基于FLUENT軟件的大型LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷研究

董文浩 鄭 勁 許培林 郭海峰 季夏夏.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué), 四川 成都 60500；.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司, 四川 成都 6005

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基于FLUENT軟件的大型LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷研究

董文浩1鄭 勁1許培林1郭海峰2季夏夏1
1.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué), 四川 成都 610500；2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司, 四川 成都 610051

LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷是LNG接收站正式投入工作前的重要環(huán)節(jié),目前我國(guó)主要采用頂部環(huán)狀噴注方式進(jìn)行LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷。為了避免預(yù)冷過(guò)程中出現(xiàn)壁面溫差過(guò)大的現(xiàn)象,利用FLUENT軟件對(duì)16×104m3LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷過(guò)程進(jìn)行了模擬研究,分析了目前儲(chǔ)罐在預(yù)冷過(guò)程中存在的問(wèn)題,并對(duì)預(yù)冷方式進(jìn)行了改進(jìn)。研究表明：頂部預(yù)冷方式容易造成儲(chǔ)罐內(nèi)冷量聚集；管徑和進(jìn)氣速度是罐內(nèi)溫度層形成的重要影響因素,改進(jìn)后的柱狀預(yù)冷方式能更好地防止儲(chǔ)罐內(nèi)壁產(chǎn)生大溫差,加強(qiáng)儲(chǔ)罐的使用安全性，延長(zhǎng)使用壽命。

LNG儲(chǔ)罐；預(yù)冷；模擬；影響因素

0 前言

隨著我國(guó)能源需求的不斷增長(zhǎng),引進(jìn)LNG有利于優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu),有效解決能源供應(yīng)安全和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的雙重問(wèn)題,對(duì)實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。未來(lái)一段時(shí)期內(nèi),LNG將成為我國(guó)天然氣市場(chǎng)的主力軍,LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷則是LNG接收站正式投運(yùn)前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前我國(guó)LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷主要采用的是頂部環(huán)狀噴注方式,在噴注過(guò)程中氣體由上向下運(yùn)動(dòng),罐壁在軸向上出現(xiàn)較大溫差和局部冷卻,致使儲(chǔ)罐內(nèi)壁產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力并出現(xiàn)異常收縮現(xiàn)象,由此產(chǎn)生的應(yīng)力與儲(chǔ)罐建造和焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力疊加,導(dǎo)致儲(chǔ)罐在應(yīng)力集中處破裂[1-3]。因此,針對(duì)環(huán)形壁面溫差過(guò)大的現(xiàn)象,基于FLUENT軟件對(duì)16×104m3LNG儲(chǔ)罐的液氮預(yù)冷過(guò)程進(jìn)行模擬研究,分析了頂部環(huán)狀噴注方式在預(yù)冷過(guò)程中存在的問(wèn)題,提出了柱狀噴注方式,并對(duì)兩種預(yù)冷方式進(jìn)行了比較。

1 LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷

1.1 預(yù)冷方式

LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷是通過(guò)預(yù)冷管線(xiàn)噴淋完成,LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)及工藝流程示意圖見(jiàn)圖1。氮?dú)庵脫Q完成后,關(guān)閉儲(chǔ)罐所有閥門(mén)。儲(chǔ)罐內(nèi)部保持微正壓,通過(guò)調(diào)節(jié)XV 146閥打開(kāi)氮?dú)忸A(yù)冷管線(xiàn),開(kāi)始噴注冷卻氮?dú)饣駼OG氣體對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行預(yù)冷,LNG全容儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力29 kPa,所以開(kāi)車(chē)預(yù)冷時(shí)罐內(nèi)壓力須控制在20 kPa以下[4]。

圖1 LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)及工藝流程示意圖

1.2 預(yù)冷規(guī)范要求

根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)BSEN 14620《設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)建造立式、圓筒形、平底、鋼制、操作溫度介于0～-165 ℃的冷卻液化氣儲(chǔ)罐》規(guī)定,LNG儲(chǔ)罐整體冷卻目標(biāo)速率為3 ℃/h,不能超過(guò)5 ℃/h。為了能夠監(jiān)測(cè)罐內(nèi)溫降梯度,在儲(chǔ)罐多處安裝了溫度傳感器,以便控制內(nèi)罐底部或罐壁任意2個(gè)相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫差不超過(guò)30 ℃。

2 頂部環(huán)狀噴注預(yù)冷方式

2.1 模型建立

2.1.1 控制方程

FLUENT的湍流k-ε模型包括標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、重組化群k-ε模型和可實(shí)現(xiàn)k-ε模型。其中,可實(shí)現(xiàn)k-ε模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的一種改進(jìn)格式,它能較準(zhǔn)確地計(jì)算圓形射流,其對(duì)旋流和分離流的計(jì)算結(jié)果明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的計(jì)算結(jié)果,故采用可實(shí)現(xiàn)k-ε模型對(duì)噴注流場(chǎng)進(jìn)行模擬[5]。用于求解流動(dòng)及換熱問(wèn)題的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、k方程和ε方程,采用可實(shí)現(xiàn)k-ε模型求解流動(dòng)及換熱問(wèn)題時(shí),這些方程均可寫(xiě)成如下通用形式：

(1)

在三維直角坐標(biāo)系下,通用形式相對(duì)應(yīng)的可實(shí)現(xiàn)k-ε模型的控制方程見(jiàn)表1[6-7]。

表1 可實(shí)現(xiàn)k-ε模型的控制方程

方程?擴(kuò)散系數(shù)源項(xiàng)S連續(xù)方程100x-動(dòng)量uμeff=μ+μt-?p?x+??xμeff?u?x()+??yμeff?v?x()+??zμeff?w?x()+Suy-動(dòng)量vμeff=μ+μt-?p?y+??xμeff?u?y()+??yμeff?v?y()+??zμeff?w?y()+Svz-動(dòng)量wμeff=μ+μt-?p?z+??xμeff?u?z()+??yμeff?v?z()+??zμeff?w?z()+Sw湍動(dòng)能kμ+μtσkGk-ρε耗散率εμ+μtσkρεC1E-C2εvε?è???÷能量TμPr+μtσT依據(jù)實(shí)際問(wèn)題而定

湍動(dòng)黏性系數(shù)表達(dá)式：

(2)

式中：u、v、w分別為x,y,z方向的速度,m/s；ρ為密度,kg/m3；p為壓強(qiáng),Pa；k為單位質(zhì)量湍動(dòng)能,m2/s2；ε為單位質(zhì)量能量耗散率,m2/s3；T為溫度,K；Pr為能量的湍流普特朗數(shù),取值0.85；S為用戶(hù)根據(jù)計(jì)算工況定員源項(xiàng)；μeff、μt、μ分別為有效黏性系數(shù)、湍流黏性系數(shù),動(dòng)力黏性系數(shù)；C2、σk、σε在FLUENT軟件中默認(rèn)為常數(shù),取值C2=1.9,σk=1.1,σε=1.3；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生量；系數(shù)E、Cμ、C1和σT的求解較為復(fù)雜,在此不做討論。

2.1.2 計(jì)算模型

本次選取16×104m3的儲(chǔ)罐為算例,儲(chǔ)罐內(nèi)壁高34.6 m,內(nèi)徑80 m,外徑82 m[8]。根據(jù)FLUENT軟件在實(shí)際應(yīng)用中物理模型建立時(shí)的原則,對(duì)實(shí)際儲(chǔ)罐預(yù)冷進(jìn)行假設(shè)：

1)儲(chǔ)罐頂部的噴注裝置呈對(duì)稱(chēng)分布,因此將其視為二維平面問(wèn)題。

3)根據(jù)儲(chǔ)罐壁厚計(jì)算,對(duì)于儲(chǔ)罐內(nèi)壁的鋼板厚度取其平均值。

4)定義外界為常溫293 K,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力,不考慮外界熱源輻射傳熱。

16×104m3儲(chǔ)罐側(cè)壁相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2[11]。

表2 16×104m3儲(chǔ)罐側(cè)壁相關(guān)參數(shù)

材料密度/(g·cm-3)熱導(dǎo)率/(W·m-1·K-1)平均厚度/cm比熱容/(J·kg-1·K-1)9Ni鋼7 86014 7→7 91 6480→1 9玻璃纖維毯0 0160 0388334792膨脹珍珠巖0 7600 0391051753 74泡沫玻璃磚2 1800 0559215837 49預(yù)應(yīng)力混凝土2 5002 32670837 21 注：Ni鋼熱導(dǎo)率和比熱容的“→”表示這兩項(xiàng)有隨著溫度降低而降低的性質(zhì)。

利用GAMBIT軟件建立模型,選擇三角形自由網(wǎng)格進(jìn)行模型劃分,并適當(dāng)控制網(wǎng)格尺寸。對(duì)鋼板的傳熱壁面進(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分。保溫層設(shè)置為有壁厚固體壁,鋼板設(shè)置為薄壁模型。頂部環(huán)狀噴注預(yù)冷二維模型見(jiàn)圖2,其中頂部每隔5 m設(shè)置一個(gè)氮?dú)鈬姽?噴管直徑為0.3 m。

圖2 頂部環(huán)狀噴注預(yù)冷二維模型

2.1.3 邊界條件

采用-120 ℃的氮?dú)鉃楣ぷ鹘橘|(zhì),預(yù)冷前初始罐內(nèi)氣體為氮?dú)?罐體和罐內(nèi)溫度為常溫293 K,設(shè)置儲(chǔ)罐鋼板和氮?dú)饨佑|面為流固耦合傳熱。

2.2 模擬結(jié)果

流速2 m/s頂部噴注預(yù)冷的溫度分布云圖和側(cè)壁軸向溫度分布見(jiàn)圖3,由圖3可見(jiàn)儲(chǔ)罐頂部出現(xiàn)大面積低溫區(qū)域,說(shuō)明有大量的冷量聚集。溫度在儲(chǔ)罐內(nèi)分布很不均勻,在250～300 K的溫度層面積很小,溫度層很薄,觀測(cè)圖3-b)可見(jiàn),左右壁面溫降不一致,左壁面上溫度梯度較大,最大溫差高達(dá)40 ℃,超過(guò)了相關(guān)規(guī)范要求。經(jīng)對(duì)1、2、3、4 m/s流速模擬可知,儲(chǔ)罐中的溫度分布基本與圖3相似。

流速10 m/s頂部噴注預(yù)冷的溫度分布云圖和側(cè)壁軸向溫度分布見(jiàn)圖4。與圖3相比,圖4中溫度場(chǎng)分布規(guī)則,但進(jìn)氣速度的增加沒(méi)有改變260～290 K的溫度層面積,對(duì)內(nèi)壁面的鋼材來(lái)說(shuō)仍會(huì)造成壁面溫降過(guò)快。圖4側(cè)壁溫差在20 ℃左右,小于圖3中的側(cè)壁溫差幅度,但在某些局部位置還是形成了25 ℃的溫差,儲(chǔ)罐中仍存在大面積的冷量聚集區(qū)域。

a)溫度分布云圖

b)側(cè)壁軸向溫度分布圖3 流速2 m/s頂部噴注預(yù)冷

a)溫度分布云圖

b)側(cè)壁軸向溫度分布圖4 流速10 m/s頂部噴注預(yù)冷

3 溫差影響因素分析

3.1 產(chǎn)生溫差的原因

對(duì)目前實(shí)際生產(chǎn)中使用管徑為0.3 m噴嘴進(jìn)行單管進(jìn)氣工況模擬,在管道的進(jìn)氣口段,冷卻氣體由上向下運(yùn)動(dòng),周?chē)臍怏w向預(yù)冷氣體靠近并隨著預(yù)冷氣體一起運(yùn)動(dòng),在儲(chǔ)罐內(nèi)形成漩渦，單管預(yù)冷時(shí)進(jìn)氣口處的速度矢量分布見(jiàn)圖5。由此即可解釋圖3～4中的溫度分布現(xiàn)象：頂部噴注的氣體由上向下運(yùn)動(dòng),底部氣體從罐壁兩側(cè)上升,導(dǎo)致頂部幾個(gè)噴嘴噴注的冷卻氣流向中間集中靠攏,出現(xiàn)頂部冷量聚集現(xiàn)象,因此氣流運(yùn)動(dòng)是溫度層形成的主要原因。綜上所述,影響儲(chǔ)罐內(nèi)溫度層形成的因素有進(jìn)氣管徑、進(jìn)氣速度和進(jìn)氣位置。

圖5 單管預(yù)冷時(shí)進(jìn)氣口處的速度矢量分布

3.2 最佳管徑和進(jìn)氣速度

最佳管徑和進(jìn)氣速度須保證溫降達(dá)到3 ℃/h,溫度差控制在符合要求的30 ℃范圍內(nèi)。在規(guī)定單位時(shí)間內(nèi)達(dá)到溫降要求的情況下,各管徑對(duì)應(yīng)的最小進(jìn)氣速度和最少進(jìn)氣口個(gè)數(shù)見(jiàn)表3。

表3 各管徑對(duì)應(yīng)的最小進(jìn)氣速度和最少進(jìn)氣口個(gè)數(shù)

管徑/m最小進(jìn)氣速度/(m·s-1)最少進(jìn)氣口/個(gè)0 60 00510 50 0420 450 04230 40 04540 370 04650 330 04760 30 0560 280 05170 250 5270 21 080 181 580 162 090 143 0100 123 8120 16 8150 097 0170 0816200 072024

結(jié)合表3數(shù)據(jù),利用ORIGIN軟件計(jì)算得到進(jìn)氣速度和管徑關(guān)系擬合公式：

(3)

最小進(jìn)氣速度和管徑關(guān)系擬合圖見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn),管徑0.3 m為1個(gè)特征點(diǎn),當(dāng)管徑小于0.3 m時(shí),不同的管徑要求進(jìn)氣速度相差很大,對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)溫度層影響較大。當(dāng)管徑大于0.3 m時(shí),進(jìn)氣速度相差較小,且都處于較低的流速,對(duì)溫度層影響較小,式(3)為氮?dú)忸A(yù)冷的改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

圖6 最小進(jìn)氣速度和管徑關(guān)系擬合圖

4 柱狀噴注預(yù)冷方式

4.1 柱狀噴注預(yù)冷結(jié)構(gòu)模型

改進(jìn)后的柱狀噴注預(yù)冷二維模型見(jiàn)圖7,氮?dú)廨敋夤艿栏删€(xiàn)兩側(cè)每間隔5 m設(shè)置1個(gè)噴嘴,噴嘴直徑為0.15 m。

圖7 改進(jìn)后的柱狀噴注預(yù)冷二維模型

4.2 柱狀噴注預(yù)冷模擬結(jié)果分析

a)溫度分布云圖

b)側(cè)壁軸向溫度分布

5 兩種預(yù)冷方式對(duì)比

進(jìn)行LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷時(shí)先將液氮槽車(chē)增壓到0.6 MPa,對(duì)應(yīng)溫度為-177 ℃,考慮沿程冷損,因此,采用噴入儲(chǔ)罐內(nèi)部時(shí)液氮的溫度設(shè)定為-173 ℃。不同流速下頂部環(huán)狀噴注的溫度場(chǎng)分布變化過(guò)程見(jiàn)圖9～10,柱狀噴注的溫度場(chǎng)分布變化過(guò)程見(jiàn)圖11。

圖9 低流速4 m/s頂部環(huán)狀噴注溫度場(chǎng)分布變化過(guò)程

圖10 高流速9 m/s頂部環(huán)狀噴注溫度場(chǎng)分布變化過(guò)程

圖11 流速5 m/s柱狀噴注溫度場(chǎng)分布變化過(guò)程

通過(guò)對(duì)圖9～11噴注過(guò)程溫度分布變化過(guò)程分析可得：

1)與頂部環(huán)狀噴注預(yù)冷方式相比,利用柱狀噴注預(yù)冷方式能使儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度層分布均勻,高溫層分布明顯并且均勻,不會(huì)造成儲(chǔ)罐內(nèi)壁鋼材溫降過(guò)快,有利于儲(chǔ)罐冷卻。

2)噴注時(shí)噴注的速度越大,噴距就越長(zhǎng),噴嘴外部速度場(chǎng)的擴(kuò)算角度就越小,離噴嘴近處的冷量擴(kuò)散則越慢,但離噴嘴遠(yuǎn)處的溫階明顯。

3)圖9～11中都有冷量聚集,柱狀噴注預(yù)冷的噴嘴個(gè)數(shù)比頂部預(yù)冷方式的少3個(gè),冷量聚集不明顯。

4)圖11中,隨著噴注時(shí)間變化,溫度分布基本保持最初形成的分布形狀,均勻擴(kuò)散,每個(gè)溫度層的變化過(guò)程也與相鄰的溫度層變化相同。

5)柱狀噴注溫度分布形成過(guò)程穩(wěn)定,這樣儲(chǔ)罐頂部、底部和側(cè)壁同時(shí)預(yù)冷,預(yù)冷速度一致。

6)可嘗試在噴注的開(kāi)始階段采用高速進(jìn)氣,這樣在早期形成較好的溫階。在噴注后期采低速進(jìn)氣,這樣冷量聚集,從而保證壁面不會(huì)出現(xiàn)較大的溫降。

7)從設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)施工而言,在頂部環(huán)狀噴注安裝噴嘴較多時(shí),費(fèi)時(shí)費(fèi)力且設(shè)備龐大,使用完后撤離麻煩；而使用柱狀噴注時(shí),安裝和撤離比較容易。

6 結(jié)論

1)相鄰熱電偶之間的溫差是由于儲(chǔ)罐內(nèi)溫度場(chǎng)分布不均造成,儲(chǔ)罐內(nèi)溫度分布影響因素有冷卻氣體進(jìn)口速度、管徑和進(jìn)口位置。

2)采用頂部環(huán)狀噴注預(yù)冷方式時(shí),溫度場(chǎng)分布與進(jìn)氣速度有關(guān),較高的速度(>7.5 m/s)進(jìn)口比低速進(jìn)口溫度場(chǎng)分布規(guī)則。

3)采用柱狀噴注預(yù)冷方式,側(cè)壁面可得到同步降溫收縮,減小由于溫降不均勻造成的應(yīng)力。

4)柱狀噴注預(yù)冷方式中儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度層分布更加規(guī)則均勻,有利于儲(chǔ)罐冷卻。

5)任何噴注方式都應(yīng)合理選擇進(jìn)氣管徑和速度,預(yù)冷管道的管徑應(yīng)該在0.1～0.3 m選取,進(jìn)氣速度應(yīng)該控制在大于5 m/s。

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2015-01-04

董文浩(1988-),男,四川成都人,碩士研究生,主要從事天然氣處理和液化天然氣技術(shù)研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.017