1、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

2、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 , Chen Q S 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; Boukeffa D 等人以一

3、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; Khemis O 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 21.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 6100412.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 LN

4、G 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(2012 04-0015-05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

5、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OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE 第 30卷 第 4期15天然气与石油 NATURAL GAS AND OIL2012年 8月均为全容式 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

6、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160000m 3, 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

7、顶的平均厚度为 400mm , 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

8、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/(m 2·K , 蒸发气的对流换热系数为 15W/(m 2·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

9、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 -11031.455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

10、罐底板 64814混凝土底部承台9001.45表 2罐壁材料参数序号 材料 厚度 /mm 导热系数 /(W·m -1·K -1 19%Ni 钢内罐壁属衬板 10485预应力混凝土壁10001.4516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 xkx鄣 T

11、鄣 x鄣 鄣 +鄣鄣 yky鄣 T鄣 y鄣 鄣 +鄣鄣 zkz鄣 T鄣 z鄣 鄣 +Q=c T 鄣 T 鄣 t (1式中 材料密度 , kg/m3;C T 材料的比热容 , J/(kg ·K ;K x x 方向的热传导系数 , W/(m ·K ;K y y 方向的热传导系数 , W/(m ·K ;K z 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 =T 0(x , y , z (2 相应的变分为 , 在满足边界条件一 (S 1、 二 (S 2、 三 (S 3

12、 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 S 1 第一类热力学边界 , 温度边界 ;S 2 第二类热力学边界 , 热流密度边界 ; S 3 第三类热力学边界 , 对流换热边界 ; 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 h c 对流换热系数 , W/(m 2·K ;T 环境温度 , K ;q f 边界 S 2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 e , 在单元体 e 内 , 可根据节点数来确定

13、单元温度场的函数模式 , 即将 单元温度场 T e (x , y , z 表示为节点温度的插值关系 , 有 : T e (x , y , z =N(x , y , z ·q e T (5 式中 %q e T % 节点温度列阵 ;T e (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 q eT=0, 则 :K e T ·q e T =P e T (6 式中 q e T 节点温度列阵 ;K e T 单元热传导矩阵 ;P e T 单元节点等效温度载荷列阵 。方程 K e T ·

14、q e T =Pe T 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

15、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

16、, 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OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE 第 30卷 第 4期= 12 k x 鄣 T鄣 x鄣 %2+k y 鄣 T鄣 y鄣 %2+k z 鄣 T鄣 z鄣 %2-2Q -c T 鄣 T 鄣 t鄣 鄣 % %D T d (3T BC (S 1, S 2, S 3 T (t =0 =T 0 I min = 12 k x 鄣 T鄣 x鄣 %2+k y 鄣 T鄣 y鄣 %2+k z 鄣 T鄣 z鄣 %2-2Q -c T 鄣 T 鄣 t鄣 鄣 % %D

17、 T d - q f T d A +12 h c (T -T 2d A (4T BC (S 1, S 2, S 3T (t =0 =T 0 IminS 2S 317天然气与石油 NATURAL GAS AND OIL2012年 8月 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

18、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

19、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0.41.1W/m2之间 。 拱顶两端由于绝热效

20、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185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 。

21、因此 , 在设计储罐时应注意优化罐底部的结构 。参考文献 :1钱伯 章 , 朱 建 芳 . 世界 液 化天然气的 现状 及 展望 J . 天然气与石油 , 2008, 26(4:34-38. 2王泓 . LNG 潜 在 的 危害 及其 预防措 施 J . 天然气与石油 ,2007, 25(1:1-3.3冯 武文 , 周 昊 , 赵军 . 薄膜 式液 化天然气运输 船船体温度 分 布研究 J . 造船 技术 , 2006, 24(5:17.4杨 敏 之 , 徐芳 . 低 温 构 件 的 计 算 热 解 析 J . 低 温 与 超 导 ,1998, 26(4:52.5汪顺华 , 鲁雪 生 , 赵

22、红霞 . 低温 液 体 容器无损 存 储 传 热 模型J . 低温 工程 , 2001, 22(6:37. 6邱林 . 液 化天然气 船 液 货仓绝 热 技术及传 热 计 算 分析 D . 上 海 :海 事大 学 , 2004.7Chen Q S , Prasad V. Analysis of Temperature and PressureChanges in Liquefied Natural Gas Cryogenic Tanks J . Cryo -genic , 2004, 25(44:701-709.8Boukeffa D , Boumaza M , Pellerin S. Exp

23、erimental and Numeri -cal Analysis of Heat Losses in a Liquid Nitrogen Cryostat J .Applied Thermal Engineering , 2001, 28(21:967-975.9Khemis O , Bessaih R , Ait Ali M. Measurement of Heat Transfersin CryogenicTank with Several Configurations J . Applied Ther -mal Engineering , 2004, 32(24:2233-2241.

24、10黄淑女 , 王作 乾 . 我 国第一 座 16万 m 3全 容 LNG 储 罐 J . 石油工程建设 , 2009, 35(4:15-17.11王 建 江 , 胡仁喜 , 刘 英 林 , 等 . ANSYS 11.0结 构 与 热 力 学有限元 分析 实例指导教 程 M . 北京 :机械 工业出版社 , 2008,105-113.图 7罐顶温度分布油气储运OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE !“ 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

25、。 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 2001000m , 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19SELECTED ABSTRACTS NATURAL GAS AND OIL （BIMONTH

26、LY ） Vol. 30 No. 4 Aug. 2012 Analysis on Stress of Gas Pipeline Laid along Slope Huang Kun，Wu Shijuan，Lu Hongfang，Xian Yan，Su Qingwei（ ， ， ， ， ）NGO，2012，30 ） 14 （4 ： ABSTRACT ： ， ， KEYWORDS ： ； ； ； Study on Pigging of Gas Gathering and Transpiration Trunk Lines in Changbei Gas Field Pan Yadong，Tang

27、Xiaoyong，Wang Lei （ ， ， ， ， ） Li Li （ ， ， ， ， ） Zhang Zhigan（ ， ， ， ， ， ） 2012， （4 ： 30 ） 510 ABSTRACT ： ， ， ， ， ， KEYWORDS ： ； ； ； ； Technical Characteristic of LNG Truck Loading System He Geng，Wang Zheng （ ， ） Bao Guanglei（ ， ， ， ）NGO，2012，30（4 ：1114 ） ABSTRACT ： ， ， ， ， ， ， ， KEYWORDS ： ； ； Calcu

28、lation and Analysis on Temperature Field in Full Containment LNG Tank Li Hairun，Xu Jiashuang （ ， ， ， ） SELECTED ABSTRACTS NATURAL GAS AND OIL （BIMONTHLY ） Vol. 30 No. 4 Aug. 2012 Li Zhaoci（ ， ， ， ）NGO，2012，30（4 ：1519 ） ABSTRACT ： ， ， ， ， KEYWORDS ： ； ； ； Effect of Thermal Insulation Layer of Exposed

29、 Oil Pipeline on Temperature Drop during Shutdown Zhao Hu，Wang Weimin，Wang Lei，Qi Hao （ ， ， ， ， ） Liu Lu，Gao Yuan （ ， ， ， ， ， ）NGO，2012，30（4 ： ） 2022 ABSTRACT ： ， ， KEYWORDS ： ； ； ； ； Test on Explosion-proof Sound Emission of Hidden Tank Fang Wei，Liu Lichuan，Shui Aishe（ ， ， ， ） Yang Jiping（ ， ， ， ，

30、） Zhou Wang（ ， ， ， ， NGO，2012， ） 30（4 ： ） 2325 ABSTRACT ： ， ， ， KEYWORDS ： ； ； ； Study on Technology for Preventing Ice Plug in Low Temperature Separation of Natural Gas Containing Rich CO2 Wang Zhihong， Ming （ ， Wu ou ， ， ， ） Wang Xiaoqiang（ ， ， ， ） Xiao Le （ ， ， ） NGO，2012，30（4 ：2629 ） ABSTRACT ： ， ，