液化天然氣儲(chǔ)罐預(yù)冷過程溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

匡以武，耑銳，王文，朱菊香

（1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240；2浙江工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，浙江 杭州310029）

引 言

液化天然氣 （LNG）技術(shù)解決了天然氣的存儲(chǔ)、運(yùn)輸問題，同時(shí)還廣泛用于民用燃?xì)庀到y(tǒng)的調(diào)峰。大型LNG儲(chǔ)罐是LNG接收站最重要的存儲(chǔ)設(shè)備，儲(chǔ)罐工作壓力約為0.1MPa，溫度為－162℃［1］。通常罐內(nèi)壁采用9%鎳鋼，外罐由預(yù)應(yīng)力混凝土材料建成。在內(nèi)外罐之間以及儲(chǔ)罐吊頂都設(shè)計(jì)有保溫材料，以確保儲(chǔ)罐的日最大蒸發(fā)量低于安全值［2］。工程應(yīng)用中，首次投入使用的LNG儲(chǔ)罐，在LNG充注儲(chǔ)罐之前，首先要進(jìn)行預(yù)冷，避免出現(xiàn)急劇和非均勻降溫導(dǎo)致的罐體應(yīng)力集中和罐內(nèi)壓力驟升。LNG儲(chǔ)罐的預(yù)冷是整個(gè)儲(chǔ)罐投入使用過程中風(fēng)險(xiǎn)最高，難度最大的環(huán)節(jié)［3］。

朱鴻梅等［4］對(duì)大型LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷過程中角部絕熱結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，指出在預(yù)冷的初期，儲(chǔ)罐側(cè)壁的降溫速度較慢且溫度梯度小，儲(chǔ)罐底部的降溫速度較快且溫度梯度大。陳帥等［5］建立了LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷的集總參數(shù)數(shù)值計(jì)算模型，指出在確保罐內(nèi)溫差正常的情況下，應(yīng)盡可能地提高冷卻速度到5K·h－1，以便減少閃蒸汽 （BOG）的排放。然而陳帥的模型并沒有考慮到儲(chǔ)罐側(cè)壁與底部的不同之處，模型僅能計(jì)算儲(chǔ)罐的平均溫降速度。

LNG儲(chǔ)罐的預(yù)冷操作是通過環(huán)形均勻布置的噴嘴向儲(chǔ)罐內(nèi)小流量噴淋LNG，通過控制噴淋流量調(diào)整相變蒸發(fā)與對(duì)流換熱，從而達(dá)到控制罐體溫度下降速率的目的。預(yù)冷過程涉及儲(chǔ)罐內(nèi)氣體的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，多組分工質(zhì)相變傳熱和傳質(zhì)以及大空間對(duì)流換熱過程，目前對(duì)其復(fù)雜的耦合機(jī)理研究尚不充分，噴淋用的噴嘴的布置也主要依靠操作經(jīng)驗(yàn)。本文建立了LNG儲(chǔ)罐噴淋預(yù)冷過程的熱流固耦合計(jì)算模型，進(jìn)行了數(shù)值模擬，針對(duì)罐內(nèi)熱流場(chǎng)對(duì)壁溫分布的影響進(jìn)行了分析探討。

1 儲(chǔ)罐物理模型

圖1為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐示意圖，LNG經(jīng)噴淋管線進(jìn)入噴淋環(huán)，然后自均勻布置在圓形噴淋環(huán)上的錐形噴嘴噴淋進(jìn)入儲(chǔ)罐。LNG噴淋前，儲(chǔ)罐內(nèi)已經(jīng)過BOG氣體置換。噴淋時(shí)，LNG由噴淋環(huán)上的實(shí)心圓錐噴嘴均勻地噴入儲(chǔ)罐，由于儲(chǔ)罐內(nèi)氣體對(duì)于液滴的黏滯作用，液滴水平噴射速度迅速衰減，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成豎直向下降落，因此噴淋的LNG液滴只能覆蓋有限的儲(chǔ)罐區(qū)域，圖1中的儲(chǔ)罐中心噴淋區(qū)域即是指噴嘴噴淋的液滴最大能覆蓋的范圍［6］，由于儲(chǔ)罐金屬壁面太薄，圖中未畫出。

在LNG液滴飛行的過程中，由于液滴溫度很低，氣體溫度很高，液滴不斷從周圍的氣體中吸收熱量并迅速汽化成低溫氣體，然后迅速與周圍氣體混合。由于LNG從噴嘴以較大的速度噴出，LNG液滴自身具有動(dòng)量，液滴汽化的同時(shí)，會(huì)將動(dòng)量傳遞給了氣體。LNG液滴汽化，體積迅速膨脹，也會(huì)推動(dòng)氣體流動(dòng)。獲得了動(dòng)量的氣體，在儲(chǔ)罐內(nèi)流動(dòng)，形成流場(chǎng)，進(jìn)而引起儲(chǔ)罐內(nèi)溫度場(chǎng)的變化。儲(chǔ)罐壁面和底面與內(nèi)部低溫氣體發(fā)生對(duì)流換熱，溫度不斷降低，直至預(yù)冷過程結(jié)束。

在本文的模擬中選擇160000m3地上全容式LNG儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，儲(chǔ)罐內(nèi)壁半徑40m，壁厚0.7m，罐頂最大高度50m，儲(chǔ)罐筒體高度37.5m。罐內(nèi)噴淋環(huán)直徑13m，噴淋環(huán)上均勻布置32個(gè)實(shí)心圓錐噴嘴。模擬過程中，LNG噴淋速度為40m3·h－1。

圖1 LNG儲(chǔ)罐計(jì)算示意圖Fig.1 Schematic of LNG tank

2 數(shù)學(xué)模型

儲(chǔ)罐預(yù)冷過程中，罐內(nèi)氣體受到液滴飛行和汽化過程的擾動(dòng)而發(fā)生流動(dòng)，液滴由于氣體的黏滯作用主要是垂直向下降落，因此基本控制方程如下。

氣體連續(xù)性方程：

液體連續(xù)性方程：

氣體動(dòng)量方程［7－8］：

氣體能量方程：

儲(chǔ)罐壁能量方程：

數(shù)值模型滿足以下基本假設(shè)：

（1）液體從噴嘴噴出后，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）忽略罐內(nèi)氣體的可壓縮性；

（5）液體處于熱力學(xué)飽和態(tài)，并假設(shè)儲(chǔ)罐氣體排放能力足夠，罐內(nèi)壓力保持恒定，液滴吸收熱量全部用于汽化［9］；

（6）由于儲(chǔ)罐吊頂采用了保溫結(jié)構(gòu)，且儲(chǔ)罐的穹頂內(nèi)氣相部分具有較好的隔熱作用，因此忽略頂部的環(huán)境漏熱。

3 計(jì)算方法及結(jié)果

3.1 計(jì)算方法

本文采用了有限容積法，對(duì)模型的控制方程進(jìn)行了離散化求解，利用MATLAB編寫了數(shù)值模擬程序，對(duì)于壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的耦合，采用SIMPLE算法求解［10－11］。由于儲(chǔ)罐金屬內(nèi)壁較薄，在此附近需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。圖中曲線包裹的區(qū)域即為噴淋出的LNG液滴所能覆蓋的區(qū)域。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格示意圖Fig.2 Calculation mesh

3.2 計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)的選擇

由于計(jì)算的重點(diǎn)是反應(yīng)儲(chǔ)罐壁溫隨時(shí)間的變化，因此選用儲(chǔ)罐底部中心位置的壁溫變化來驗(yàn)證時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。通常，選用小的時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算的結(jié)果比較大的時(shí)間步長(zhǎng)結(jié)果更精確，但是計(jì)算所需的時(shí)間會(huì)成倍增長(zhǎng)，當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不大時(shí)，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，通常選擇較大的時(shí)間步長(zhǎng)。圖3顯示，0.5s和1s的計(jì)算結(jié)果基本吻合，考慮計(jì)算所需的機(jī)器時(shí)間，因此實(shí)際選用1s作為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。

圖3 不同時(shí)間步長(zhǎng)下儲(chǔ)罐底部中心溫度的變化Fig.3 Temperature variation at tank bottom for different time steps

4 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

儲(chǔ)罐的計(jì)算初始溫度為10℃，環(huán)境溫度20℃，LNG噴淋流量為40m3·h－1。

圖4給出了在LNG噴淋流量為40m3·h－1的情況下，預(yù)冷的開始階段，LNG儲(chǔ)罐內(nèi)溫度的變化。由圖可以看出，當(dāng)LNG噴入儲(chǔ)罐后，吸熱汽化，造成罐內(nèi)局部氣體溫度降低，隨著噴淋的繼續(xù)，低溫氣體向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)底面后沿底面向四周擴(kuò)散，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到側(cè)壁后，又沿側(cè)壁向上爬升，進(jìn)而使儲(chǔ)罐內(nèi)溫度趨于均勻。

上述過程可以解釋為當(dāng)LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐后，儲(chǔ)罐內(nèi)氣相溫度很高，LNG首先在噴嘴的出口處汽化，該區(qū)域的氣體溫度迅速降低。由于LNG從噴嘴以較大的速度噴出，LNG液滴自身具有動(dòng)量，液滴汽化的同時(shí)，會(huì)將動(dòng)量傳遞給氣體。另外，LNG液滴汽化，體積迅速膨脹，這也會(huì)推動(dòng)氣體流動(dòng)。從圖5可以看出，獲得動(dòng)量的氣體向下運(yùn)動(dòng)，遇到底面后向四周擴(kuò)散，最后沿側(cè)壁向上爬升，進(jìn)而在儲(chǔ)罐內(nèi)形成流場(chǎng)。此過程中，由于低溫氣體的流動(dòng)，儲(chǔ)罐內(nèi)溫度場(chǎng)趨于均勻，同時(shí)溫度較低的氣體和儲(chǔ)罐壁面間發(fā)生對(duì)流換熱，儲(chǔ)罐壁面溫度不斷降低，從而達(dá)到預(yù)冷的目的。

圖4 預(yù)冷過程中儲(chǔ)罐溫度變化Fig.4 Temperature field

圖5 預(yù)冷過程中儲(chǔ)罐流場(chǎng)變化Fig.5 Velocity field

圖6 儲(chǔ)罐底部中心的溫度變化Fig.6 Temperature variation at tank bottom center

圖6是儲(chǔ)罐底部中心的溫度隨時(shí)間的變化。可以看出，儲(chǔ)罐底部中心的溫度并不是隨著預(yù)冷過程的進(jìn)行而一直降低的，當(dāng)儲(chǔ)底部溫度降低到一定程度后，底部中心區(qū)域出現(xiàn)了溫度不減反增的現(xiàn)象，從溫度的徑向分布也可以看出，中心區(qū)域的溫度會(huì)高于其他部分。這是因?yàn)楫?dāng)噴淋的液滴噴到儲(chǔ)罐的底壁后，在壁面汽化，產(chǎn)生的氣體無法及時(shí)沿底面向四周擴(kuò)散，從而在儲(chǔ)罐底部的中心區(qū)域積聚，形成二次流動(dòng)，如圖7所示。二次流動(dòng)阻礙了儲(chǔ)罐與內(nèi)部低溫氣體的對(duì)流換熱，同時(shí)，底部的混凝土對(duì)內(nèi)部的導(dǎo)熱還在繼續(xù)，因此在二次流動(dòng)區(qū)域出現(xiàn)了溫度不減反增的現(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)罐的底壁上汽化量減小，產(chǎn)生的新氣體量減少，二次流動(dòng)區(qū)域逐漸被壓縮，底部中心區(qū)域的溫度又重新下降。

而在預(yù)冷的初始階段，底部中心區(qū)域沒有出現(xiàn)溫度上升是因?yàn)槌跏茧A段，罐內(nèi)氣相溫度較高，液滴運(yùn)動(dòng)到儲(chǔ)罐底部前就已完全汽化，無法到達(dá)罐底汽化形成二次流動(dòng)，因此底部中心區(qū)域溫度在預(yù)冷前期不會(huì)出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。

圖7 儲(chǔ)罐底部中心區(qū)域二次回流流場(chǎng)Fig.7 Backflow velocity field at tank center

5 結(jié) 論

本文針對(duì)LNG儲(chǔ)罐噴淋預(yù)冷過程，建立了熱流固耦合計(jì)算模型，模擬了預(yù)冷過程中儲(chǔ)罐內(nèi)以及儲(chǔ)罐壁的溫度場(chǎng)的變化，分析了預(yù)冷過程中儲(chǔ)罐內(nèi)流場(chǎng)和儲(chǔ)罐壁面溫度的變化。

（1）模擬結(jié)果顯示，噴淋進(jìn)入儲(chǔ)罐的LNG液滴并不能完全覆蓋整個(gè)儲(chǔ)罐，液滴進(jìn)入儲(chǔ)罐后，速度迅速衰減并轉(zhuǎn)成垂直下落，同時(shí)液滴不斷吸熱汽化，造成罐內(nèi)局部氣體溫度降低，隨著噴淋的繼續(xù)，低溫氣體向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)底面后沿底面向四周擴(kuò)散，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到側(cè)壁后，又沿側(cè)壁向上爬升，進(jìn)而使儲(chǔ)罐內(nèi)溫度趨于均勻，達(dá)到儲(chǔ)罐預(yù)冷降溫的目的。

（2）由于儲(chǔ)罐的底部中心區(qū)域出現(xiàn)二次流動(dòng)，阻礙了儲(chǔ)罐底壁與內(nèi)部低溫氣體的換熱，同時(shí)由于混凝土對(duì)容器的導(dǎo)熱，造成容器底部中心區(qū)域的溫度不減反增的現(xiàn)象。然而隨著儲(chǔ)罐預(yù)冷的進(jìn)行，底部混凝土熱量釋放，二次流動(dòng)逐漸消失，儲(chǔ)罐底部的溫度又重新開始下降。二次流動(dòng)區(qū)域的出現(xiàn)主要受噴淋裝置的布置以及噴淋流量的影響。

符 號(hào) 說 明

cp——比定壓熱容，J·kg－1·K－1

Hlg——汽化潛熱，J·kg－1

p——壓力，Pa

T——溫度，K

t——時(shí)間，s

u——速度，m·s－1

α——體積分?jǐn)?shù)

λ——熱導(dǎo)率，W·m－1·K－1

μ——黏度，Pa·s

下角標(biāo)

g——?dú)怏w

l——液體

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