时变环境条件下LNG储罐泄漏温度场分布 特性对比研究

夏梦莹，陈团海，扬帆，计宁宁，李宇航(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(liquefied natural gas，LNG)是我国海上进口天然气的主要形式，我国目前拥有22个LNG接收站，20 万立方米及以上LNG储罐达75 座。“十四五”期间，另有拟、待建储罐约25 座[1]。LNG主要通过-168 ℃低温实现相态变化实现天然气的高效存储。LNG储罐保冷通过特殊的保冷结构实现，在设计与运维过程中，LNG储罐需要面临不同的气候环境条件，万里平等采用参数化建模和计算方法开展了LNG储罐整体温度场的变化特性分析[2]；匡以武等研究了预冷过程储罐的温度场变化，得出了数值模拟的相关数据[3]；施雯等对LNG储罐温度场的三维变化特征进行了分析与总结[4]；张林辉等[5]、方江敏等[6]分析了储罐漏热的影响因素 。除了常规工况外，泄漏等异常工况下，LNG储罐的低温环境的保障也格外重要，相关学者开展了不同泄漏工况下不同储罐不同位置的温度场分析。李鹏[7]、万成亮等[8]采用非线性有限元方法分析了储罐泄漏工况下外罐温度场；张娜等[9]重点研究了小孔泄漏工况下温度场的变化情况；谢剑等[10]重点研究了泄漏工况下外罐混凝土温度的变化；肖立等[11]综合考虑温度场与应力，在分析温度场的同时考虑了温度场对储罐结构应力的影响。

综上可以发现，目前针对泄漏异常工况下LNG储罐的温度场变化特性的研究缺乏考虑时变环境的耦合作用。针对此本文对不同季节外部温度条件下LNG储罐泄漏温度场开展分析，计算模拟出不同温度荷载、泄漏状况下，混凝土穹顶、罐壁、承台、保冷材料和储罐基础各部位的温度分布，系统地研究不同季节时变温度环境条件下不同泄漏工况储罐温度场的变化特性，并提供相关温度结果供后续开展热力耦合分析参考，为LNG储罐的运维管理提供数据支撑。

1 LNG储罐温度场计算有限元模型

1.1 几何与网格模型

因此经过简化后，在温度场分析过程中可以采用LNG储罐主体部分的轴对称模型开展分析。

本研究使用有限元软件ANSYS对储罐进行热分析，该模型主要用于研究储罐混凝土外罐温度，进行极端设计工况分析，因此二维模型中忽略了局部连接件、桩基础、钢质内罐(假设其为全导体)、钢筋及一天中太阳辐射相对于方位角的变化的影响。采用二维轴对称8节点实体单元建立储罐的热分析模型，该几何模型选取相邻扶壁柱之间某角度的轴对称截面，忽略了扶壁柱的存在。

经过分析，确定LNG储罐的轴对称几何结构后，可选用二维轴对称热单元模拟整个储罐结构，包括混凝土外罐，罐底保冷材料Grade 8泡沫玻璃砖及Grade 24泡沫玻璃砖，罐壁保冷材料膨胀珍珠岩和弹性毡，罐顶保冷材料玻璃棉等。轴对称单元应选用四节点四边形单元增加网格划分的规整性与计算结果的准确性，单元网格划分采用结构化网格划分方法。

1.2 载荷与边界条件

LNG储罐长期暴露于自然环境，而LNG又需要超低温的储存需求，因此需要查明在外部环境导致的不同温度边界与温度载荷作用下LNG储罐的温度变化特性，以保证外部温度变化不会对储罐内部介质温度带来影响。

LNG储罐受到温度载荷特性根据其来源不同主要分为两大类，第一类为外部载荷，包括LNG储罐表层收到的随环境变化的空气温度边界，因天气与季节影响的太阳辐射温度载荷；第二类为介质温度载荷，包括正常服役条件下LNG储罐内部的液化天然气基本恒定的-168 ℃温度载荷，以及可能发生某些意外情况下泄漏到LNG储罐外部空气中的LNG形成的低温载荷。综上，LNG储罐服役过程中涉及的多种时变环境温度条件与自身的工艺温度条件至少需要包括正常运行工况的温度载荷，泄漏工况的温度载荷，不同季节的环境温度载荷，太阳辐射导致的温度效应。

正常运行工况，因为假设内罐为全导体，罐顶、罐底、罐壁的保冷材料直接接触-168 ℃低温LNG液体，可以将在保冷材料内侧直接设定-168 ℃的温度边界条件，来模拟LNG低温介质对LNG储罐的温度载荷作用。

储罐发生意外泄漏时，LNG介质会根据泄漏位置高度的不同，形成不同程度的扩展，在温度场分析过程中，为了较为保守的考虑LNG泄漏造成的影响，假定泄漏的LNG介质在空气环境中还保持的较低的温度。基于以上假设，可以相应地在泄漏高度以下的混凝土外罐内壁及环形空间底上施加-168 ℃的温度边界条件，这温度载荷的施加代表此时泄漏高度以下的罐壁保冷完全失效，储罐温度场分布将受到较大影响。

2.政治体制改革目标。在政治体制改革方面，提出：“加快推进社会主义民主政治制度化、规范化、程序化，从各层次各领域扩大公民有序政治参与，实现国家各项工作法治化。”［1］

相对介质温度载荷条件，环境载荷在有限元数值模型中施加更为复杂，这主要因为两类温度载荷对LNG储罐的作用方式有一定区别。LNG储罐外部空气环境主要通过空气与LNG储罐混凝土外罐表面的对流换热对LNG罐体温度场产生影响。因为储罐外部环境变化往往较为复杂，在数值计算中完全采用真实环境温度会极大增加温度载荷的加载难度。因此在数值计算过程中，对环境温度载荷的考虑进行一定保守的简化，分别对夏季与冬季两种极端温度环境情况，取当地是最高温度与最低温度。

同时对于不同温度条件下空气对流系数采用差值的方式获得并施加在数值模型中，使环境温度能够有效施加到储罐罐体。本次研究中，以环境温度作为对流边界条件，以接收站所在地近10年内极端温度数据为依据，夏季取大气温度为39.2 ℃，冬季大气温度为-13.2 ℃，按照温度20 ℃取25 W/(m2·K)，-100 ℃取2.1 W/(m2·K)做线性差值得到各温度下的空气对流换热系数。

太阳辐射造成的温度增加与前两者也存在的本质不同，本研究采用通用非线性有限元软件平台ANSYS开发的辐射分析模型，考虑LNG储罐外表面受到持续的热辐射作用。

在有限元数值模型中，热辐射的对温度的影响本质上通过能够反应热辐射能量的表面辐射能量方程来实现，其方程表达式如下：

式中：q′′为单位表面面积所辐射的热能；ε为表明辐射率，0＜ε＜1；σ为斯特藩-玻尔兹曼(Stefan-Boltzman)常数，为5.67×10-8W/(m2·K4)。

通过上述方程，在ANSYS软件中对LNG储罐外表面添加能够计算该热辐射能量的表面效应单元SURF152，即可较为准确的模拟太阳辐射导致的温度效应。

通过上述的载荷情况，可以确定本研究中建立的温度场计算有限元模型的边界条件包括温度边界条件、对流边界条件和辐射边界条件。

2 工况分析与结果讨论

建立的二维轴对称储罐热分析模型，考虑夏季、冬季两种环境条件，热分析针对正常运行工况和意外泄漏工况。通过将不同泄漏程度的3种子工况及正常操作工况与2种环境温度子工况组合，得到8个热分析工况，分别为夏季正常运行工况、冬季正常运行工况、夏季轻度泄漏工况、冬季轻度泄漏工况、夏季中度泄漏工况 、冬季中度泄漏工况、夏季全泄漏工况、冬季全泄漏工况。

本研究以某接收站为例，以22万立方米LNG储罐基本尺寸数据开展建模，展示其时变环境条件变化导致的各个不同工况下罐体的温度分布。该结果是本研究后续热力耦合分析中的基本计算条件。

在进行不同工况热分析时，在后续分析中能用进行热力耦合分析，选取50年进行温度场模拟，达到的零应力、温度恒定不再发生变化时的温度场作为其他工况模拟的初始温度场。

2.1 正常运行工况

正常运行工况是在环境温度通过混凝土厚度得到的温度分布达到平衡的状态。正常运行工况下夏季储罐温度场如图1所示。内罐内壁各处温度为-168 ℃，混凝土外罐外壁夏季最低温度38.46 ℃，对应的，冬季最低温度-13.71 ℃。结果表明，正常运行工况下与环境温度温差控制在1 ℃以内，未受到内部LNG液体的低温冲击，保冷效果良好。

图1 外罐正常运行工况温度分布云图(温度/℃)

2.2 泄漏工况

轻度泄漏工况下，内罐内壁各处温度为-168 ℃，混凝土外罐外壁夏季泄漏处最低温度-89.20 ℃，如图2所示。冬季泄漏处最低温度-81.62 ℃，与环境温度温差分别为128.4 ℃和68.42 ℃以内。结果表明，轻度泄漏情况下低温LNG逐渐渗透保冷层，外罐罐壁底部局部受到LNG液体的低温冲击，但由于热角保护系统的存在，罐底最低温度为36.43 ℃和-15.09 ℃，未受到低温LNG泄漏的影响。

图2 轻度泄漏工况外罐温度分布云图(夏季温度/℃)

中度泄漏工况下，内罐内壁各处温度为-168 ℃，混凝土外罐外壁夏季泄漏处最低温度-59.33 ℃，如图3所示。冬季泄漏处最低温度-82.21 ℃，与环境温度温差分别为98.53 ℃和69.01 ℃以内。结果表明，中度泄漏情况下低温LNG逐渐渗透保冷层，外罐罐壁底部局部受到LNG液体的低温冲击，随着泄漏范围的增大，受到环境温度的影响增大，夏季泄漏处温度与环境温度的温差有一定减小。且于热角保护系统的存在，罐底最低温度为36.43 ℃和 -15.42 ℃，未受到低温LNG泄漏的影响。

图3 中度泄漏工况外罐温度分布云图(温度/℃)

全泄漏工况下，内罐内壁各处温度为-168 ℃，混凝土外罐外壁泄漏处最低温度-59.34 ℃，如图4所示。冬季泄漏处最低温度-83.21 ℃，与环境温度温差分别为98.54 ℃和120.72 ℃以内。结果表明，全泄漏工况下低温LNG逐渐渗透保冷层，外罐罐壁底部局部受到LNG液体的低温冲击，随着泄漏范围的进一步增大，受到环境温度的影响基本稳定，泄漏处温度与环境温度的温差与中度泄漏工况下基本一致，罐壁保冷完全失效。

图4 全泄漏工况外罐温度分布云图(温度/℃)

3 结语

本研究基于有限元数值方法，建立了考虑时变环境条件的LNG储罐泄漏温度场数值计算模型，形成22 万立方米LNG储罐温度场分布特性的计算方法，计算得到了混凝土外罐壁在不同工况下的温度分布情况。结果表明：

(1)正常运行工况下与环境温度温差控制在1 ℃以内，未受到内部LNG液体的低温冲击，保冷效果良好。

(2)轻度泄漏情况下低温LNG逐渐渗透保冷层，外罐罐壁底部局部受到LNG液体的低温冲击，但由于热角保护系统的存在，罐底未受到低温LNG泄漏的影响；中度泄漏情况下，随着泄漏范围的增大，温度场受到环境温度的影响增大，夏季泄漏处温度与环境温度的温差有一定减小，但罐底最低温度未受到低温LNG泄漏的影响；全泄漏工况下低温LNG逐渐渗透保冷层，外罐罐壁底部局部受到LNG液体的低温冲击，泄漏处温度与环境温度的温差与中度泄漏工况下基本一致，罐壁保冷完全失效。

(3)总体来看，从泄漏工况下结果对比可以发现，外罐壁底部的热角保护系统，能够有效地抵御泄漏工况下低温向罐壁底部的传递。