全容式LNG储罐罐体温度场计算及分析.docx
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全容式LNG储罐罐体温度场计算及分析
0前言
由于国内天然气需求量的增加,船运进口LNG数
量也随之增加,与之相配套的LNG接收站建设迅速发展。
国内沿海地区大批LNG接收站已经建成或正在建设之中[1]。
LNG储罐是接收站最重要的设备,属常压、超低温
大型烃类储罐,全容式储罐是目前普遍采用的罐型。
一般情况下,LNG常压储存,储存温度为-162℃。
由于储罐内部与环境存在巨大温差,而且大型LNG储罐的罐底与罐壁、罐顶与罐壁处的连接处结构较为复杂,形成温度梯度产生热应力,在低温部位影响储罐的机械性能[2]。
对大型全容式LNG储罐的温度场进行计算对储罐的设计有重要意义。
国内对LNG储存设施温度场的研究集中在LNG船和小型LNG储罐上,对LNG大中型储罐的温度场
研究较少。
冯武文等人对LNG船船体温度分布作了详细研究[3];上海交通大学对低温容器的热力研究较多;杨敏之等人利用有限元法和边界元法计算液化气船低温液罐鞍座的温度场[4];汪顺华等人采用数值差分法求解出低温储罐绝热层内部温度变化规律[5];邱林等人对LNG船遇冷过程前后液货舱内气体温度分布进行了计算[6]。
在国外,ChenQS等人对LNG加气站中LNG低温储罐内的温度和压力变化进行了分析[7];BoukeffaD等人以一个液氮容器颈管为研究对象,对颈管壁的温度场进行了研究实验测量和数值计算[8];KhemisO等人对低温容器传热进行了实验研究[9]。
1全容式LNG储罐基本结构
目前我国正在建设和已投入使用的大型LNG储罐
全容式LNG储罐罐体温度场计算及分析
李海润1徐嘉爽1李兆慈2
1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司,四川
成都610041
2.中国石油大学（北京,北京
102249
摘要:
全容式LNG储罐是目前国内LNG接收站普遍采用的罐型,LNG储罐储存低温液体,内外温差大,罐体结构复杂,温度场分布对储罐的结构设计影响大。
以国内某LNG接收站的全容式储罐为例,通过对储罐底部、罐壁和顶部结构及传热过程的分析,建立了罐体各部位温度场计算模型,利用
ANSYS软件计算得到了LNG储罐罐顶、罐壁、罐底的温度场分布,并分析了计算结果。
储罐结构设计时应考虑储罐绝热层与内罐体接触部位热应力影响;同时应优化储罐底部的结构,有效降低罐底漏热量。
关键词:
LNG;全容式储罐;温度;ANSYS文献标识码:
A
文章编号:
1006-5539（201204-0015-05
收稿日期:
2012-02-12
基金项目:
中国石油天然气集团公司重点工程资助项目（S2010-33D作者简介:
李海润（1988-,男,安徽安庆人,助理工程师,硕士,主要从事油气储运领域设计工作。
油气储运
OILANDGASTRANSPORTATIONANDSTORAGE第30卷第4期
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均为全容式LNG储罐。
全容式LNG储罐通常由预应力混凝土外罐和9%Ni钢内罐构成。
LNG存放在内侧有刚性加强结构的敞口垂直圆柱体内罐中,外罐的作用是抵抗内罐可能受到的外部冲击和储存由于偶然原因从内罐中渗漏出的液化天然气,以增强储罐的总体安全性[10]。
内罐与外罐之间填充绝热材料,主要为膨胀珍珠岩、弹性毡及泡沫玻璃砖等。
储罐支承在360根直径1.2m深度不等的钢筋混凝土灌注桩基上,每根桩顶部根据需要可安装防震橡胶垫。
以国内某LNG接收站的全容式LNG储罐为研究对象,基本结构见图1。
该LNG储罐的最大工作容积为
160000m3,内罐高度36.315m,内罐半径40m,外罐高
度为38.55m,外罐半径为42m,拱顶高度为10.983m。
LNG储罐罐底与罐壁的材料及相关参数见表1、2。
罐顶由混凝土拱顶、型钢梁、吊架、膨胀珍珠岩保温层和铝吊顶组成,其中混凝土拱顶的平均厚度为400
mm,膨胀珍珠岩铺设在铝吊顶上面厚度为1000mm,
铝吊顶的厚度为6mm。
2罐体传热过程
大型LNG储罐一般采用常压储存,储存温度
为-162℃。
由于与外界环境存在着巨大温差,罐内液体不可能与外界完全绝热,外界热量不可避免地通过储罐罐体进入罐内。
全容式LNG储罐结构复杂,罐体传热包括导热、对流和辐射多种传热方式共存,为简化计算过程,方便建立模型,进行以下假设:
a储罐内LNG处于饱和均质状态,不同液位高度
下的温度等于该静压力下的饱和温度,蒸发气温度为
110K。
b所有材料各向同性,忽略温度变化对材料导热
系数的影响。
c内罐底板、二次罐底、外罐底板和铝吊顶的厚
度相对于绝热层厚度极薄,其导热系数相对于绝热材料大,可以忽略这些材料的热阻。
计算时取空气的对流换热系数为25W/（m2·K,蒸发气的对流换热系数为15W/（m2·K,甲烷的导热系数为0.03W/（m·K,LNG密度为450kg/m3。
运用ANSYS计算罐体温度场可以分为三步:
建立几何模型并进行网格划分;施加边界条件并求解;通过后处理,输出结果,包括温度分布、热流密度分布等[11]。
3罐体温度场计算模型
求解低温条件下的传热问题,一般都是从质量、动
量和能量守恒定律推导出热传导偏微分方程和积分方程,然后进行求解,但在初始条件和边界条件下求解这样的方程是困难的。
通常采用有限差分法、
有限元
图1
全容式LNG储罐基本结构
表1
罐底材料参数
序号材料厚度/mm
导热系数/（W·m-1·K-1
1031.455油毡30.6996第一层泡沫玻璃砖
1500.0487油毡30.6998第二层泡沫玻璃砖
1500.0489油毡30.69910第三层泡沫玻璃砖
1500.04811油毡30.69912混凝土找平层991.451316MnDR外罐底板64814
混凝土底部承台
900
1.45
表2
罐壁材料参数
序号材料厚度/mm导热系数/（W
·m-1·K-119%Ni钢内罐壁
属衬板10485
预应力混凝土壁
1000
1.45
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法和边界元法进行数值计算。
在这几种算法中,有限单元法的应用最广泛,而ANSYS是目前最流行的有限元计算软件之一。
在用ANSYS计算罐体温度场前,先运用传热学理论和有限元理论建立罐体温度场的有限元模型。
根据Fourier传热定律和能量守恒定律,可以建立热传导问题的控制方程,即物体的瞬态温度场应满足以下方程:
鄣鄣x
k
x
鄣T
鄣x
鄣鄣+鄣
鄣y
k
y
鄣T
鄣y
鄣鄣+鄣
鄣z
k
z
鄣T
鄣z
鄣鄣+ρQ=ρcT鄣T鄣t（1
式中ρ——
—材料密度,kg/m3;
CT——
—材料的比热容,J/（kg·K;
Kx——
—x方向的热传导系数,W/（m·K;
Ky——
—y方向的热传导系数,W/（m·K;
Kz——
—z方向的热传导系数,W/（m·K;
Q——
—内热源强度,W/m3。
一般传热问题的初始条件为:
T（x,y,z,t=0=T0（x,y,z（2相应的变分为,在满足边界条件一（S1、二（S2、三（S3及初始条件的许可温度场中,真实的温度场使以下泛函I取极小值:
式中S1——
—第一类热力学边界,温度边界;
S2——
—第二类热力学边界,热流密度边界;S3——
—第三类热力学边界,对流换热边界;Ω——
—研究对象。
在实际处理过程中,边界条件二、三较难满足,因此可将这两个条件耦合进上述泛函式:
式中hc——
—对流换热系数,W/（m2·K;
T∞——
—环境温度,K;
qf——
—边界S2上给定的热流密度,W/m2。
对于稳态问题,温度不随时间变化,鄣T鄣t=0。
将物体离散为单元体,即Ω→∑Ωe,在单元体Ωe内,可根据节点数来确定单元温度场的函数模式,即将单元温度场Te（x,y,z表示为节点温度的插值关系,有:
Te（x,y,z=N（x,y,z·qeT（5式中%qeT%——
—节点温度列阵;
Te（x,y,z——
—节点温度;
N（x,y,z——
—形状函数矩阵。
将节点温度场表达式代入耦合泛函式,求其变分极值,
鄣I
鄣qe
T
=0,则:
KeT·qeT=PeT（6式中qeT——
—节点温度列阵;
KeT——
—单元热传导矩阵;
PeT——
—单元节点等效温度载荷列阵。
方程KeT·qeT=PeT是单元热传导方程。
大型全容式LNG储罐日蒸发率很小,可以近似认为罐体的传热是稳态的,在稳态分析中罐体上任何一个节点的温度都不随时间变化。
通过上面推导出的单元热传导方程可以得到罐体稳态热分析的热传导方程:
[K]{T}={Q}（7式中[K]——
—传导矩阵;
{T}——
—节点温度向量;
{Q}——
—节点热流率向量。
ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件,生成[K]、{T}、{Q}。
4罐体温度场计算与分析
假设储罐液位处于最大操作液位34.212m,储存压力为1标准大气压,对储罐各部位的温度场进行计算。
4.1罐底温度场计算与分析
选取罐底的一个纵截面建立模型,输入相关材料参数,选取PLANE55单元,采用映射网格划分对模型进行网格划分,见图2。
由于罐底截面是规则图形,采用映射网格自动划分既能提高计算速度,又能提高计算精度。
网格划分后施加罐底内外边界,内边界为温度边界,即底部LNG温度,该温度对应罐底静压力下的饱和温度,运用克劳修斯-克拉贝龙方程进行计算得到底部LNG的温度为122.37K;外边界为对流换热边界,图3、4是环境温度为20℃时的罐底截面温度分布图和热流密度分布图。
从图3可看出,混凝土底部承台导热系数较大,上下表面的温差较小,而上部保温层导热系数很小,因此保温层两侧的温差很大,说明绝热材料的保温效油气储运
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=1
2
∫kx鄣T
鄣x
鄣%2+ky鄣T
鄣y
鄣%2+kz鄣T
鄣z
鄣%2-2ρQ-ρcT鄣T鄣t
鄣鄣%%DTdΩ（3
T∈
BC（S1,S2,S3T（t=0=T0∈IminΩ
=1
2
∫kx鄣T
鄣x
鄣%2+ky鄣T
鄣y
鄣%2+kz鄣T
鄣z
鄣%2-2ρQ-ρcT鄣T鄣t
鄣鄣%%DTdΩ-
∫qfTdA+1
2
∫hc（T∞-T2dA（4
T∈
BC（S1,S2,S3
T（t=0=T0
∈I
min
S2S3
Ω
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果明显。
图4中热流密度在截面各处大小相等,通过热流密度图和ANSYS输出的数据文件可看出,截面各处热流密度的方向均为Y轴的反方向。
4.2罐壁温度场计算与分析
由于假设储罐液位处于最大操作液位,储罐内蒸
发气层的厚度只有1.3m,可以忽略蒸发气与罐内壁的对流换热。
模型建立、网格划分与罐底的温度场计算相同,但边界条件有所不同。
内罐壁的温度边界不是一个恒定值,而是随着储罐高度的变化而变化,因为不同高度的静压力不同,该静压力下的饱和温度也不同,因此越接近储罐底部,LNG的温度就越高。
同样运用克劳修斯-克拉贝龙方程计算不同高度下的LNG温度,此外,外罐壁边界条件是一个热对流边界。
图5、
6是环境温度为20℃时的罐壁截面温度分布图和热
流密度分布图。
从图5可看出,罐内壁到混凝土内壁的温差达到
180℃,混凝土内外壁的温差只有20℃,说明绝热层
很好地阻止了外界热量漏入罐内。
从图6可看出,由于罐壁下部的温差较罐壁上部的温差小,罐壁热流密度在顶端最大、底端最小,且从罐壁上部到下部逐渐减小。
4.3罐顶温度场计算与分析
由于罐顶的几何形状不规则,不能采用映射网格
划分,而采用自由网格划分,单元尺寸设为0.1m。
分析单元仍然选取PLANE55单元,罐顶的上下边界条件均为对流换热边界。
图7、8是环境温度为20℃时的罐顶截面温度分布图和热流密度分布图。
从图7可看出,温度梯度的方向基本上垂直于拱顶。
混凝土外罐顶温降较小,温度下降主要集中在吊顶保温层以及吊顶与拱顶之间的甲烷气体层。
从图8可看出,拱顶大部分区域热流密度集中在
0.4~1.1W/m2之间。
拱顶两端由于绝热效果较差,热流
密度比拱顶中间部位大。
图5罐壁温度分布
图6
罐壁热流密度
图2罐底网格划分图
图3罐底温度分布
注:
所有图中MN为最小值,MX为最大值
。
图4
罐底热流密度
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5结论
通过对大型全容式LNG储罐罐体的温度场计算
结果分析,储罐绝热层与内罐体接触部位存在较大的温度梯度,因此在储罐结构设计时应考虑热应力影响,注意内罐体材料与绝热层材料热膨胀系数不同的影响。
计算结果还可以看出,罐底的漏热量在储罐整个漏热中所占比例较大,主要因为内罐底、二次罐底、绝热层之间都有一层混凝土找平层,会使罐底的总热阻大大减小,导致漏热增加。
因此,在设计储罐时应注
意优化罐底部的结构。
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“煤海穿针”开采煤层气
中国石油集团钻井工程技术研究院日前突破掌握了“煤海穿针”新技术,从而更好地进行煤层气开采。
此前世界上仅有美国的一家企业掌握此项技术。
据了解,所谓“煤海穿针”,就是要在数百米的地下煤层,使水平井精确地穿过直井,使两井相通。
两井一般相距200~1000m,且在数百米的地下,看不见、摸不着,地质环境也极其复杂。
分析认为,该技术对我国煤层气规模化、商业化的开发具有战略性意义。
（周
舟
供稿
图8
罐顶热流密度
第30卷第4
期
19
SELECTEDABSTRACTSNATURALGASANDOIL（BIMONTHLY）Vol.30No.4Aug.2012ＯＩＬＡＮＤＧＡＳＴＲＡＮＳＰＯＲＴＡＴＩＯＮＡＮＤＳＴＯＲＡＧＥAnalysisonStressofGasPipelineLaidalongSlopeHuangKun，WuShijuan，LuHongfang，XianYan，SuQingwei（ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＯｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎ－ｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ，６１０５００，Ｃｈｉｎａ）NGO，2012，30）1～4（4：
ABSTRACT：
Ｔｈｅａｒｅａｓｗｈｅｒｅｌｏｎｇ－ｄｉｓｔａｎｃｅｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅｓａｒｅｌａｉｄｈａｖｅｖｅｒｙｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｔｅｒｒａｉｎｓ．Ｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅｓａｒｅｕｓｕａｌｌｙｌａｉｄａｌｏｎｇｓｌｏｐｅｓｉｎｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓｏｒｈｉｌｌｙａｒｅａｓａｎｄｐｉｐｅｌｉｎｅｆａｉｌｕｒｅｓｏｃｃｕｒｅａｓｉｌｙｄｕｅｔｏｕｎｅｑｕａｌｆｏｒｃｅｓａｐｐｌｉｅｄｏｎｔｈｅｓｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓｒｅｓｕｌｔｉｎｇｆｒｏｍｇｒｅａｔｈｅｉｇｈｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｆｏｒｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓａｎｄｃｈｅｃｋｔｈｅａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｓｉｇｎｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｓａｆｅｔｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｄｏｐｔｅｄｉｓｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅＣＡＥＳＡＲＩＩｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｔｒｅｓｓｏｆｃｅｒｔａｉｎｐｉｐｅｌｉｎｅｌａｉｄａｌｏｎｇｓｌｏｐｅａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｕｎｄｅｒｉｔｓｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｐｒｅｓｓｕｒｅｔｅｓｔａｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｏｂｔａｉｎｅｄｉｓｓｕｃｈｒｅｓｕｌｔｔｈａｔｐｉｐｅｌｉｎｅｌａｉｄａｌｏｎｇｓｌｏｐｅｈａｓｈｉｇｈｅｒｓａｆｅｔｙ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｖａｌｕｅａｎｄｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅａｎｄｗｉｌｌｐｒｏ－ｖｉｄｅｒｅｌａｔｉｖｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓｌａｉｄａｌｏｎｇｓｌｏｐｅ．KEYWORDS：
Ｌａｉｄａｌｏｎｇｓｌｏｐｅ；Ｐｉｐｅｌｉｎｅ；Ｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓ；ＣＡＥＳＡＲＩＩStudyonPiggingofGasGatheringandTranspirationTrunkLinesinChangbeiGasFieldPanYadong，TangXiaoyong，WangLei（ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＣｏｍｐａｎｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ，６１００４１，Ｃｈｉｎａ）LiLi（ＰｅｔｒｏＣｈｉｎａＳｏｕｔｈｗｅｓｔＯｉｌａｎｄＧａｓＦｉｅｌｄＣｏｍｐａｎｙＳｕｒｆａｃｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ，６１００５１，Ｃｈｉｎａ）ZhangZhigan（ＰｅｔｒｏＣｈｉｎａＸｉｎｊｉａｎｇＫｏｒｌａＳａｌｅｓＣｏｍｐａｎｙ，Ｋｏｒｌａ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ，８４１０００，ＣｈｉｎａＮＧＯ，）2012，（4：
30）5～10ABSTRACT：
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