LNG 大型低温储罐稳态传热模拟与分析.pdf

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1、2010年度优秀科技论文评选活动入围作品LNG大型低温储罐稳态传热模拟与分析海洋石油工程股份有限公司天津300451魏会东周美珍张艳春苏娟摘要：基于LNG大型低温储罐的结构及绝热设计的特殊要求，利用有限元方法分析了储罐的传热特性，计算了总的热损失从而得到日蒸发率，并校核了外罐的外壁面温度是否满足不结露/结冰的要求，同时得到了罐壁、罐顶和罐底的温度场，指出了边角部位的传热特性。关键词：LNG储罐绝热传热特性有限元1引言[1]LNG储罐主要用于LNG液化工厂或者接收终端来贮存液化天然气，与常规石化储罐相比，LNG储罐内的工质贮存温度可达-165℃，为了保证其正常工作，LNG储罐必须要配置良[

2、2]好的绝热系统。EN14620中规定“LNG储罐的绝热并非贮存系统的辅助部分，而是必备的构件，储罐在没有合理的设计、安装及维护的绝热系统时不能投入运行”。LNG在存储过程中会因罐体的热损失而蒸发，根据对BOG气体的处理工艺要求，要通过绝热系统控制其蒸发率在一定范围内，一般大型LNG储罐的日蒸发率在0.05%左右。LNG储罐的许多结构部件，如混凝土外罐内衬等某些钢制构要避免低温的影响，同时罐体外部要防止温度过低而使得水蒸气结露或结冰，同时罐底的低温会引起土壤的冻胀，破坏储罐的基础，所有这些都对LNG储罐的绝热设计提出了较高的要求。LNG储罐从结构上可分为单容罐、双容罐、全容罐和薄膜罐，不

3、同类型的LNG储罐的绝热系统各有区别，其中LNG全容罐有两层流体承载层，在内罐泄漏时能保证密封性，因此具有占地面积小，可靠性和安全性高的优势，在世界范围内得到了广泛的应用，图1是LNG全容罐的一种结构形式。LNG储罐的绝热设计一般按照正常操作下的当地夏季最不利工况进行设计，通过控制热损失以满足工艺对日蒸发率的要求，但由于LNG储罐对绝热的特殊要求，[3]设计完成时有必要对整个罐体的传热特性进行分析，EN14620中也规定用有限元（FEM）计算以提供绝热设计的补充资料。本文即根据此要求对LNG全容罐进行了稳态传热模拟，并通过计算结果对储罐的结构和绝热系统进行了分析。1www.imeorg.

4、orgTel:800-820-094912010年度优秀科技论文评选活动入围作品1主容器3底部绝热4基础5基础加热系统6弹性密封垫7悬浮吊顶10混凝土罐顶11预应力混凝土外罐12预应力混凝土外罐的内部绝热[2]图1LNG全容罐结构2模型及计算方法2.1储罐的几何模型3以容积为160000m的LNG全容罐作为研究对象，罐体的结构和具体尺寸见图2。罐壁采用膨胀珍珠岩绝热，罐底采用泡沫玻璃砖绝热，罐顶采用玻璃纤维毯绝热。绝热材料的热物[4]理特性取自文献,见表1。文中分别考察罐壁及罐壁底部边角的径向，轴线处罐顶及罐顶边角的高度方向，轴线处罐底及罐底边角的高度方向的传热情况。表1LNG储罐绝热材

5、料热物理参数3材料名密度/kg/m导热系数/W/(mK)比热容/J/(kgK)玻璃纤维毯160.03838792膨胀珍珠岩7600.0391753.74泡沫玻璃砖21800.05592837.49预应力混凝土25002.326837.212www.imeorg.orgTel:800-820-094922010年度优秀科技论文评选活动入围作品图216万方全容罐几何尺寸图3有限元模型网格划分2.2计算模型及边界条件[5]按照文献简化后的无内热源二维稳态导热直角坐标系下的控制微分方程为：TT(λ)(λ)0（1）xxyy辐射换热公式按照ANSYS帮助文档中给出：Nδ1ε

6、1Njii4FjiQiδjiFjiζTi（2）i1εiεiAii1式中，T为温度；λ为导热系数；N为辐射表面的数量，δ为Kronecker数，ε为有jii效的表面发射率，Fji为辐射角系数，Ai为表面积，Qi为表面热损失，ζ为Stefan-Boltzmann常数，T为表面i的绝对温度。i边界条件做如下设定：当地罐外空气露点温度为28℃，罐外对流换热的室外空气温度分别考虑在太阳辐射作用下的罐壁、罐顶和罐底的日平均等效环境温度；表面传热系数按照[5]文献中的实验公式进行计算。吊顶的玻璃纤维毯和罐顶内衬及珍珠岩之间为辐射换热；内罐外表面始终保持在-165℃；罐体轴

7、线处为绝热边界条件。[6]利用有限元计算软件ANSYS10.0按照图2几何尺寸建立二维模型进行网格划分，得到单元总数为36603，节点总数为114086，划分完成的局部有限元网格见图3。3www.imeorg.orgTel:800-820-094932010年度优秀科技论文评选活动入围作品3计算结果3.1罐体经过有限元计算所得的整个罐体的总热损失为200kW，由此可求出日蒸发率为0.044%，满足LNG大型低温储罐的日蒸发率要求。整