液化天然氣儲罐預冷過程溫度場數值模擬

匡以武，耑銳，王文，朱菊香

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

引 言

液化天然氣 （LNG）技術解決了天然氣的存儲、運輸問題，同時還廣泛用于民用燃氣系統的調峰。大型LNG儲罐是LNG接收站最重要的存儲設備，儲罐工作壓力約為0.1MPa，溫度為－162℃［1］。通常罐內壁采用9%鎳鋼，外罐由預應力混凝土材料建成。在內外罐之間以及儲罐吊頂都設計有保溫材料，以確保儲罐的日最大蒸發量低于安全值［2］。工程應用中，首次投入使用的LNG儲罐，在LNG充注儲罐之前，首先要進行預冷，避免出現急劇和非均勻降溫導致的罐體應力集中和罐內壓力驟升。LNG儲罐的預冷是整個儲罐投入使用過程中風險最高，難度最大的環節［3］。

朱鴻梅等［4］對大型LNG儲罐預冷過程中角部絕熱結構的溫度場進行了數值模擬，指出在預冷的初期，儲罐側壁的降溫速度較慢且溫度梯度小，儲罐底部的降溫速度較快且溫度梯度大。陳帥等［5］建立了LNG儲罐預冷的集總參數數值計算模型，指出在確保罐內溫差正常的情況下，應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罐側壁與底部的不同之處，模型僅能計算儲罐的平均溫降速度。

LNG儲罐的預冷操作是通過環形均勻布置的噴嘴向儲罐內小流量噴淋LNG，通過控制噴淋流量調整相變蒸發與對流換熱，從而達到控制罐體溫度下降速率的目的。預冷過程涉及儲罐內氣體的非穩態流動，多組分工質相變傳熱和傳質以及大空間對流換熱過程，目前對其復雜的耦合機理研究尚不充分，噴淋用的噴嘴的布置也主要依靠操作經驗。本文建立了LNG儲罐噴淋預冷過程的熱流固耦合計算模型，進行了數值模擬，針對罐內熱流場對壁溫分布的影響進行了分析探討。

1 儲罐物理模型

圖1為LNG儲罐示意圖，LNG經噴淋管線進入噴淋環，然后自均勻布置在圓形噴淋環上的錐形噴嘴噴淋進入儲罐。LNG噴淋前，儲罐內已經過BOG氣體置換。噴淋時，LNG由噴淋環上的實心圓錐噴嘴均勻地噴入儲罐，由于儲罐內氣體對于液滴的黏滯作用，液滴水平噴射速度迅速衰減，進而轉變成豎直向下降落，因此噴淋的LNG液滴只能覆蓋有限的儲罐區域，圖1中的儲罐中心噴淋區域即是指噴嘴噴淋的液滴最大能覆蓋的范圍［6］，由于儲罐金屬壁面太薄，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液滴自身具有動量，液滴汽化的同時，會將動量傳遞給了氣體。LNG液滴汽化，體積迅速膨脹，也會推動氣體流動。獲得了動量的氣體，在儲罐內流動，形成流場，進而引起儲罐內溫度場的變化。儲罐壁面和底面與內部低溫氣體發生對流換熱，溫度不斷降低，直至預冷過程結束。

在本文的模擬中選擇160000m3地上全容式LNG儲罐為研究對象，儲罐內壁半徑40m，壁厚0.7m，罐頂最大高度50m，儲罐筒體高度37.5m。罐內噴淋環直徑13m，噴淋環上均勻布置32個實心圓錐噴嘴。模擬過程中，LNG噴淋速度為40m3·h－1。

圖1 LNG儲罐計算示意圖Fig.1 Schematic of LNG tank

2 數學模型

儲罐預冷過程中，罐內氣體受到液滴飛行和汽化過程的擾動而發生流動，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。

氣體連續性方程：

液體連續性方程：

氣體動量方程［7－8］：

氣體能量方程：

儲罐壁能量方程：

數值模型滿足以下基本假設：

（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）當液滴達到平衡速度后，液滴速度保持恒定，不考慮液滴對氣體的作用力；

（3）液滴在噴淋區內沿徑向均勻分布；

（4）忽略罐內氣體的可壓縮性；

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

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

3 計算方法及結果

3.1 計算方法

本文采用了有限容積法，對模型的控制方程進行了離散化求解，利用MATLAB編寫了數值模擬程序，對于壓力場和速度場的耦合，采用SIMPLE算法求解［10－11］。由于儲罐金屬內壁較薄，在此附近需要對網格進行局部加密，數值計算的網格劃分示意圖如圖2所示。圖中曲線包裹的區域即為噴淋出的LNG液滴所能覆蓋的區域。

圖2 計算網格示意圖Fig.2 Calculation mesh

3.2 計算時間步長的選擇

由于計算的重點是反應儲罐壁溫隨時間的變化，因此選用儲罐底部中心位置的壁溫變化來驗證時間步長對計算結果的影響。通常，選用小的時間步長計算的結果比較大的時間步長結果更精確，但是計算所需的時間會成倍增長，當時間步長對計算結果的影響不大時，為節省計算時間，通常選擇較大的時間步長。圖3顯示，0.5s和1s的計算結果基本吻合，考慮計算所需的機器時間，因此實際選用1s作為計算時間步長。

圖3 不同時間步長下儲罐底部中心溫度的變化Fig.3 Temperature variation at tank bottom for different time steps

4 數值模擬結果與討論

儲罐的計算初始溫度為10℃，環境溫度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，預冷的開始階段，LNG儲罐內溫度的變化。由圖可以看出，當LNG噴入儲罐后，吸熱汽化，造成罐內局部氣體溫度降低，隨著噴淋的繼續，低溫氣體向下運動，到達底面后沿底面向四周擴散，當運動到側壁后，又沿側壁向上爬升，進而使儲罐內溫度趨于均勻。

上述過程可以解釋為當LNG進入儲罐后，儲罐內氣相溫度很高，LNG首先在噴嘴的出口處汽化，該區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液滴自身具有動量，液滴汽化的同時，會將動量傳遞給氣體。另外，LNG液滴汽化，體積迅速膨脹，這也會推動氣體流動。從圖5可以看出，獲得動量的氣體向下運動，遇到底面后向四周擴散，最后沿側壁向上爬升，進而在儲罐內形成流場。此過程中，由于低溫氣體的流動，儲罐內溫度場趨于均勻，同時溫度較低的氣體和儲罐壁面間發生對流換熱，儲罐壁面溫度不斷降低，從而達到預冷的目的。

圖4 預冷過程中儲罐溫度變化Fig.4 Temperature field

圖5 預冷過程中儲罐流場變化Fig.5 Velocity field

圖6 儲罐底部中心的溫度變化Fig.6 Temperature variation at tank bottom center

圖6是儲罐底部中心的溫度隨時間的變化。可以看出，儲罐底部中心的溫度并不是隨著預冷過程的進行而一直降低的，當儲底部溫度降低到一定程度后，底部中心區域出現了溫度不減反增的現象，從溫度的徑向分布也可以看出，中心區域的溫度會高于其他部分。這是因為當噴淋的液滴噴到儲罐的底壁后，在壁面汽化，產生的氣體無法及時沿底面向四周擴散，從而在儲罐底部的中心區域積聚，形成二次流動，如圖7所示。二次流動阻礙了儲罐與內部低溫氣體的對流換熱，同時，底部的混凝土對內部的導熱還在繼續，因此在二次流動區域出現了溫度不減反增的現象。隨著預冷的繼續，底部混凝土的熱量充分釋放，液滴在儲罐的底壁上汽化量減小，產生的新氣體量減少，二次流動區域逐漸被壓縮，底部中心區域的溫度又重新下降。

而在預冷的初始階段，底部中心區域沒有出現溫度上升是因為初始階段，罐內氣相溫度較高，液滴運動到儲罐底部前就已完全汽化，無法到達罐底汽化形成二次流動，因此底部中心區域溫度在預冷前期不會出現升高的現象。

圖7 儲罐底部中心區域二次回流流場Fig.7 Backflow velocity field at tank center

5 結 論

本文針對LNG儲罐噴淋預冷過程，建立了熱流固耦合計算模型，模擬了預冷過程中儲罐內以及儲罐壁的溫度場的變化，分析了預冷過程中儲罐內流場和儲罐壁面溫度的變化。

（1）模擬結果顯示，噴淋進入儲罐的LNG液滴并不能完全覆蓋整個儲罐，液滴進入儲罐后，速度迅速衰減并轉成垂直下落，同時液滴不斷吸熱汽化，造成罐內局部氣體溫度降低，隨著噴淋的繼續，低溫氣體向下運動，到達底面后沿底面向四周擴散，當運動到側壁后，又沿側壁向上爬升，進而使儲罐內溫度趨于均勻，達到儲罐預冷降溫的目的。

（2）由于儲罐的底部中心區域出現二次流動，阻礙了儲罐底壁與內部低溫氣體的換熱，同時由于混凝土對容器的導熱，造成容器底部中心區域的溫度不減反增的現象。然而隨著儲罐預冷的進行，底部混凝土熱量釋放，二次流動逐漸消失，儲罐底部的溫度又重新開始下降。二次流動區域的出現主要受噴淋裝置的布置以及噴淋流量的影響。

符 號 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——時間，s

u——速度，m·s－1

α——體積分數

λ——熱導率，W·m－1·K－1

μ——黏度，Pa·s

下角標

g——氣體

l——液體

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