LNG儲罐漏熱數值計算模型分析

李嘉浩

（西安石油大學 石油工程學院，陜西 西安 710065）

0 引言

LNG的低溫特性使得其對于儲存過程中的溫度（約-162.5℃）控制極為敏感，一旦環境溫度升高，外界進入儲罐內部的熱量增加，導致液態的LNG大量蒸發，儲罐壓力上升至安全閥打開，排出蒸發氣進行泄壓，造成大量的資源浪費與環境污染。合理的儲罐結構保冷設計是減緩外界熱量入侵的基礎，而對于漏熱量的計算分析是LNG儲罐在大型化設計及校驗過程中必不可少的步驟。

對于大型儲罐結構漏熱的數值計算研究一直存在爭議，通過調研發現，國內外對于LNG儲罐的漏熱分析多采用數值計算與數值模擬結合的方法，但多數直接采用數值模擬的漏熱分析過程中忽略了對漏熱方式的考慮，導致整個分析過程復雜、繁瑣甚至嚴重脫離實際[1-2]。為此采用不同的數學方法，分別計算罐頂、罐壁與罐底漏熱量，同時對儲罐的漏熱方式進行分析，為合理確定LNG儲罐結構溫度場及內部流場邊界條件提供一定的數值指導。

1 LNG儲罐傳熱分析

由于LNG儲罐包含低溫液體，因此進行有效的熱分析對于成功設計至關重要。LNG儲罐的結構細節非常復雜，需要采取一些方法來快速有效地計算其漏熱情況[3-4]。為此，利用穩態下的熱平衡條件，分別考慮了儲罐各部分的傳導、對流和輻射傳熱途徑，為確定儲罐的主要漏熱方式提供一定的理論基礎。

1.1 熱傳導

熱傳導主要存在于儲罐各固體壁面之間，內罐、外罐以及保溫層均為多層結構，外界熱量通過混凝土外罐，經保冷層進入金屬內罐，進而向內部流體傳導，產生的熱量與溫差之間的關系通過下式計算：

1.2 熱對流

環境風與外罐外表面、LNG與內罐內表面等流體與固體之間的換熱均為對流換熱過程，滿足牛頓冷卻公式：

1.2 熱輻射

儲罐由于熱輻射導致漏熱的位置主要集中在太陽照射的外罐外表面以及由吊頂與拱頂組成的封閉腔之間：

2 LNG儲罐漏熱計算

全容式LNG儲罐的結構非常復雜，漏熱受多種因素影響，因此包括所有組件在內的完整漏熱分析模型將非常繁瑣，甚至不切實際。為此設定熱流量平衡，考慮上節提到的三種漏熱方式，采用不同的方法分別計算儲罐設計階段273至333K七種外界溫度下不同位置主要結構的漏熱量，儲罐結構參數見文獻[5]，為確定儲罐各部位漏熱量的大小奠定理論基礎。

2.1 罐頂漏熱量計算

罐頂是LNG儲罐結構中極為復雜的部分，全容式LNG儲罐的罐頂主要由拱頂與吊頂兩部分組成，分別計算273至333K七種外界溫度下，罐頂不同傳熱方式下的漏熱量，所得計算結果見圖1。由漏熱量結果可知，罐頂的主要保冷部位為吊頂，拱頂處的溫降在1~3K左右，整個罐頂的主要漏熱方式為熱傳導。方法1考慮內部對流的漏熱量較方法2的外部對流漏熱量較大，考慮對流與輻射的綜合效果會減少罐頂的漏熱量，但影響較小，故在罐頂的漏熱分析過程中可只考慮熱傳導帶來的影響。

圖1 不同外界溫度下罐頂不同傳熱方式的漏熱量

2.2 罐壁漏熱量計算

儲罐罐壁由外罐與保冷層等環形結構將內罐層層包裹而成，假設各絕熱層之間接觸良好，則罐壁的傳熱方式可考慮為熱傳導與熱對流[6]。分別計算273至333K七種外界溫度下，罐壁不同傳熱方式下的漏熱量，所得計算結果見圖 2。由計算過程及結果可知，方法1中對流項對漏熱量的影響非常小，方法2與方法3采用的方式會導致計算的漏熱量偏小，且方法2在方法3的基礎上增加了對流厚度，導致漏熱量降低。故在罐壁漏熱的設計階段可考慮其主要漏熱方式為熱傳導。

圖2 不同外界溫度下罐壁不同傳熱方式的漏熱量

2.3 罐底漏熱量計算

為防止由于溫度過低導致罐底土層凍結而對基礎性能造成損壞，儲罐底部混凝土承臺設有加熱系統，故罐底漏熱計算中將對流的影響等效。分別計算273至333K七種外界溫度下，罐底在等效方法與傳導方法下的漏熱量，所得計算結果見圖 3。由計算結果可知，兩種計算方法的漏熱量相同，故采用熱傳導的方法可滿足設計過程中的計算需求。

圖3 不同外界溫度下罐底不同計算方法的漏熱量

3 結語

為確定LNG儲罐的主要漏熱方式，準確計算其各部位在不同外界溫度下的漏熱量。綜合考慮了熱傳導、熱對流以及熱輻射三種漏熱方式對儲罐罐頂、罐壁以及罐底漏熱量的影響。結論如下：

由漏熱量計算過程及結果可知，儲罐在設計建造過程中，三個關鍵部位的主要漏熱方式均可考慮為熱傳導。

儲罐在罐頂處的漏熱量最小，主要集中在吊頂，約占15%；罐壁次之，約占38%；罐底最大，約占總漏熱量的47%。

通過分析計算儲罐各部位的漏熱方式及熱通量，可為儲罐結構溫度場及內部LNG流場數值模擬的載荷條件提供一定的支撐。