基于Python的大型LNG全容儲罐預(yù)冷仿真分析系統(tǒng)開發(fā)

張寶和 田廣勝 馮建周 黃志新 張 昊 高欣宇

1. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300461;2. 安世亞太科技股份有限公司, 北京 100025

0 前言

LNG儲罐預(yù)冷是確保LNG接收站順利投產(chǎn)試運(yùn)行的關(guān)鍵工序,通過預(yù)冷使常溫儲罐達(dá)到溫度較低的工作狀態(tài),防止低溫LNG突然進(jìn)入常溫儲罐引起儲罐急劇大幅度收縮,造成儲罐的損壞。為了確保LNG接收站的順利投運(yùn),避免發(fā)生意外,必須進(jìn)行預(yù)冷效果的分析校核[1-11]。然而預(yù)冷模擬試驗(yàn)研究的成本太高,因此通過仿真軟件對儲罐預(yù)冷過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析是良好途徑。近年來,隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高,數(shù)值模擬已在石油化工等行業(yè)廣泛應(yīng)用。但由于仿真分析具有一定技術(shù)門檻,既需要技術(shù)人員具備行業(yè)基礎(chǔ),也需要積累相關(guān)仿真分析經(jīng)驗(yàn),對仿真軟件操作更是要求較高[12-17]。

本文基于Python語言開發(fā)出大型LNG全容罐預(yù)冷仿真分析系統(tǒng),該系統(tǒng)將預(yù)冷相關(guān)的技術(shù)、行業(yè)經(jīng)驗(yàn)與仿真流程封裝成模板,使用者僅需輸入相應(yīng)參數(shù),程序模板自動執(zhí)行仿真計(jì)算,即可得到預(yù)冷的仿真結(jié)果。大型LNG全容儲罐預(yù)冷仿真分析系統(tǒng)既可以利用通用軟件的所有功能,又可以按照預(yù)冷仿真分析需求進(jìn)行客戶化定制,形成預(yù)冷仿真專業(yè)軟件,降低仿真使用門檻,縮短預(yù)冷效果的分析校核時間和周期,提升LNG全容儲罐預(yù)冷效率和預(yù)冷可靠性。

1 ANSYS Workbench框架及Fluent軟件平臺簡介

仿真軟件二次開發(fā)是客戶化定制開發(fā)的過程,聚焦各行業(yè)的專業(yè)需求,利用通用商業(yè)仿真軟件提供的軟件編程接口(Application Programming Interface，API),將相關(guān)的軟件操作、理論知識和經(jīng)驗(yàn)規(guī)范封裝成專業(yè)仿真模板[18-19]。

本文的仿真軟件二次開發(fā),是基于Python語言在ANSYS Workbench框架下,對Fluent軟件平臺進(jìn)行的二次開發(fā)。

1.1 ANSYS Workbench框架

ANSYS Workbench框架是設(shè)計(jì)仿真集成環(huán)境,提供了開放的框架結(jié)構(gòu),可以集成多物理場組件應(yīng)用程序,涵蓋仿真過程的各個階段,包括仿真分析過程、數(shù)據(jù)共享傳遞、設(shè)計(jì)探索優(yōu)化及工程數(shù)據(jù)管理等階段。

ANSYS Workbench框架提供了統(tǒng)一的工程分析工作環(huán)境,集成了DM、WB meshing、Fluent、CFD-Post等軟件。應(yīng)用框架完全腳本化和參數(shù)化,可以通過腳本化和參數(shù)化來驅(qū)動在ANSYS Workbench框架下的組件應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)仿真軟件二次開發(fā)。

1.2 ANSYS Fluent平臺軟件

ANSYS Fluent平臺軟件是目前廣泛使用的商用CFD軟件,涵蓋各種物理建模功能,可對工業(yè)應(yīng)用中的流動、湍流、熱交換和各類反應(yīng)進(jìn)行建模。Fluent具有良好的二次開發(fā)接口,提供了TUI和Scheme腳本功能,可以編寫腳本文件,實(shí)現(xiàn)預(yù)冷仿真過程中涉及的湍流模型、DPM多相流模型、邊界條件和溫控曲線監(jiān)控等參數(shù)的自動設(shè)置。

2 大型LNG全容儲罐預(yù)冷仿真分析系統(tǒng)的基本架構(gòu)

大型LNG全容儲罐預(yù)冷仿真分析系統(tǒng)是以儲罐預(yù)冷領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)儲備為依托,借助ANSYS Workbench框架及Fluent平臺軟件[20-21],建立的一套計(jì)算誤差小、精度高且適合于多類型LNG全容罐的仿真模擬軟件,可以提高LNG預(yù)冷效率和預(yù)冷可靠性。該軟件采用跨平臺QT界面框架在Windows系統(tǒng)開發(fā),可以在Windows7和Windows10等操作系統(tǒng)上使用。

根據(jù)大型LNG全容儲罐預(yù)冷仿真分析流程需要,該系統(tǒng)需在ANSYS Workbench框架基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā),共分為儲罐參數(shù)化建模及網(wǎng)格生成模塊、預(yù)冷仿真分析模塊、仿真資源管理模塊和系統(tǒng)基礎(chǔ)框架模塊4個模塊。ANSYS Workbench框架見圖1。

圖1 ANSYS Workbench框架圖Fig.1 ANSYS Workbench framework

2.1 儲罐參數(shù)化建模及網(wǎng)格生成模塊

采用ANSYS Workbench框架下DM前處理模塊,基于其歷史特征樹的參數(shù)化建模功能,實(shí)現(xiàn)大型LNG全容儲罐參數(shù)化模型的快速生成。根據(jù)后續(xù)預(yù)冷仿真分析需要,對儲罐對應(yīng)幾何位置創(chuàng)建邊界命名,用于后續(xù)的邊界條件設(shè)置。采用Workbench Meshing模塊對幾何劃分高質(zhì)量的六面體核心網(wǎng)格,提供網(wǎng)格單元尺寸輸入,并保證在LNG儲罐內(nèi)部六面體為主要填充網(wǎng)格,最后通過Python腳本驅(qū)動ANSYS Workbench,實(shí)現(xiàn)自動輸出網(wǎng)格文件(*.msh)。

2.2 預(yù)冷仿真分析模塊

采用ANSYS Workbench框架下Fluent計(jì)算模塊,讀入網(wǎng)格自動劃分模塊生成網(wǎng)格,將LNG預(yù)冷仿真分析中所用DPM模型、湍流模型、設(shè)置流程、邊界條件設(shè)置等,轉(zhuǎn)換為Fluent可調(diào)用的Scheme腳本代碼,然后將腳本封裝成仿真分析模塊,最后提供定制化界面輸入仿真條件從而調(diào)用仿真分析模塊,可實(shí)現(xiàn)自動加載設(shè)置到LNG儲罐模型,然后提交給求解器進(jìn)行數(shù)值求解。

2.3 仿真資源管理模塊

仿真資源主要包括仿真數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)。仿真數(shù)據(jù)包括界面輸入的保溫層材料、監(jiān)控點(diǎn)和工況參數(shù)等數(shù)據(jù)；過程數(shù)據(jù)包括前處理階段生成的幾何、網(wǎng)格和計(jì)算產(chǎn)生的Case & Data及監(jiān)控點(diǎn)的溫度速度。

2.4 系統(tǒng)基礎(chǔ)框架模塊

采用QT圖形界面框架開發(fā),集成ANSYS Workbench框架、幾何自動處理模塊、網(wǎng)格自動劃分模塊、仿真分析模塊、后處理及報(bào)告模塊和仿真數(shù)據(jù)庫,是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ),提供一個統(tǒng)一的、無縫集成的及簡單定制化用戶界面。根據(jù)用戶界面的設(shè)置,后臺驅(qū)動ANSYS Workbench自動搭建仿真流程,并驅(qū)動流程工況之間數(shù)據(jù)傳遞;系統(tǒng)對軟件運(yùn)行所需的所有輸入輸出數(shù)據(jù)和功能模塊進(jìn)行統(tǒng)一組織、管理。軟件功能見圖2。

圖2 軟件功能圖Fig.2 Software function

3 LNG全容儲罐預(yù)冷仿真分析系統(tǒng)應(yīng)用

開發(fā)后的LNG全容儲罐預(yù)冷仿真分析系統(tǒng)界面簡潔,使用流程簡單。只需進(jìn)行幾何參數(shù)輸入、仿真參數(shù)設(shè)置、邊界條件定義、溫度監(jiān)控點(diǎn)定義、噴淋參數(shù)定義、初始參數(shù)設(shè)置、計(jì)算求解設(shè)置等步驟,即可完成LNG全容儲罐預(yù)冷仿真分析,分析效率大大提高。

以天津某LNG接收站項(xiàng)目16×104m3LNG儲罐為例,演示LNG全容儲罐預(yù)冷仿真分析系統(tǒng)的應(yīng)用過程，其儲罐結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 天津某LNG接收站儲罐結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of tank structure of Tianjin LNG terminal

3.1 幾何參數(shù)輸入

根據(jù)LNG儲罐圖紙中幾何尺寸,在界面“幾何建模參數(shù)”中輸入?yún)?shù),如儲罐高度、儲罐半徑、鋁吊頂高度、穹頂半徑、鋁吊頂半徑、出口定位、出口偏轉(zhuǎn)角、出口半徑等。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

在界面“仿真參數(shù)設(shè)置”中指定“網(wǎng)格尺寸”和“計(jì)算求解核數(shù)”,對于多核處理器電腦,可以增加求解核數(shù)來提高計(jì)算速度。

LNG儲罐中工藝參數(shù)定義包括保溫材料定義、溫度監(jiān)控點(diǎn)定義、邊界條件定義、噴淋參數(shù)定義和初始化參數(shù)定義。軟件流程見圖4。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flowchart

3.3 邊界條件定義

邊界條件定義中包括對LNG儲罐壁面溫度、保溫層材料定義等,通過單擊“點(diǎn)擊定義邊界條件”即可打開定義界面,見圖5。

1)邊界條件定義界面中,在左側(cè)列表中選中對應(yīng)的壁面位置,即可設(shè)置相應(yīng)的壁面熱邊界條件,例如選擇wall-cylinder壁面,可以設(shè)置壁面的溫度,管理保溫層材料。

2)增加保溫層數(shù),可添加新的保溫層材料,然后在新添加行中選擇材料名稱和輸入壁面厚度。減小保溫層數(shù),會刪除最后一行數(shù)據(jù)。

3)點(diǎn)擊“上移”或者“下移”按鈕,可以對保溫層材料所在位置進(jìn)行編輯,序號越小表示材料越靠近容器壁面。

圖5 邊界條件定義圖Fig.5 Boundary conditions

4)點(diǎn)擊“應(yīng)用”按鈕對當(dāng)前選中的wall-cylinder壁面參數(shù)進(jìn)行應(yīng)用更改。

3.4 溫度監(jiān)控點(diǎn)定義

儲罐底部溫度傳感器位置分布見圖6,預(yù)冷過程中在儲罐底部布置10個溫度傳感器,實(shí)時監(jiān)測預(yù)冷過程中的溫度變化曲線。根據(jù)該項(xiàng)目LNG儲罐預(yù)冷過程,其預(yù)冷時間50 h后儲罐底部溫度從室溫降到-159.4 ℃。

圖6 儲罐底部溫度傳感器位置分布圖Fig.6 Location distribution of temperature sensor at thebottom of storage tank

通過單擊按鈕“點(diǎn)擊定義監(jiān)控點(diǎn)”打開“溫度監(jiān)控點(diǎn)定義”對話框,根據(jù)現(xiàn)場布置的溫度傳感器位置參數(shù)定義溫度監(jiān)控點(diǎn),實(shí)現(xiàn)在Fluent預(yù)冷仿真中監(jiān)控對應(yīng)點(diǎn)的溫度變化曲線。

3.5 噴淋參數(shù)定義

噴淋高度、噴淋半徑、液滴直徑、LNG溫度等參數(shù)可以直接在界面中“噴淋參數(shù)設(shè)置”組中直接定義。

點(diǎn)擊“內(nèi)外噴嘴參數(shù)設(shè)置”按鈕,可以打開噴嘴參數(shù)設(shè)置界面;按照幾何示意圖,對內(nèi)外噴嘴的起始角、間隔角、噴射角度和噴射速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,然后確定保存設(shè)置,關(guān)閉窗口。

3.6 初始參數(shù)設(shè)置

對該項(xiàng)目LNG全容儲罐的初始溫度、初始表壓、氮?dú)獬涮畹谋壤蛧娏芰髁窟M(jìn)行設(shè)置。

3.7 計(jì)算求解設(shè)置

在界面“計(jì)算求解”組中,對求解參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,輸入迭代計(jì)算步數(shù)、瞬態(tài)時間步長、最大迭代步數(shù)和自動保存步數(shù)。

所有幾何模型參數(shù)、仿真參數(shù)和計(jì)算求解參數(shù)設(shè)置完成后,點(diǎn)擊“仿真計(jì)算”按鈕,開始參數(shù)建模、網(wǎng)格劃分和仿真設(shè)置。自動設(shè)置Fluent中預(yù)冷仿真參數(shù)界面見圖7。

系統(tǒng)會自動完成參數(shù)建模、網(wǎng)格劃分過程,最后自動調(diào)用Fluent軟件,完成仿真參數(shù)設(shè)置,點(diǎn)擊Fluent界面的“Calculate”按鈕開始仿真計(jì)算。

3.8 預(yù)冷仿真結(jié)果對比

通過CFD模擬分析,可以得到各監(jiān)控點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù),選擇位置差異較大的2308-A監(jiān)測點(diǎn)和2308-H監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行對比分析,見圖8。通過實(shí)際預(yù)冷過程監(jiān)測溫降曲線與模擬結(jié)果進(jìn)行對比,可以分析出模擬結(jié)果和實(shí)際預(yù)冷結(jié)果較為吻合,最大誤差為9 ℃,相對誤差為5%,在工程可接受誤差范圍內(nèi)。對比結(jié)果表明通過LNG全容儲罐預(yù)冷仿真分析系統(tǒng)設(shè)置和計(jì)算的CFD模擬結(jié)果可靠。

圖7 自動設(shè)置Fluent中預(yù)冷仿真參數(shù)界面圖Fig.7 Automatic setting of pre-cooling simulation parameters in Fluent

a)2308-A監(jiān)測點(diǎn)a)Monitoring point 2308-A

b)2308-H監(jiān)測點(diǎn)b)Monitoring point 2308-H

4 結(jié)論

本文基于Python語言,在ANSYS Workbench平臺及Fluent大型流體分析軟件基礎(chǔ)上,進(jìn)行了大型LNG全容儲罐預(yù)冷仿真分析系統(tǒng)開發(fā)。開發(fā)出了一套計(jì)算誤差小、精度高且適合于多類型LNG全容儲罐的仿真模擬軟件,軟件采用跨平臺QT界面框架在Windows系統(tǒng)開發(fā),編譯后可以在Windows和Linux等操作系統(tǒng)上使用。

大型LNG全容儲罐預(yù)冷仿真分析系統(tǒng)包括儲罐參數(shù)化建模及網(wǎng)格生成模塊、預(yù)冷仿真分析模塊、仿真資源管理模塊和系統(tǒng)基礎(chǔ)框架模塊4個模塊。開發(fā)后的LNG預(yù)冷仿真分析系統(tǒng)降低了仿真使用門檻,縮短了預(yù)冷效果的分析校核時間和周期,提升了LNG預(yù)冷效率和預(yù)冷可靠性。通過與實(shí)際工程計(jì)算案例的對比,表明了LNG預(yù)冷分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,具有工程應(yīng)用的價(jià)值和前景。