LNG卸料管線預冷過程數值模擬

朱校春（中海油福建漳州天然氣有限責任公司，福建 漳州 363122）

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LNG卸料管線預冷過程數值模擬

朱校春
（中海油福建漳州天然氣有限責任公司，福建 漳州 363122）

摘要：國內對液化天然氣（LNG）接收站初次預冷速度的控制經驗相對缺乏。因此，為防止低溫LNG預冷導致的管道的損壞，需在預冷前對設定的預冷操作程序進行預冷效果的分析校核。本文提出了基于計算流體力學（CFD）的LNG管道預冷分析方法。通過建立三維LNG卸料管道數值計算模型，根據國內某LNG接收站項目設計管道預冷操作程序，進行冷卻過程的動態模擬計算，結果顯示按預設冷卻程序操作，LNG卸料管道降溫速度可以維持在10℃/h范圍內，滿足預冷安全要求。另模擬計算結果與實際接收站預冷過程的現場測量數據進行了對比，CFD計算值與實測值比較相對誤差可控制在7%以內，證明CFD預冷過程模擬完全可以用于接收站預冷程序合理性的判斷和校核計算。

關鍵詞：LNG卸料管道; 預冷方案; 數值模擬

第一作者及聯系人：朱校春（1967—），男，高級工程師，主要從事天然氣、LNG等方面的工程技術研究開發。E-mail zhuxch@cnooc.com.cn。

近年來，國內煤炭作為主要能源供應所帶來的環境問題日趨嚴重，城市大氣污染加重且為人們所關注。為此，各地政府部門對清潔能源的支持力度不斷加大。天然氣作為一種優質、高效、方便的清潔能源和化工原料[1]，資源儲量巨大，是可靠的環保型替代能源。但國內石油天然氣資源的儲量有限，現在的產量與實際需求量相比仍有較大的缺口。因此，中國需要大力發展液化天然氣（LNG）產業，在很大程度上可彌補石油資源不足、逐步提高我國環境質量[2]。

截止2014年，國內已建成LNG接收站11座，總接收能力達3450萬噸/年。另有18座接收站正在建設或規劃階段。2014年國內LNG進口量1989.07萬噸，相比2013年增長10.33%。可見，國內對LNG在國內一次能源消費中已經開始扮演重要的角色。天然氣這一優質潔凈的能源在中國具有廣闊的市場前景。

一般LNG接收站建成后所有LNG管道和設備均處于常溫狀態，投入正常生產運行前，接收站調試期間必須對管道進行預冷，使常溫的LNG輸送管道和儲罐溫度降低至?120℃以下。防止低溫LNG突然進入常溫管道和儲罐，引起局部管道和儲罐急劇大幅收縮，從而造成管道和儲罐的損壞[3]。為了確保LNG 接收站管道預冷方案的安全性，避免發生管道降溫破壞，預冷效果的校核是必需進行的分析過程。但工程中如果通過試驗進行預冷效果驗證的成本太高。目前，國內一般通過建立一維或二維管道模型編程計算的方法進行校核[4-6]。但其與實際項目執行參數存在一定偏差，計算結果的準確性尚未得到驗證。

近年來隨著計算流體動力學（CFD）的發展和不斷完善，基于CFD的模擬在石化行業已有廣泛應用，其分析結果的可靠程度也得到了實際工程的驗證。因此，通過數值模擬分析接收站預冷過程成為節約成本的有效方法。本文將建立三維管道模型，按照某國內接收站項目的預冷操作程序對降溫過程進行模擬計算，結果與接收站預冷過程的測量數據進行對比，繼而論證LNG管道預冷三維CFD數值模擬分析的準確性。

1 預冷管道建模

1.1 數學模型

管道的預冷是一個非定常流動與傳熱問題，描述這一問題的流體力學方程組可表示如式(1)～式(3)。

連續性方程

動量方程

能量方程

式中，V為速度矢量；ρ為密度；T為溫度場；g為重力加速度；P為壓力；μ為動力黏性系數；cp為比熱容；τ為時間；k為流體傳熱系數[7]。

1.2 物理建模

管道出口的溫度未知，且溫度隨長度方向變化，無法對管道和氮氣進行簡單的傳熱衡算。因此，需要借助軟件對整個預冷過程的模擬。通過軟件二次開發的方法搭建動態工藝模型和單相、兩相流流體流動與傳熱模型，對接收站生產運營優化提供技術支持。本文預冷過程模擬選擇用大型通用有限元軟件ANSYS進行。

物理建模：預冷涉及的主要管段為LNG卸料管線、碼頭與卸料臂相連的卸料支管、LNG儲罐。管道全三維結構建模，主要管道及保溫層尺寸見表1。

對LNG預冷管道模型建模如圖1所示，管道上溫度測點布置見圖2。

表1 主要LNG管線尺寸

圖1 管線及儲罐預冷計算模型

圖2 管線測溫點布置

2 冷卻程序

LNG接收站預冷方式主要有蒸發氣（BOG）+ LNG預冷和液氮預冷這兩種方式。本項目選用BOG+LNG預冷的方案。由于預冷開始時的管道溫度較高，先用LNG運輸船內的BOG進行初冷卻，然后再由LNG進入進行最終冷卻，模擬過程中也將采用相同的冷卻程序作為計算條件。

從碼頭LNG運輸船來的BOG和LNG依次經過卸料臂、卸料管線到達LNG儲罐，最終匯聚至火炬排放。原管道內填充氣體為氮氣。根據LNG管道預冷操作程序，預冷過程分為兩個階段。

第一階段：BOG流量、溫度隨時間逐漸增加，冷卻時間為30h，最終冷卻BOG溫度為?140℃，完成后靜置6h。冷卻程序中通入的BOG溫度和流量如圖3所示。

圖3 BOG冷卻流量溫度曲線

第二階段，從卸料臂通入LNG預冷，LNG經過1117.6mm卸料主管，914mm立管后進入LNG儲罐。LNG總通入時間為14h，LNG通入溫度為?158℃。冷卻期間LNG通入的累計流量隨時間變化關系如圖4所示。

圖4 LNG冷卻期間累計流量

3 計算條件設定

初始管道內設有常溫氮氣充壓保護。

流動邊界條件：LNG卸料管道碼頭段直接連接LNG運輸船，設定流量入口條件，計算流量與圖3、圖4中冷卻流量設計一致。LNG進入儲罐接近常壓（10kPa），設定壓力邊界條件。

換熱邊界條件：中間卸料管道以自然對流考慮與外界的換熱，按表1定義保溫層厚度，聚氨酯材料導熱系數設定為0.022W/(m?℃)。計算過程BOG、LNG流量和溫度均按圖3、圖4的約束條件作為用戶自定義函數嵌入。環境溫度取20℃，忽略太陽輻射熱負荷。

管道網格劃分采用規則六面體網格。由于管道長度大，生成網格數量多，所需模擬計算的時間長，為控制計算的收斂性適當調節動量松弛因子，時間步長設為4s。為簡化計算，忽略太陽輻射對管道的加熱量。

4 計算結果對比分析

第一階段BOG冷卻期間各測溫點溫度的模擬結果與試驗真實測量結果對比如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨離入口距離增大，溫度響應時間（初始狀態至開始溫降的時間）越長。1h冷卻時僅LNG入口管道有溫降。隨著預冷時間加長，LNG卸料管道開始順序降溫。氣冷時間36h后（氣冷結束時），溫度降低到?130～?140℃之間。為保證管道的溫降速率不超過10℃/h，在實際操作中，需要密切關注BOG流量溫度，避免溫降過快導致熱應力太大損傷管道。

在與試驗數據對比上，管道壁面溫降趨勢和實驗結果完全一致。隨著通入NG的量增多，管道壁面溫度逐漸降低，在NG通入結束，管道壁面溫度降低到?140℃左右。測溫點實驗數據和模擬數據吻合良好，部分結果與實驗結果重合，模擬結果和實驗結果的最大誤差約7%，平均誤差3%。

第二階段進入管道預冷階段，各測溫點的溫度隨時間變化過程見圖6。

實驗數據和模擬結果對比。

（1）模擬數據和實驗數據趨勢完全一致。在管道液冷初期，模擬結果顯示出了因為LNG通入量小，管道和外界熱傳導造成管道升溫。

（2）隨著通入量增加，管道溫度逐漸下降到了LNG進口溫度為?158℃。

（3）模擬數據顯示的管道降溫速率，略微快于實驗數據的管道降溫速率。模擬結果和實驗結果的最大誤差在6%，平均誤差2%。

5 誤差分析

對LNG卸料管道的預冷模擬結果與實測值尚有一定的誤差，最大誤差6%～7%，平均誤差約2%，在數值模擬計算的允許誤差范圍內。分析造成誤差的原因如下。

圖5 第一階段冷卻LNG卸料管道各測溫點溫度隨時間變化曲線

（1）多組分LNG計算誤差。與模擬工況不同，實際LNG產品為多組分流體，實際預冷過程中冷卻介質的組分也是變化的，會造成部分物性變化。另外，物性計算公式的與實際流體也存在一定的差異，導致實際溫度與計算值有一定偏差。

圖6 第二階段冷卻LNG卸料管道各測溫點溫度隨時間變化曲線

（2）太陽輻射。本文計算中沒有考慮太陽輻射因素，只是考慮了外界空氣對管道的自然換熱。在實際情況下，太陽輻射會為管道增加熱源，造成管道溫度略高。

（3）實驗測量誤差。由于實驗測量條件和測量工具的限制，測試溫度和實際溫度值可能存在一定的測量誤差。

6 結 論

本文通過采用三維有限元數值模擬計算的手段對LNG卸料管道預冷過程進行計算，其計算精度高，分析結果與實際值偏差較小，最大誤差可以控制在6%～7%，完全能夠滿足指導前期預冷方案設計及校核性判斷分析的要求。同時，通過不同工況模擬計算過程中也對預冷程序給出一些優化建議，如開始冷卻時應注意控制冷流體流量、防止降溫過快、造成管道的應力集中等。

參 考 文 獻

[1] 王維標. 天然氣及LNG工業的行業現狀及展望[J]. 通用機械，2009（4）：42-45.

[2] 李青平，林越玲. 中國LNG資源及市場預測[EB/OL]. [2008-09-06]. http：//www.egas.cn/lwen/ljy/200809/2008.html.

[3] 盧超，耑銳，易沖沖，等. BOG氣體對LNG輸送管道預冷的數值模擬[J]. 低溫工程，2012，190（6）：51-56.

[4] 嚴俊偉，李兆慈，趙多. LNG低溫管道預冷過程數值模擬[J]. 低溫與超導，2014（9）：10-14.

[5] 賈士棟，呂俊，鄧青. 浙江LNG接收站卸料管線BOG預冷模擬研究[J]. 天然氣工業，2013（3）：84-88.

[6] 余紅梅，李兆慈，孫恒. 水平管道預冷過程研究[J]. 低溫與特氣，2007，27（6）：16-21.

[7] 楊世明，陶文銓. 傳熱學[M]. 北京：高等教育出版社，1998： 135-137.

研究開發

Numerical simulation of LNG unloading pipeline pre-cooling process

ZHU Xiaochun
（Zhangzhou LNG Project Team of CNOOC Gas & Power Group，Zhangzhou 363122，Fujian，China）

Abstract：Domestic LNG receiving terminal lack of cooling speed control experience. In order to prevent damage caused by cryogenic LNG suddenly flowing into unloading pipeline，verification of the effect of the pre-cooling operation procedure must be carried out before pre-cooling operation. A computational fluid dynamics (CFD) based analysis method is proposed in this paper. A 3D CFD model is built based on a domestic LNG receiving terminal project pre-cooling procedure，and dynamic simulation is carried out for checking the pre-cooling process. The cooling rate of LNG unloading pipe can be maintained within 10℃/h，and meet the pre-cooling safety requirement. The CFD calculation results are compared with actual measurements on site. The accuracy of numerical simulation for pre-cooling could be within 7% of test data. which proves that CFD calculation method can be used in confirming the rationality of LNG receiving terminal's pre-cooling procedure and checking calculation.

Key words：LNG unloading pipeline; pre-cooling program; numerical simulation

收稿日期：2015-07-27；修改稿日期：2015-09-26。

中圖分類號：TE 821

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）02–0383–06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.007