摘 要：建立LNG储罐预冷计算模型，采用MATLAB自编程序对某LNG接收站储罐预冷过程进行模拟，模拟了预冷过程中储罐内以及储罐壁的温度场变化。在二次回流和储罐底部混凝土向罐内导热的共同作用下，储罐底部中心区域温度不是随预冷过程单调下降，而是在预冷后期出现阶段性温度上升。
关键词：LNG接收站； LNG储罐； 预冷； 数值模拟
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、储存和气化LNG，由于LNG的低温特性，在第一次LNG卸料前，需要对LNG储罐进行预冷。预冷是确保LNG接收站顺利投产运行的重点工作。预冷使常温的LNG管道和储罐达到低温工作状态，防止LNG突然进入常温管道和储罐，引起管道和储罐急剧收缩，造成管道和储罐损坏。另外，可以通过预冷检验低温设备和管道的冷缩量、管托支撑的变化、低温阀门的密封性、储罐的真空性等[1-2]。本文采用自编程序建模，使用MATLAB软件对储罐的预冷过程进行模拟。
1 模型的建立
1.1 物理模型
本文模拟的LNG储罐物理模型见图1，其中的ROZ坐标系，R代表径向，Z代表竖直方向，O的坐标值为(0，0)。该LNG储罐为预应力混凝土全容罐，公称有效容积为16×104m3，储罐的外直径为83.4m，高50.4m，内罐直径为80m，高度为36.9m。储罐的外壁与环境之间是对流换热。不考虑与气相空间换热，铝吊顶为绝热边界。储罐内初始条件为BOG气体。预冷时，LNG通过喷淋环上的喷嘴均匀地喷入储罐，进而吸热气化。喷淋环直径为13.19m，共有28个喷嘴，其中24个喷嘴均匀分布于喷淋环上，布置角度为竖直向下向环外倾斜45°，另外4个喷嘴也均匀分布于喷淋环上，布置角度为竖直向下向环内倾斜45°。喷嘴的总喷淋量为35m3／h，喷淋区域是指喷嘴喷淋的液滴能覆盖的最大范围[3]。
1.2 数学模型
①气体连续性方程
式中g(下标)——气相
j——体积分数
r——密度，kg／m3
t——预冷时间，s
u——速度，m／s
S——源相
②液体连续性方程
式中l(下标)——液相
③气体动量方程[4-5]
式中ug,R——气相速度在尺方向的分量，m／s
p——罐内压力，Pa
R——R坐标值
m——黏度，Pa·s
式中ug,Z——气相速度在Z方向的分量，m／s
Z——Z坐标值
g——重力加速度，m／s2
④气体能量方程
式中Cp——比定压热容，J／(kg·K)
T——温度，K
l——热导率，w／(m·K)
H——气化潜热，J／kg
⑤储罐壁能量方程
式中rb——储罐壁的密度，kg／m3
Cp,b——储罐壁的比定压热容，J／(kg·K)
Tb——储罐壁的温度，K
lb——储罐壁的热导率，W／(m·K)
1.3 模型假设
①LNG从喷嘴喷出后，速度迅速降低到下降的平衡速度，不考虑速度衰减过程。
②当液滴达到平衡速度后，液滴速度保持恒定，不考虑液滴对气体的作用力。
③液滴在喷淋区内沿径向均匀分布。
④忽略液体的可压缩性。
⑤液体处于热力学饱和态，罐内压力保持恒定，因此液体吸收的热量全部用于气化[6]。
2 计算方法及结果
2.1 计算方法
本文采用了有限容积法，利用MATLAB软件编写了数值模拟程序，对压力场和速度场的耦合采用SIMPLE算法求解[7-8]。
2.2 计算输入条件
①喷嘴喷入LNG的温度为-162℃，喷嘴的入口压力为24kPa。
②储罐最大温降速率控制在5℃／h。
③储罐的计算初始温度为10℃，环境温度为20℃。
④喷嘴喷淋流量恒定，为35m3／h。
2.3 计算结果与分析
计算储罐温度场随着时间的变化，储罐温度降至-150℃左右计算终止。预冷过程中不同时刻的储罐温度场见图2，图2中温度单位均为K。
从图2可以看出，当LNG从喷嘴喷出后，首先在喷嘴出口处吸热气化，该区域温度迅速降低。随着喷淋的继续，低温气体向下运动，到达储罐底面后沿底面向四周扩散，运动到侧壁后又沿侧壁向上爬升，温度较低的气体和内罐壁面发生对流换热，从而达到对储罐预冷的目的。不同时刻储罐各监测点的温度见表1。
从表1可以看出，随着预冷时间的延长，储罐各监测点的温度逐渐降低至-150℃左右，预冷储罐约需60h，喷淋流量为35m3／h，因此整个预冷过程需消耗LNG2100m3。
点(0，0)处的温度随预冷时间的变化见图3，预冷57h后储罐底部沿径向的温度分布见图4。从图3可以看出，储罐底部中心(即点(0，0)处)的温度并不是随着预冷过程的进行而一直降低的，当储罐底部温度降低到一定程度后，底部中心出现了温度不降反升的现象。从图4也可以看出，底部中心区域的温度高于其他位置(除靠近侧壁处)。这是因为喷淋的液滴到达储罐底面后，在底面气化，产生的气体无法及时沿底面向四周扩散，积聚在储罐底部的中心区域，形成二次回流，二次回流阻碍了储罐底面与内部低温气体的对流换热。同时，底部的混凝土向内部的导热还在继续，因此在二次回流区出现了温度不降反升的现象。随着预冷的继续，底部混凝土的热量充分释放，液滴在储罐底面处的气化量减小，产生的新气体量减少，二次回流区逐渐被压缩，底部中心区域的温度又重新下降。
在预冷的前期，底部中心区域没有出现温度上升是因为前期罐内气相温度较高，液滴未运动到储罐底部前就已完全气化，无法形成二次回流。
储罐底部靠近侧壁处的温度明显高于其他区域，是因为该位置靠近储罐底部与侧壁的角接区域，角接区域向储罐内的导热作用使得附近区域温度降低缓慢。
3 结论
①LNG接收站储罐第一次进料之前需要进行预冷，现阶段国内LNG储罐预冷计算方面没有成熟的计算模型，本文建立了LNG储罐预冷计算模型，采用MATLAB自编程序进行模拟，模拟了预冷过程中储罐内以及储罐壁的温度场变化。
②针对LNG储罐喷淋预冷过程，储罐底部中心的温度并不是随着预冷过程的进行而一直降低的，当储罐底部温度降低到一定程度后，底部中心出现了温度不降反升的现象。这是二次回流和底部混凝土向罐内导热共同作用的结果。
③对公称有效容积为16×104m3的储罐，在储罐最大温降速率控制在5℃／h的条件下，当喷淋流量为35m3／h时，将储罐温度预冷至-150℃大概需要60h，整个预冷过程需消耗LNG 2100m3。
参考文献：
[1]赵延伟．液化天然气气化站预冷投运方案[J]．煤气与热力，2010，30(5)：B09-B13．
[2]付明宇，李恒星．LNG储配站的预冷[J]．煤气与热力，2009，29(6)：B17-B21．
[3]李思成，霍然，李元洲，等．水喷淋液滴的动力学参数研究[J]．火灾科学，2007，16(1)：26-30．
[4]MORALES-RUIZ S，RIGOLA J，RODRIGUEZ I．Numerical resolution of the liquid·-vapour two-phase flow by means of the two-fluid model and a pressure based method[J]．International Journal of Multiphase Flow，2012，43(7)：118-130．
[5]付英杰，魏英杰，张嘉钟．基于双流体模型的喷管内泡状流数值模拟[J]．船舶力学，2011，15(1)：81-86．
[6]BEEKMAN D H，MARTIN T A．Detailed modeling of the non-vent fill process[J]．Advances in Cryogenic Engineering，1992，37(B)：1237-1246．
[7]陶文铨．数值传热学[M]．2版．西安：西安交通大学出版社，2001．
[8]陶文铨．计算传热学的近代进展[M]．北京：科学出版社，2000．
本文作者：刘万山 卢超 吕俊
作者单位：中海浙江宁波液化天然气有限公司
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