液化天然氣儲(chǔ)罐動(dòng)態(tài)日蒸發(fā)率數(shù)值模擬

陳銳瑩，陳 峰，姜夏雪，張 晨，安東雨

(中海石油氣電集團(tuán)，北京 100028)

液化天然氣(LNG)全容儲(chǔ)罐(以下簡稱儲(chǔ)罐)的日蒸發(fā)率是衡量儲(chǔ)罐絕熱保冷性能的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)之一，也是儲(chǔ)罐驗(yàn)收的重要性能指標(biāo)。儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存著大量的低溫LNG，LNG是一種沸騰液體，任何熱量傳導(dǎo)至儲(chǔ)罐都會(huì)導(dǎo)致部分LNG蒸發(fā)為閃蒸氣(BOG)[1]。

在常規(guī)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中，儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率均采用靜態(tài)計(jì)算[2-3]，認(rèn)為外界環(huán)境溫度的變化是影響B(tài)OG蒸發(fā)量的主要原因。一般采用熱平衡模型，利用儲(chǔ)罐各結(jié)構(gòu)實(shí)際面積、保冷設(shè)置等參數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的熱量輸入量，再根據(jù)LNG物性參數(shù)計(jì)算儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)率[4-6]?；蛘吒鶕?jù)儲(chǔ)罐保冷結(jié)構(gòu)建立局部儲(chǔ)罐模型，分析各部分保冷結(jié)構(gòu)受到的溫度場影響[7-8]。在靜態(tài)計(jì)算中，每小時(shí)漏熱量的確定是計(jì)算關(guān)鍵，將每小時(shí)的漏熱量相加即可得到每天的漏熱量。采用這種方法計(jì)算出來的日蒸發(fā)率相對(duì)保守[9]，可確保儲(chǔ)罐的保冷設(shè)計(jì)有一定的余量。

儲(chǔ)罐建成后需要進(jìn)行日蒸發(fā)率測試[10]，以驗(yàn)證儲(chǔ)罐的保冷性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)率測試要求復(fù)雜[11-12]，需考慮各種生產(chǎn)條件，很多時(shí)候儲(chǔ)罐站場無法滿足要求，不能進(jìn)行儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率的測試。即便進(jìn)行日蒸發(fā)率測試，測試過程中也會(huì)受到儲(chǔ)罐液位測量誤差、隔離閥泄漏、儲(chǔ)罐某些信息不確定等因素的影響，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。為此，筆者采用ANSYS有限元軟件，將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于某項(xiàng)目LNG儲(chǔ)罐靜置過程日蒸發(fā)率的測試，以模擬和修正實(shí)際測試結(jié)果。

1 儲(chǔ)罐常規(guī)日蒸發(fā)率測試

1.1 測試要求

進(jìn)行儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率測試時(shí)，一般要求被測試儲(chǔ)罐處于運(yùn)行狀態(tài)[13-14]。測試時(shí)主要有以下要求：①在LNG第1次充裝30 d后進(jìn)行測試，以確保儲(chǔ)罐保溫層和內(nèi)部構(gòu)件都處于熱平衡狀態(tài)。②測試前應(yīng)盡量排空儲(chǔ)罐內(nèi)LNG，然后再進(jìn)行裝料，以確保儲(chǔ)罐內(nèi)LNG組成與卸船時(shí)的LNG組成相對(duì)接近。裝料后根據(jù)卸船時(shí)的LNG組成計(jì)算日蒸發(fā)率。③在儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率測試期間，應(yīng)確保站場大氣壓穩(wěn)定、測試罐處于或接近其最大LNG液位。測試罐內(nèi)的低壓泵應(yīng)停運(yùn)，利用站場其它儲(chǔ)罐提供LNG外輸。測試罐也應(yīng)無任何進(jìn)料操作，利用站場側(cè)閥門進(jìn)行單側(cè)隔離。確保BOG壓縮機(jī)工作正常，以保證儲(chǔ)罐罐內(nèi)壓力穩(wěn)定，每隔1 h進(jìn)行液位數(shù)據(jù)記錄。測試時(shí)間一般持續(xù)24～96 h，測試結(jié)束后通過對(duì)測試時(shí)監(jiān)測到的測試罐內(nèi)液位的變化，來計(jì)算儲(chǔ)罐實(shí)際日蒸發(fā)率。

1.2 日蒸發(fā)率計(jì)算方法1

將儲(chǔ)罐理論BOG日蒸發(fā)率與測試BOG日蒸發(fā)率進(jìn)行對(duì)比，測試值小于理論值即通過測試。此方法計(jì)算簡便，但設(shè)計(jì)時(shí)理論日蒸發(fā)率是根據(jù)甲烷物性計(jì)算的，而測試的物料為LNG，2種介質(zhì)物性不同，將直接導(dǎo)致測試值小于理論值，不能真實(shí)反映保冷層的設(shè)計(jì)是否能夠滿足既定要求。儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率計(jì)算公式如下：

V理=Vtank初BORn
V實(shí)=Vtank初-Vtank終

式中，V理為進(jìn)行日蒸發(fā)率設(shè)計(jì)時(shí)儲(chǔ)罐的理論BOG蒸發(fā)體積，Vtank初為日蒸發(fā)率測試開始時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG體積，V實(shí)為日蒸發(fā)率測試時(shí)儲(chǔ)罐的實(shí)際BOG蒸發(fā)體積，Vtank終為日蒸發(fā)率測試結(jié)束時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG體積，m3；BOR為儲(chǔ)罐BOG日蒸發(fā)率，%；n為測試天數(shù)，d。

若現(xiàn)場測試條件有限，可利用此方法計(jì)算儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率。

1.3 日蒸發(fā)率計(jì)算方法2

將允許的儲(chǔ)罐理論漏熱量與測試期間的儲(chǔ)罐漏熱量進(jìn)行比較，測試值小于理論值即通過測試。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于漏熱量理論值與測試值均是按照實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算，但計(jì)算較為復(fù)雜。

Q理=VtankρCH4ΔHCH4BORn
Q實(shí)=(Vtank初-Vtank終)ρLNGΔHLNG

式中，Q理為進(jìn)行日蒸發(fā)率設(shè)計(jì)時(shí)儲(chǔ)罐理論漏熱量，Q實(shí)為進(jìn)行日蒸發(fā)率測試時(shí)儲(chǔ)罐實(shí)際漏熱量，kJ；Vtank為進(jìn)行日蒸發(fā)率設(shè)計(jì)時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG體積，m3；ρLNG為儲(chǔ)罐內(nèi)LNG密度，ρCH4為甲烷密度，取ρCH4=420.2 kg/m3；ΔHLNG為儲(chǔ)罐內(nèi)LNG氣化潛熱，ΔHCH4為儲(chǔ)甲烷氣化潛熱，取ΔHCH4=512.4 kJ/kg。

若現(xiàn)場可以對(duì)LNG的密度和氣化潛熱進(jìn)行測試，可利用此方法計(jì)算儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率。

2 儲(chǔ)罐動(dòng)態(tài)日蒸發(fā)率模擬計(jì)算

2.1 儲(chǔ)罐全三維模型建立

在進(jìn)行儲(chǔ)罐動(dòng)態(tài)日蒸發(fā)率計(jì)算時(shí)，為精準(zhǔn)模擬儲(chǔ)罐實(shí)際情況，利用ANSYS軟件建立儲(chǔ)罐全三維模型[15-20]。全三維模型完全按照某項(xiàng)目中的LNG儲(chǔ)罐實(shí)際結(jié)構(gòu)搭建，見圖1。

圖1 儲(chǔ)罐全三維模型

根據(jù)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中保冷材料的分布情況(圖2)賦予其材料屬性，主要分為側(cè)壁TCP上部區(qū)域、側(cè)壁TCP區(qū)域、底部中心區(qū)域、底部A區(qū)域和底部B區(qū)域共5個(gè)區(qū)域。

圖2 儲(chǔ)罐保冷材料分布情況

全三維模擬能夠考慮實(shí)際情況下三維邊界的影響，并且包含全部的流體域，模擬精確度最高。采用全三維模擬可以充分考慮儲(chǔ)罐的幾何細(xì)節(jié)。但全三維模擬幾何建模比較復(fù)雜，高質(zhì)量網(wǎng)格劃分難度比較大，涉及的求解控制技術(shù)也較多，計(jì)算中存在一定的難度。

儲(chǔ)罐三維建模是對(duì)儲(chǔ)罐整體進(jìn)行分析，需要建立穹頂、罐體、罐底以及保冷層模型。為了分析蒸發(fā)氣的蒸出，需要?jiǎng)澇鰵怏w出口。

在網(wǎng)格劃分中，將同等高度部分一起進(jìn)行Sweep處理。Sweep處理完成以后，用Inflation方法對(duì)氣體出口進(jìn)行邊界層處理。為了防止網(wǎng)格歪斜，Inflation處理完成后需添加Edge Sizing矯正網(wǎng)格分布。另外，為了兼顧到儲(chǔ)罐穹頂內(nèi)部上、下表面，內(nèi)罐上、下表面的邊界層，采用網(wǎng)格掃略傾向Sweep Bias的方式對(duì)這些部位進(jìn)行網(wǎng)格加密。

2.2 初始設(shè)置及邊界條件

初始設(shè)置該儲(chǔ)罐中LNG充液量為160 000 m3，儲(chǔ)罐內(nèi)罐溫度-158 ℃，儲(chǔ)罐上部溫度為環(huán)境溫度26.5 ℃。初始設(shè)置儲(chǔ)罐內(nèi)溫度分布見圖3。

圖3 初始設(shè)置儲(chǔ)罐內(nèi)溫度云圖

儲(chǔ)罐靜置時(shí)，BOG生成主要受到壁面和環(huán)境熱量交換的影響。除了環(huán)境溫度外，BOG生成的重要因素是太陽輻射。太陽輻射使儲(chǔ)罐壁面升溫，在太陽照射強(qiáng)烈的地區(qū)，升溫效應(yīng)尤其明顯，能夠顯著提高儲(chǔ)罐壁面溫度。為了將太陽輻射對(duì)儲(chǔ)罐BOG生成的影響加入到儲(chǔ)罐邊界條件中，在模擬靜置儲(chǔ)罐BOG生成時(shí)，將太陽輻射強(qiáng)度較為極端情況下的儲(chǔ)罐各壁面溫度變化數(shù)據(jù)(圖4)，作為儲(chǔ)罐穹頂和側(cè)壁面的邊界條件添加到模型中。

圖4 太陽輻射極端情況下儲(chǔ)罐各壁面溫度變化情況

2.3 日蒸發(fā)率模擬

通過監(jiān)測儲(chǔ)罐出口BOG質(zhì)量流量，按下式計(jì)算BOG日蒸發(fā)率：

式中，mBOG為BOG總生成質(zhì)量，mLNG為儲(chǔ)罐中LNG的質(zhì)量，kg；n為測試時(shí)間，d。

按照靜置時(shí)間為3 d計(jì)算儲(chǔ)罐靜置時(shí)的BOG日蒸發(fā)率。湍流模型適合于湍流完全發(fā)展、流體雷諾數(shù)較高時(shí)流場的計(jì)算，先采用湍流模型計(jì)算儲(chǔ)罐靜置時(shí)BOG的生成量。模擬計(jì)算開始時(shí)BOG出口質(zhì)量流量急劇上升，達(dá)到了3 kg/s的峰值，之后BOG出口質(zhì)量流量逐步下降趨于平穩(wěn)(圖5)。經(jīng)計(jì)算，BOG的日蒸發(fā)率總計(jì)為0.086 25%，遠(yuǎn)高于該儲(chǔ)罐BOG日蒸發(fā)率的實(shí)際測量值0.030 9%。

圖5 不同模型模擬計(jì)算的儲(chǔ)罐BOG出口質(zhì)量流量曲線

為了提高模擬的合理性，采用層流模型對(duì)儲(chǔ)罐靜置BOG日蒸發(fā)率進(jìn)行計(jì)算。通過模擬壁面換熱，外界溫度逐漸影響儲(chǔ)罐內(nèi)部LNG，BOG出口質(zhì)量流量出現(xiàn)上升，并在100 000 s時(shí)達(dá)到峰值。隨著時(shí)間延長，由于LNG蒸發(fā)帶走熱量，BOG出口質(zhì)量流量逐漸減小，在約270 000 s時(shí)BOG出口質(zhì)量流量趨于穩(wěn)定(圖5)。經(jīng)計(jì)算，BOG的日蒸發(fā)率總計(jì)為0.031 68%，與該儲(chǔ)罐BOG日蒸發(fā)率實(shí)際測量值僅相差約2.5%。

由2種模型的計(jì)算結(jié)果看出，層流模型比湍流模型更貼近實(shí)際。分析原因主要是由于湍流模型計(jì)算湍流動(dòng)能的產(chǎn)生和耗散，會(huì)通過熱量源項(xiàng)添加到能量方程中，計(jì)算時(shí)產(chǎn)生額外的熱能。此結(jié)果對(duì)于高流速流體是符合理論推斷的，但對(duì)于低流速流體，如果湍流沒有完全發(fā)展，湍流動(dòng)能的產(chǎn)生和耗散計(jì)算會(huì)造成不符合實(shí)際情況的熱能產(chǎn)生，相當(dāng)于對(duì)儲(chǔ)罐流體添加了額外的熱源，因此湍流模型計(jì)算的BOG日蒸發(fā)率遠(yuǎn)高于實(shí)際測試結(jié)果。儲(chǔ)罐靜置時(shí)，在BOG生成量穩(wěn)定之后，由圖6所示的儲(chǔ)罐內(nèi)LNG速度云圖可知，儲(chǔ)罐內(nèi)罐中的LNG的流速很小(小于0.1 m/s)，說明儲(chǔ)罐靜置時(shí)湍流不能完全發(fā)展，內(nèi)罐中的LNG流體接近于層流狀態(tài)。因此，采用層流模型進(jìn)行模擬計(jì)算更為準(zhǔn)確合理。

圖6 儲(chǔ)罐靜置穩(wěn)定后罐內(nèi)LNG速度云圖

3 結(jié)語

大型LNG儲(chǔ)罐常規(guī)日蒸發(fā)率測試要求復(fù)雜，需要考慮各種生產(chǎn)條件，測試過程中往往受到接收站操作運(yùn)營的影響，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。整理出了2種大型LNG儲(chǔ)罐常規(guī)日蒸發(fā)率測試的計(jì)算方法，可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行選擇。利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行儲(chǔ)罐動(dòng)態(tài)日蒸發(fā)率計(jì)算的誤差在3%以內(nèi)，可以作為儲(chǔ)罐常規(guī)日蒸發(fā)率測試的一種補(bǔ)充方案。在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)階段或者工程完工后，直接利用全三維模型對(duì)儲(chǔ)罐的保冷性能進(jìn)行模擬分析，既可以對(duì)儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，又可以直接替代現(xiàn)場測試環(huán)節(jié)。