摘 要

摘　要：建立LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷計(jì)算模型，采用MATLAB自編程序?qū)δ矻NG接收站儲(chǔ)罐預(yù)冷過(guò)程進(jìn)行模擬，模擬了預(yù)冷過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)以及儲(chǔ)罐壁的溫度場(chǎng)變化。在二次回流和儲(chǔ)罐底部混凝土向罐內(nèi)導(dǎo)

摘　要：建立LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷計(jì)算模型，采用MATLAB自編程序?qū)δ?span lang="EN-US">LNG接收站儲(chǔ)罐預(yù)冷過(guò)程進(jìn)行模擬，模擬了預(yù)冷過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)以及儲(chǔ)罐壁的溫度場(chǎng)變化。在二次回流和儲(chǔ)罐底部混凝土向罐內(nèi)導(dǎo)熱的共同作用下，儲(chǔ)罐底部中心區(qū)域溫度不是隨預(yù)冷過(guò)程單調(diào)下降，而是在預(yù)冷后期出現(xiàn)階段性溫度上升。

關(guān)鍵詞：LNG接收站；　LNG儲(chǔ)罐；  預(yù)冷；　數(shù)值模擬

Study on Precooling Simulation of Storage Tank in LNG Receiving Station

Abstract：The model for precooling calculation of LNG storage tank is established．The simulation of the precooling process of storage tank in a LNG reeeiving station is performed using the self-compiled program based on MATLAB software．The variation of temperature fields in the storage tank and its wall in the precooling process is simulated．Under the joint action of the secondary recirculation and the heat transfer from the concrete at the bottom of the tank to the tank，the temperature in the eentral area at the bottom of the tank has a phased rise at the late period of the precooling process instead of monotonous decline with the precooling process．

Keywords：LNG receiving station：LNG storage tank；precooling；numerical simulation

 

LNG接收站的主要功能是接收、儲(chǔ)存和氣化LNG，由于LNG的低溫特性，在第一次LNG卸料前，需要對(duì)LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行預(yù)冷。預(yù)冷是確保LNG接收站順利投產(chǎn)運(yùn)行的重點(diǎn)工作。預(yù)冷使常溫的LNG管道和儲(chǔ)罐達(dá)到低溫工作狀態(tài)，防止LNG突然進(jìn)入常溫管道和儲(chǔ)罐，引起管道和儲(chǔ)罐急劇收縮，造成管道和儲(chǔ)罐損壞。另外，可以通過(guò)預(yù)冷檢驗(yàn)低溫設(shè)備和管道的冷縮量、管托支撐的變化、低溫閥門的密封性、儲(chǔ)罐的真空性等^[1-2]。本文采用自編程序建模，使用MATLAB軟件對(duì)儲(chǔ)罐的預(yù)冷過(guò)程進(jìn)行模擬。

1　模型的建立

1.1　物理模型

本文模擬的LNG儲(chǔ)罐物理模型見(jiàn)圖1，其中的ROZ坐標(biāo)系，R代表徑向，Z代表豎直方向，O的坐標(biāo)值為(0，0)。該LNG儲(chǔ)罐為預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐，公稱有效容積為16×10⁴m³，儲(chǔ)罐的外直徑為83.4m，高50.4m，內(nèi)罐直徑為80m，高度為36.9m。儲(chǔ)罐的外壁與環(huán)境之間是對(duì)流換熱。不考慮與氣相空間換熱，鋁吊頂為絕熱邊界。儲(chǔ)罐內(nèi)初始條件為BOG氣體。預(yù)冷時(shí)，LNG通過(guò)噴淋環(huán)上的噴嘴均勻地噴入儲(chǔ)罐，進(jìn)而吸熱氣化。噴淋環(huán)直徑為13.19m，共有28個(gè)噴嘴，其中24個(gè)噴嘴均勻分布于噴淋環(huán)上，布置角度為豎直向下向環(huán)外傾斜45°，另外4個(gè)噴嘴也均勻分布于噴淋環(huán)上，布置角度為豎直向下向環(huán)內(nèi)傾斜45°。噴嘴的總噴淋量為35m³／h，噴淋區(qū)域是指噴嘴噴淋的液滴能覆蓋的最大范圍^[3]。

 

1.2　數(shù)學(xué)模型

①氣體連續(xù)性方程

 

式中g(下標(biāo))——氣相

j——體積分?jǐn)?shù)

r——密度，kg／m³

t——預(yù)冷時(shí)間，s

u——速度，m／s

S——源相

②液體連續(xù)性方程

 

式中l(下標(biāo))——液相

③氣體動(dòng)量方程^[4-5]

 

式中ug,R——氣相速度在尺方向的分量，m／s

p——罐內(nèi)壓力，Pa

R——R坐標(biāo)值

m——黏度，Pa·s

 

式中ug,Z——氣相速度在Z方向的分量，m／s

Z——Z坐標(biāo)值

g——重力加速度，m／s²

④氣體能量方程

 

式中Cp——比定壓熱容，J／(kg·K)

T——溫度，K

l——熱導(dǎo)率，w／(m·K)

H——氣化潛熱，J／kg

⑤儲(chǔ)罐壁能量方程

 

式中rb——儲(chǔ)罐壁的密度，kg／m³

Cp,b——儲(chǔ)罐壁的比定壓熱容，J／(kg·K)

Tb——儲(chǔ)罐壁的溫度，K

lb——儲(chǔ)罐壁的熱導(dǎo)率，W／(m·K)

1.3　模型假設(shè)

①LNG從噴嘴噴出后，速度迅速降低到下降的平衡速度，不考慮速度衰減過(guò)程。

②當(dāng)液滴達(dá)到平衡速度后，液滴速度保持恒定，不考慮液滴對(duì)氣體的作用力。

③液滴在噴淋區(qū)內(nèi)沿徑向均勻分布。

④忽略液體的可壓縮性。

⑤液體處于熱力學(xué)飽和態(tài)，罐內(nèi)壓力保持恒定，因此液體吸收的熱量全部用于氣化^[6]。

2　計(jì)算方法及結(jié)果

2.1　計(jì)算方法

本文采用了有限容積法，利用MATLAB軟件編寫了數(shù)值模擬程序，對(duì)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的耦合采用SIMPLE算法求解^[7-8]。

2.2　計(jì)算輸入條件

①噴嘴噴入LNG的溫度為-162℃，噴嘴的入口壓力為24kPa。

②儲(chǔ)罐最大溫降速率控制在5℃／h。

③儲(chǔ)罐的計(jì)算初始溫度為10℃，環(huán)境溫度為20℃。

④噴嘴噴淋流量恒定，為35m³／h。

2.3　計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)隨著時(shí)間的變化，儲(chǔ)罐溫度降至-150℃左右計(jì)算終止。預(yù)冷過(guò)程中不同時(shí)刻的儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)見(jiàn)圖2，圖2中溫度單位均為K。

 

從圖2可以看出，當(dāng)LNG從噴嘴噴出后，首先在噴嘴出口處吸熱氣化，該區(qū)域溫度迅速降低。隨著噴淋的繼續(xù)，低溫氣體向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)儲(chǔ)罐底面后沿底面向四周擴(kuò)散，運(yùn)動(dòng)到側(cè)壁后又沿側(cè)壁向上爬升，溫度較低的氣體和內(nèi)罐壁面發(fā)生對(duì)流換熱，從而達(dá)到對(duì)儲(chǔ)罐預(yù)冷的目的。不同時(shí)刻儲(chǔ)罐各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度見(jiàn)表1。

從表1可以看出，隨著預(yù)冷時(shí)間的延長(zhǎng)，儲(chǔ)罐各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度逐漸降低至-150℃左右，預(yù)冷儲(chǔ)罐約需60h，噴淋流量為35m³／h，因此整個(gè)預(yù)冷過(guò)程需消耗LNG2100m³。

 

點(diǎn)(0，0)處的溫度隨預(yù)冷時(shí)間的變化見(jiàn)圖3，預(yù)冷57h后儲(chǔ)罐底部沿徑向的溫度分布見(jiàn)圖4。從圖3可以看出，儲(chǔ)罐底部中心(即點(diǎn)(0，0)處)的溫度并不是隨著預(yù)冷過(guò)程的進(jìn)行而一直降低的，當(dāng)儲(chǔ)罐底部溫度降低到一定程度后，底部中心出現(xiàn)了溫度不降反升的現(xiàn)象。從圖4也可以看出，底部中心區(qū)域的溫度高于其他位置(除靠近側(cè)壁處)。這是因?yàn)閲娏艿囊旱蔚竭_(dá)儲(chǔ)罐底面后，在底面氣化，產(chǎn)生的氣體無(wú)法及時(shí)沿底面向四周擴(kuò)散，積聚在儲(chǔ)罐底部的中心區(qū)域，形成二次回流，二次回流阻礙了儲(chǔ)罐底面與內(nèi)部低溫氣體的對(duì)流換熱。同時(shí)，底部的混凝土向內(nèi)部的導(dǎo)熱還在繼續(xù)，因此在二次回流區(qū)出現(xiàn)了溫度不降反升的現(xiàn)象。隨著預(yù)冷的繼續(xù)，底部混凝土的熱量充分釋放，液滴在儲(chǔ)罐底面處的氣化量減小，產(chǎn)生的新氣體量減少，二次回流區(qū)逐漸被壓縮，底部中心區(qū)域的溫度又重新下降。

 

 

在預(yù)冷的前期，底部中心區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)溫度上升是因?yàn)榍捌诠迌?nèi)氣相溫度較高，液滴未運(yùn)動(dòng)到儲(chǔ)罐底部前就已完全氣化，無(wú)法形成二次回流。

儲(chǔ)罐底部靠近側(cè)壁處的溫度明顯高于其他區(qū)域，是因?yàn)樵撐恢每拷鼉?chǔ)罐底部與側(cè)壁的角接區(qū)域，角接區(qū)域向儲(chǔ)罐內(nèi)的導(dǎo)熱作用使得附近區(qū)域溫度降低緩慢。

3　結(jié)論

①LNG接收站儲(chǔ)罐第一次進(jìn)料之前需要進(jìn)行預(yù)冷，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷計(jì)算方面沒(méi)有成熟的計(jì)算模型，本文建立了LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷計(jì)算模型，采用MATLAB自編程序進(jìn)行模擬，模擬了預(yù)冷過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)以及儲(chǔ)罐壁的溫度場(chǎng)變化。

②針對(duì)LNG儲(chǔ)罐噴淋預(yù)冷過(guò)程，儲(chǔ)罐底部中心的溫度并不是隨著預(yù)冷過(guò)程的進(jìn)行而一直降低的，當(dāng)儲(chǔ)罐底部溫度降低到一定程度后，底部中心出現(xiàn)了溫度不降反升的現(xiàn)象。這是二次回流和底部混凝土向罐內(nèi)導(dǎo)熱共同作用的結(jié)果。

③對(duì)公稱有效容積為16×10⁴m³的儲(chǔ)罐，在儲(chǔ)罐最大溫降速率控制在5℃／h的條件下，當(dāng)噴淋流量為35m³／h時(shí)，將儲(chǔ)罐溫度預(yù)冷至-150℃大概需要60h，整個(gè)預(yù)冷過(guò)程需消耗LNG 2100m³。

 

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本文作者：劉萬(wàn)山  盧超  呂俊

作者單位：中海浙江寧波液化天然氣有限公司