大型LNG 儲罐罐頂冷接管結露問題分析

李曉琳

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

液化天然氣是綠色清潔能源，近年來應用越來越廣泛，為滿足其儲存需求，國內沿海地區大批LNG 接收站已經建成或正在建設之中【1-2】。

大型LNG 儲罐是LNG接收站最重要的儲存設備。在一般情況下，由于儲罐內部與外部環境存在巨大溫差，需要在內外罐的環隙、儲罐吊頂上以及罐頂冷接管設置保冷，以確保LNG罐內介質的低溫儲存。LNG儲罐的保冷設計是保障其正常操作的關鍵技術之一，對此，國內外學者和設計人員從不同方面進行了研究。

李海潤等【3】利用ANSYS軟件對全容式LNG儲罐的罐體進行了溫度場計算，重點關注大型LNG儲罐的罐底與罐壁、罐頂與罐壁連接處的結構設計和優化；李兆慈等【4】就穩態工況下儲罐罐體的溫度場分布進行了有限元計算，對不同環境溫度、液位高度、對流換熱系數對儲罐溫度場分布的影響規律進行了分析；王明伍等【5】則針對不同工況下LNG儲罐熱角保護的溫度場分布做了計算和分析。國外學者如Pellegrini、Laura A. 等【6】通過建立傳熱模型來分析在外界源源不斷向罐內傳熱的情況下，罐內介質的組成、溫度和壓力發生的變化。Chen Q S和Prasad V【7】對LNG 加氣站中LNG 低溫儲罐建立了熱力學和傳熱模型，用來探究內罐向外界漏冷的不同機理；Boukeffa D等【8】對一個低溫液氮容器的傳熱和冷泄漏進行了實驗研究和模擬分析。

上述研究者大多數對儲罐的整體溫度場分布進行了分析研究，對儲罐局部易漏冷部件尤其是罐頂冷接管的針對性研究并不多。由于結構原因，罐頂冷接管存在局部漏冷問題，為了減輕漏冷處結露，有必要對影響漏冷處結露的因素和條件進行分析研究。

本文以預應力混凝土全容式LNG 儲罐的頂部進料管為例開展研究工作，提出了一種基于罐頂冷接管局部溫度場分析模型和儲罐建設地氣象條件的冷接管局部結露概率及程度的判斷方法，并采用該分析模型對影響冷接管結露的一些參數進行了系列化分析研究，藉此找出一些規律，為罐頂冷接管的結構優化設計提供依據。

1 頂部進料管溫度場分析模型

1.1 有限元模型

LNG 儲罐罐頂的冷接管內部流通的介質溫度為-163 ℃，為了避免冷接管內介質溫度直接作用在罐頂，需要在冷接管和罐頂之間采用保冷套管進行過渡，冷接管與保冷套管之間的間隙填充保冷材料。在保冷套管的頂部，通過蓋板、筋板及環板連接冷接管和保冷套管，并在冷接管及保冷套管上部外表面設置保冷。冷接管和保冷套管之間存在冷橋漏冷現象。本文所述的頂部進料管各部分結構、尺寸和材料見圖1。

圖1 頂部進料管N1結構、尺寸和材料及傳熱邊界示意

本文選用 ANSYS中8節點 SOLID70熱實體單元來模擬整個傳熱過程。根據前期試算，接管、彎頭部分對關注部位的溫度場分布幾乎沒有影響，模型建立時將其省略；底套管和底環板在模型建立時亦省略。有限元模型結構見圖2。

圖2 頂部進料管有限元模型

1.2 邊界條件

頂部進料管接管內部運輸液化天然氣，此處基本保持-163 ℃的恒定溫度；儲罐外部整個大氣環境在一定時間范圍內溫度變化較小，可以視為溫度恒定；儲罐內部吊頂以上、拱頂以下的氣體環境，沿豎直方向從下到上溫度逐漸升高，由實際溫測數據可知，這部分溫度變化范圍為低于大氣溫度10～3 ℃。

根據以上分析，在接管內表面設置恒定溫度載荷-163 ℃。在與外界大氣環境接觸的部件表面(圖1加粗波浪線示意的部位)設置對流傳熱邊界條件，對流傳熱系數取值按25 W/(m2·℃)。考慮到儲罐內部吊頂以上、拱頂以下氣體環境的不均勻性，設定溫度呈線性變化的氣體環境，于接觸表面(圖1細波浪線示意的部位)設置自然對流傳熱邊界，考慮傳熱系數18 W/(m2·℃)。各部件傳熱系數見表1。

表1 頂部進料管各部件材料及性能參數

1.3 網格劃分及網格無關性驗證

模型網格劃分見圖3，全部采用映射網格規整六面體結構以保證精度，單元數量78 300個。為了驗證網格無關性，設置了網格加密1倍的模型，單元數量142 428個，對比后發現溫度場分布幾乎相同，關注點處(保冷套管與混凝土凸臺相交處)溫度值相差僅0.5%。為兼顧計算速度和準確性，后續計算采用單元數量78 300個的模型。

圖3 頂部進料管網格劃分

2 基于氣象條件的局部結露判斷

結露是指空氣中的水汽能達到飽和狀態時，若環境溫度繼續下降，則開始出現空氣中過飽和的水汽凝結水析出的現象。參考空氣溫度濕度對照表，可以得到某個環境條件的露點。據此環境條件對罐頂冷接管模型進行局部溫度場分析，得到關注點處的溫度大于露點的結論，表明在此環境條件下，關注點處不會結露。關注點處溫度高于露點溫度的差值越大，越不容易結露。在工程應用中，保冷結構是基于建設地氣象條件，按夏季空調室外計算干球溫度、最熱月平均相對濕度條件下保冷結構表面無凝結的原則進行計算后確定的，且校核外表面溫度時，關注點處溫度高于露點溫度1 ℃以上時，才可判斷為不結露。下面以夏季空調室外最熱月平均相對濕度值較高的茂名為例進行計算和結露判斷。茂名夏季空調室外計算干球溫度為33.5 ℃，最熱月平均相對濕度為85%，露點為30.6 ℃。

利用第1節中建立的模型進行有限元的傳熱計算并繪制溫度場分布云圖。頂部進料管與外界大氣環境接觸的部件表面對流傳熱系數取為25 W/(m2·℃)。圖4是計算所得的頂部進料管中心橫切面溫度場分布和部件溫度場分布。由圖4 可知：頂部進料管的溫度場分布，內接管內壁溫度接近-163 ℃；裸露在大氣環境中的管道外保溫層外壁接近設定大氣溫度33.5 ℃；在接管和保冷套管連接部分，由于金屬的導熱系數遠大于保冷材料，冷量沿蓋板、環板和筋板組成的“冷橋”快速傳向保冷套管上端，此處溫度分布與頂部進料管其他部位有顯著不同，保冷套管靠近“冷橋”的部分溫度明顯低于周圍保冷結構。

根據部件溫度場分布云圖可以計算得到關注點處的溫度值為29.092 ℃，比露點溫度低1.508 ℃，所以在上述溫度和濕度條件下，LNG儲罐頂部進料管保冷套管與混凝土凸臺相交處會發生結露現象。用同樣的方法可以得到其他建造地的結露情況，統計結果見表2。由表2可以看到，不同建造地結露的概率和程度是不同的，夏季空調室外干球溫度高、最熱月平均相對濕度較大的地方易發生結露現象。

圖4 頂部進料管在設定工況的溫度場分布云圖

表2 不同建造地頂部進料管結露情況

3 大氣對流傳熱系數對結果的影響

下面對頂部進料管與外界大氣環境接觸的部件表面對流形式(即對流傳熱系數的取值)對關注點處結果的影響進行分析。對流傳熱系數的取值根據空氣自然對流傳熱系數的取值范圍10～25 W/(m2·℃)和強制對流傳熱系數的取值范圍20～100 W/(m2·℃)設定為12、 18、 24、 30、 36、 42、 48、 54和60 W/(m2·℃)。氣象條件依然取茂名夏季氣象條件， 分別計算這9組條件下關注點處的溫度值并繪制變化曲線，如圖5所示。分析結果可知： 隨著對流傳熱系數的增加， 關注點處溫度值增加， 增加的幅度從大到小； 在12～36 W/(m2·℃)范圍內， 增大對流傳熱系數對于提高關注點處溫度值、降低結露概率非常有效，超過36 W/(m2·℃)后，這種變化效果顯著降低。

圖5 不同大氣對流傳熱系數條件下的計算結果變化曲線

4 保冷套管外露(不保溫段)長度對結果的影響

本文還研究了外露于外界大氣環境的保冷套管長度對關注點處結果的影響。計算氣象條件依然取茂名夏季氣候條件。圖6給出了保冷套管外露長度為150、200、250、300、350、400和450 mm時關注點處的溫度值變化曲線。分析結果可知：隨著保冷套管外露長度的增加，關注點處溫度值增加；在一定長度范圍內，增加保冷套管的外露長度，關注點處溫度值升高較快，能有效降低結露概率，超過某一長度后，這種變化效果顯著降低。

圖6 不同保冷套管外露長度條件下的計算結果變化曲線

5 結論

針對大型LNG 儲罐罐頂冷接管的冷泄漏問題，以預應力混凝土全容式LNG 儲罐的頂部進料管為例開展研究工作，建立了罐頂冷接管局部溫度場分析計算模型，并在此基礎上結合儲罐建造地氣象條件提出了判斷罐頂冷接管關注部位結露概率和程度的方法，即根據建造地夏季空調室外計算干球溫度、最熱月平均相對濕度條件，評估罐頂冷接管表面是否結露，且關注部位表面溫度高于露點溫度1 ℃以上時，判斷為不結露。

通過對影響罐頂冷接管局部結露的3個參數——建罐地區氣象條件、大氣對流傳熱系數和保冷套管外露長度進行研究，可以得到以下結論：

1) 不同建造地結露的概率和程度是不同的，夏季空調室外干球溫度高、最熱月平均相對濕度較大的地方易發生結露現象。

2)冷接管處空氣的對流傳熱對是否結露影響顯著。一定范圍內增大對流傳熱系數對于提高罐頂冷接管表面溫度、降低結露概率效果顯著，但當對流傳熱系數超過一定范圍后，其對是否結露的影響減小。冷接管處空氣對流傳熱系數的大小隨建造地氣候條件的變化而變化，如果建造地多風，有利于防止冷接管處結露的發生。

3) 增加保冷套管的不保溫外露長度，對于提高罐頂冷接管表面溫度、降低結露概率效果明顯，但超過一定長度后，這種效果大大降低。