下的热平衡条件，分别考虑了储罐各部分的传导、对流和辐射传热途径，为确定储罐的主要漏热方式提供一定的理论基础。

1.1 热传导

热传导主要存在于储罐各固体壁面之间，内罐、外罐以及保温层均为多层结构，外界热量通过混凝土外罐，经保冷层进入金属内罐，进而向内部流体传导，产生的热量与温差之间的关系通过下式计算：

1.2 热对流

环境风与外罐外表面、LNG与内罐内表面等流体与固体之间的换热均为对流换热过程，满足牛顿冷却公式：

1.2 热辐射

储罐由于热辐射导致漏热的位置主要集中在太阳照射的外罐外表面以及由吊顶与拱顶组成的封闭腔之间：

2 LNG储罐漏热计算

全容式LNG储罐的结构非常复杂，漏热受多种因素影响，因此包括所有组件在内的完整漏热分析模型将非常繁琐，甚至不切实际。为此设定热流量平衡，考虑上节提到的三种漏热方式，采用不同的方法分别计算储罐设计阶段273至333K七种外界温度下不同位置主要结构的漏热量，储罐结构参数见文献[5]，为确定储罐各部位漏热量的大小奠定理论基础。

2.1 罐顶漏热量计算

罐顶是LNG储罐结构中极为复杂的部分，全容式LNG储罐的罐顶主要由拱顶与吊顶两部分组成，分别计算273至333K七种外界温度下，罐顶不同传热方式下的漏热量，所得计算结果见图1。由漏热量结果可知，罐顶的主要保冷部位为吊顶，拱顶处的温降在1~3K左右，整个罐顶的主要漏热方式为热传导。方法1考虑内部对流的漏热量较方法2的外部对流漏热量较大，考虑对流与辐射的综合效果会减少罐顶的漏热量，但影响较小，故在罐顶的漏热分析过程中可只考虑热传导带来的影响。

图1 不同外界温度下罐顶不同传热方式的漏热量

2.2 罐壁漏热量计算

储罐罐壁由外罐与保冷层等环形结构将内罐层层包裹而成，假设各绝热层之间接触良好，则罐壁的传热方式可考虑为热传导与热对流[6]。分别计算273至333K七种外界温度下，罐壁不同传热方式下的漏热量，所得计算结果见图 2。由计算过程及结果可知，方法1中对流项对漏热量的影响非常小，方法2与方法3采用的方式会导致计算的漏热量偏小，且方法2在方法3的基础上增加了对流厚度，导致漏热量降低。故在罐壁漏热的设计阶段可考虑其主要漏热方式为热传导。

图2 不同外界温度下罐壁不同传热方式的漏热量

2.3 罐底漏热量计算

为防止由于温度过低导致罐底土层冻结而对基础性能造成损坏，储罐底部混凝土承台设有加热系统，故罐底漏热计算中将对流的影响等效。分别计算273至333K七种外界温度下，罐底在等效方法与传导方法下的漏热量，所得计算结果见图 3。由计算结果可知，两种计算方法的漏热量相同，故采用热传导的方法可满足设计过程中的计算需求。