基于fluent的LNG液罐蒸發(fā)參數(shù)預報方法

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(大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024)

LNG在儲運過程中，由于其低溫特性和保溫層隔熱性能的局限性，會產(chǎn)生漏熱而引起內(nèi)部系統(tǒng)溫度升高、壓力增大，須開啟閥件釋放部分蒸氣，這不僅提高了營運成本，也帶來了安全隱患。以往對LNG儲運和蒸發(fā)問題的研究主要有以下幾方面進展：①對LNG液罐或液貨艙進行了靜態(tài)的溫度場分析，通過計算漏熱量間接預報蒸發(fā)參數(shù)[1-5]；②使用有限元、CFD等方法，在一定簡化的基礎上探究了影響LNG蒸發(fā)率的因素，分析壓力、裝載量對蒸發(fā)的影響[6-8]；③在靜態(tài)模擬的基礎上考慮晃蕩，實現(xiàn)LNG在運動狀態(tài)下的蒸發(fā)模擬，對LNG的分層、翻滾也以云圖的形式進行闡釋，預測復雜工況下LNG的蒸發(fā)狀態(tài)[9-10]。已有的研究在LNG工質(zhì)特性、溫度場設定等方面進行了假設和簡化，存在監(jiān)測時長過短而無法實現(xiàn)液位變化，間接計算蒸發(fā)量存在二次誤差，缺少實驗數(shù)據(jù)佐證等不足。因此考慮以實驗為基礎，結(jié)合LNG多組分特性和非穩(wěn)態(tài)溫度場理論，提出能有效預報LNG蒸發(fā)參數(shù)的fluent算法。

1 液氮蒸發(fā)實驗

1.1 實驗設備

實驗選取液氮作為工質(zhì)進行低溫實驗。實驗采用1.5 m3C型液罐，見圖1。

液罐底部裝有稱重設備，且在液罐的上、中、下部設有若干溫度傳感器，見圖2a)、b)。圖中?、?、?表示3層保溫層，數(shù)字①～對應各溫度傳感器的編號，其詳細備注見表1。對應的重量、溫度數(shù)據(jù)都通過軟件顯示于電腦屏幕上供實驗人員實時監(jiān)測。實驗室空調(diào)設置為25 ℃，同時將實驗室用塑料薄膜密閉以減少換熱，保證整個過程環(huán)境溫度不變。

溫度傳感器編號量程/℃樣式材質(zhì)①、②-100～0貼片式鋼③～④、、-100～0貼片式不銹鋼⑦～-200～-100貼片式不銹鋼～-200～-100插入式不銹鋼～-150～0貼片式不銹鋼

1.2 實驗內(nèi)容

實驗主要研究不同工況下液氮的蒸發(fā)情況，尋找有價值的數(shù)據(jù)和規(guī)律。自變量有保溫層厚度、初始裝載量和壓力。

保溫層材料為聚氨酯泡沫，總厚度為400 mm，分為3層，分別為200、300和400 mm，且外面2層可拆卸。初始裝載分為滿載和半載。壓力分為自由蒸發(fā)和0.7 MPa憋壓蒸發(fā)。

通過記錄上述不同工況的重量、溫度等數(shù)據(jù)，在實驗結(jié)束后進行數(shù)據(jù)匯整和處理，以得到該實驗不同工況下的蒸發(fā)量、溫度場信息。

2 液氮蒸發(fā)模擬計算

2.1 模型建立

1.5 m3C型液罐CATIA模型見圖3。液罐長度約2.08 m，罐徑1 m。為節(jié)省計算時長，適當省略相應的部件，采用二維模型計算并進行修正，在保證精度的條件下加以簡化。

將模型進行適當調(diào)整后導入GAMBIT軟件中進行常規(guī)的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格長度約5 mm。隨后將msh文件導入fluent中，見圖4。圖中的圓圈標記為液氮的蒸發(fā)流出出口，因此在邊界設置時，將此處設置為壓力出口，而其余面則設置為常規(guī)壁面。

2.2 fluent設置

通用設置中，將fluent求解器選擇為基于壓力求解，時態(tài)為瞬態(tài)。由于模型涉及到氣、液兩相，因此，選擇多相流模型mixture模型。同時，計算存在相變，且有傳熱發(fā)生，需開啟能量方程。添加液氮為液相，設為主相；氮氣為氣相，設為次相，二者相變模型選為蒸發(fā)—冷凝模型，由液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，根?jù)液氮物理特性將蒸發(fā)-冷凝溫度設為77.15 K。

邊界設置中，需對壓力出口進行氣態(tài)條件編輯，設置出口蒸汽含量100%，防止回流，即防止氮氣從出口流回液罐的狀況發(fā)生。壁面的邊界設置則需要在thermal項設置常溫溫度條件，且需要自行添加隔熱材料聚氨酯，對其導熱系數(shù)、導溫系數(shù)相應賦值。隨后應考慮重力的影響，在Y方向上取值-9.81 m/s2，同時開啟混合密度選項，將氮氣的密度作為混合密度值。

在計算設置中，選擇simple算法，梯度插值方案選擇格林-高斯基于單元算法，壓力項選擇體積力方法，其余采用二階迎風格式，并將動量和體積分數(shù)的松弛因子調(diào)低，約為0.2。監(jiān)測窗口則記錄液氮的質(zhì)量，以通過直觀的觀察、記錄液氮重量的變化值來得到蒸發(fā)量。液氮蒸發(fā)模擬工況采用半載，即50%的初始裝載率來驗證，可在初始化中設置半載，隨后開始計算。

2.3 計算結(jié)果

選取a)和b)2種工況結(jié)果見圖5。

根據(jù)查詢上述兩種工況記錄的詳細數(shù)據(jù)文本信息，將其平均蒸發(fā)率與實驗值進行對比，誤差見表2。

表2 液氮蒸發(fā)率fluent值與實驗值對比

由表2可見，該算法算得的結(jié)果與實驗值相比，平均誤差約為6.2%，模擬結(jié)果與實際結(jié)果基本相符，輔以實驗數(shù)據(jù)做驗證使此算法有一定的說服力，因此可以確定該算法的正確性，并在此算法的基礎上進行微調(diào)，用于本文后續(xù)對LNG蒸發(fā)模擬的計算上。

3 LNG蒸發(fā)模擬工作

3.1 LNG多組分工質(zhì)

實際的LNG并非僅包含甲烷的單一化合物，在材料庫中重新定義LNG組分見表3。

表3 LNG工質(zhì)組分

添加過熱氣體和過冷液體，即氣、液兩相，隔熱材料為聚氨酯泡沫。

常壓下，液態(tài)天然氣相關參數(shù)如下。

密度436.27 kg/m3，

摩爾質(zhì)量16.63 g/mol，

定壓比熱容3.365 5 kJ/(kg·K)，

動力粘度1.312×10-4Pa·s；

氣態(tài)天然氣相關參數(shù)如下。

密度0.67 kg/m3，

摩爾質(zhì)量16.63 g/mol，

定壓比熱容2.197 6 kJ/(kg·K)，

粘度1.098×10-5Pa·s。

3.2 非穩(wěn)態(tài)溫度場

由于算法針對非穩(wěn)態(tài)的溫度場，且在LNG多組分特性影響下，LNG蒸發(fā)時儲罐內(nèi)的溫度會與LNG自身的熱物性產(chǎn)生動態(tài)變化，存在相互影響的關系。因次，算法在對LNG導熱系數(shù)等熱物性賦值時導入了UDF(用戶自定義函數(shù))，通過編譯的C語言程序來實現(xiàn)LNG的導熱系數(shù)隨溫度呈函數(shù)變化。將導熱系數(shù)視作主導因素，其他熱物性選擇性地添加函數(shù)關系。氣、液兩相下天然氣導熱系數(shù)與溫度的函數(shù)關系式不同，分別用C語言編譯成UDF文件導入fluent以實現(xiàn)熱物性動態(tài)變化。同時，溫度場設定為自適應，而非恒定。其余的通用設置、邊界設置以及計算設置與液氮模擬計算相同，仍選用mixture模型和simple算法。根據(jù)計算硬件條件適當調(diào)整步長和壓力、動量的計算模式及其對應的松弛因子以獲得所需的計算時長和精度。

3.3 計算工況設置

以溫度場、保溫層厚度為自變量，LNG的蒸發(fā)量為因變量，模擬計算工況見表4。

表4 計算工況設置

初始裝載率統(tǒng)一設定為95%，蒸發(fā)狀態(tài)選擇設置起來較為簡單的開閥自由蒸發(fā)。

4 LNG蒸發(fā)計算結(jié)果與分析

對工況3、7、4、8下的結(jié)果進行整理和修正，對比結(jié)果見圖6。

由圖6可知，二者存在差異，但誤差較小。其原因在于液罐本身尺寸較小，罐內(nèi)不同位置的溫度和漏熱等雖不同，但差異不明顯，因此，各部位LNG熱物性差異亦不明顯，進而使整個LNG的蒸發(fā)過程差異較小。以非穩(wěn)態(tài)溫度場的計算結(jié)果為準，恒定溫度場計算結(jié)果存在的誤差平均約為6.6%。

根據(jù)工況5～8的計算結(jié)果，可整理結(jié)果見圖7和表5。

保溫層厚度/mm100200300400蒸發(fā)時長/d2.06.813.923.1

由圖7可知，保溫層厚度不同時，蒸發(fā)中前期差異較大，后期差異較小，即加厚保溫層對前期的保溫工作貢獻率較大。

由表5可知，保溫層厚度每增加100 mm，效率平均約提高1.36倍，但效率提升逐漸下降。

5 結(jié)論

1)算法能實現(xiàn)對1.5 m3C型LNG液罐進行蒸發(fā)時長、蒸發(fā)速率等參數(shù)的預報工作，可獲得各保溫層下LNG的蒸發(fā)時長以及不同液位下蒸發(fā)速率的對比，能為實際工程應用提供指導。

2)基于LNG多組分特性和非穩(wěn)態(tài)溫度場理論的算法，較以往采用有限元方法計算漏熱來間接預測可提高6.6%的精確度，今后LNG的蒸發(fā)預報計算應考慮采用非穩(wěn)態(tài)溫度場，細化LNG材料組分及其屬性的設定。

3)應用非穩(wěn)態(tài)溫度場對計算精確度的提升可能會因選取模型的大小或模擬工質(zhì)的不同產(chǎn)生差異，今后可嘗試將該算法應用于大型LNG液貨艙或其他低溫液體的儲運工作中加以驗證和比較。

4)算法以計算和預報LNG的靜態(tài)蒸發(fā)參數(shù)為主，若考慮晃蕩等因素，可在此算法的基礎上引入VOF湍流模型，并根據(jù)實際晃蕩情況對邊界條件進行添加和調(diào)整來計算和預報LNG的動態(tài)蒸發(fā)參數(shù)。