時變環境條件下LNG儲罐泄漏溫度場分布 特性對比研究

夏夢瑩，陳團海，揚帆，計寧寧，李宇航(中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028)

0 引言

液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)是我國海上進口天然氣的主要形式，我國目前擁有22個LNG接收站，20 萬立方米及以上LNG儲罐達75 座。“十四五”期間，另有擬、待建儲罐約25 座[1]。LNG主要通過-168 ℃低溫實現相態變化實現天然氣的高效存儲。LNG儲罐保冷通過特殊的保冷結構實現，在設計與運維過程中，LNG儲罐需要面臨不同的氣候環境條件，萬里平等采用參數化建模和計算方法開展了LNG儲罐整體溫度場的變化特性分析[2]；匡以武等研究了預冷過程儲罐的溫度場變化，得出了數值模擬的相關數據[3]；施雯等對LNG儲罐溫度場的三維變化特征進行了分析與總結[4]；張林輝等[5]、方江敏等[6]分析了儲罐漏熱的影響因素 。除了常規工況外，泄漏等異常工況下，LNG儲罐的低溫環境的保障也格外重要，相關學者開展了不同泄漏工況下不同儲罐不同位置的溫度場分析。李鵬[7]、萬成亮等[8]采用非線性有限元方法分析了儲罐泄漏工況下外罐溫度場；張娜等[9]重點研究了小孔泄漏工況下溫度場的變化情況；謝劍等[10]重點研究了泄漏工況下外罐混凝土溫度的變化；肖立等[11]綜合考慮溫度場與應力，在分析溫度場的同時考慮了溫度場對儲罐結構應力的影響。

綜上可以發現，目前針對泄漏異常工況下LNG儲罐的溫度場變化特性的研究缺乏考慮時變環境的耦合作用。針對此本文對不同季節外部溫度條件下LNG儲罐泄漏溫度場開展分析，計算模擬出不同溫度荷載、泄漏狀況下，混凝土穹頂、罐壁、承臺、保冷材料和儲罐基礎各部位的溫度分布，系統地研究不同季節時變溫度環境條件下不同泄漏工況儲罐溫度場的變化特性，并提供相關溫度結果供后續開展熱力耦合分析參考，為LNG儲罐的運維管理提供數據支撐。

1 LNG儲罐溫度場計算有限元模型

1.1 幾何與網格模型

因此經過簡化后，在溫度場分析過程中可以采用LNG儲罐主體部分的軸對稱模型開展分析。

本研究使用有限元軟件ANSYS對儲罐進行熱分析，該模型主要用于研究儲罐混凝土外罐溫度，進行極端設計工況分析，因此二維模型中忽略了局部連接件、樁基礎、鋼質內罐(假設其為全導體)、鋼筋及一天中太陽輻射相對于方位角的變化的影響。采用二維軸對稱8節點實體單元建立儲罐的熱分析模型，該幾何模型選取相鄰扶壁柱之間某角度的軸對稱截面，忽略了扶壁柱的存在。

經過分析，確定LNG儲罐的軸對稱幾何結構后，可選用二維軸對稱熱單元模擬整個儲罐結構，包括混凝土外罐，罐底保冷材料Grade 8泡沫玻璃磚及Grade 24泡沫玻璃磚，罐壁保冷材料膨脹珍珠巖和彈性氈，罐頂保冷材料玻璃棉等。軸對稱單元應選用四節點四邊形單元增加網格劃分的規整性與計算結果的準確性，單元網格劃分采用結構化網格劃分方法。

1.2 載荷與邊界條件

LNG儲罐長期暴露于自然環境，而LNG又需要超低溫的儲存需求，因此需要查明在外部環境導致的不同溫度邊界與溫度載荷作用下LNG儲罐的溫度變化特性，以保證外部溫度變化不會對儲罐內部介質溫度帶來影響。

LNG儲罐受到溫度載荷特性根據其來源不同主要分為兩大類，第一類為外部載荷，包括LNG儲罐表層收到的隨環境變化的空氣溫度邊界，因天氣與季節影響的太陽輻射溫度載荷；第二類為介質溫度載荷，包括正常服役條件下LNG儲罐內部的液化天然氣基本恒定的-168 ℃溫度載荷，以及可能發生某些意外情況下泄漏到LNG儲罐外部空氣中的LNG形成的低溫載荷。綜上，LNG儲罐服役過程中涉及的多種時變環境溫度條件與自身的工藝溫度條件至少需要包括正常運行工況的溫度載荷，泄漏工況的溫度載荷，不同季節的環境溫度載荷，太陽輻射導致的溫度效應。

正常運行工況，因為假設內罐為全導體，罐頂、罐底、罐壁的保冷材料直接接觸-168 ℃低溫LNG液體，可以將在保冷材料內側直接設定-168 ℃的溫度邊界條件，來模擬LNG低溫介質對LNG儲罐的溫度載荷作用。

儲罐發生意外泄漏時，LNG介質會根據泄漏位置高度的不同，形成不同程度的擴展，在溫度場分析過程中，為了較為保守的考慮LNG泄漏造成的影響，假定泄漏的LNG介質在空氣環境中還保持的較低的溫度。基于以上假設，可以相應地在泄漏高度以下的混凝土外罐內壁及環形空間底上施加-168 ℃的溫度邊界條件，這溫度載荷的施加代表此時泄漏高度以下的罐壁保冷完全失效，儲罐溫度場分布將受到較大影響。

2.政治體制改革目標。在政治體制改革方面，提出：“加快推進社會主義民主政治制度化、規范化、程序化，從各層次各領域擴大公民有序政治參與，實現國家各項工作法治化。”［1］

相對介質溫度載荷條件，環境載荷在有限元數值模型中施加更為復雜，這主要因為兩類溫度載荷對LNG儲罐的作用方式有一定區別。LNG儲罐外部空氣環境主要通過空氣與LNG儲罐混凝土外罐表面的對流換熱對LNG罐體溫度場產生影響。因為儲罐外部環境變化往往較為復雜，在數值計算中完全采用真實環境溫度會極大增加溫度載荷的加載難度。因此在數值計算過程中，對環境溫度載荷的考慮進行一定保守的簡化，分別對夏季與冬季兩種極端溫度環境情況，取當地是最高溫度與最低溫度。

同時對于不同溫度條件下空氣對流系數采用差值的方式獲得并施加在數值模型中，使環境溫度能夠有效施加到儲罐罐體。本次研究中，以環境溫度作為對流邊界條件，以接收站所在地近10年內極端溫度數據為依據，夏季取大氣溫度為39.2 ℃，冬季大氣溫度為-13.2 ℃，按照溫度20 ℃取25 W/(m2·K)，-100 ℃取2.1 W/(m2·K)做線性差值得到各溫度下的空氣對流換熱系數。

太陽輻射造成的溫度增加與前兩者也存在的本質不同，本研究采用通用非線性有限元軟件平臺ANSYS開發的輻射分析模型，考慮LNG儲罐外表面受到持續的熱輻射作用。

在有限元數值模型中，熱輻射的對溫度的影響本質上通過能夠反應熱輻射能量的表面輻射能量方程來實現，其方程表達式如下：

式中：q′′為單位表面面積所輻射的熱能；ε為表明輻射率，0＜ε＜1；σ為斯特藩-玻爾茲曼(Stefan-Boltzman)常數，為5.67×10-8W/(m2·K4)。

通過上述方程，在ANSYS軟件中對LNG儲罐外表面添加能夠計算該熱輻射能量的表面效應單元SURF152，即可較為準確的模擬太陽輻射導致的溫度效應。

通過上述的載荷情況，可以確定本研究中建立的溫度場計算有限元模型的邊界條件包括溫度邊界條件、對流邊界條件和輻射邊界條件。

2 工況分析與結果討論

建立的二維軸對稱儲罐熱分析模型，考慮夏季、冬季兩種環境條件，熱分析針對正常運行工況和意外泄漏工況。通過將不同泄漏程度的3種子工況及正常操作工況與2種環境溫度子工況組合，得到8個熱分析工況，分別為夏季正常運行工況、冬季正常運行工況、夏季輕度泄漏工況、冬季輕度泄漏工況、夏季中度泄漏工況 、冬季中度泄漏工況、夏季全泄漏工況、冬季全泄漏工況。

本研究以某接收站為例，以22萬立方米LNG儲罐基本尺寸數據開展建模，展示其時變環境條件變化導致的各個不同工況下罐體的溫度分布。該結果是本研究后續熱力耦合分析中的基本計算條件。

在進行不同工況熱分析時，在后續分析中能用進行熱力耦合分析，選取50年進行溫度場模擬，達到的零應力、溫度恒定不再發生變化時的溫度場作為其他工況模擬的初始溫度場。

2.1 正常運行工況

正常運行工況是在環境溫度通過混凝土厚度得到的溫度分布達到平衡的狀態。正常運行工況下夏季儲罐溫度場如圖1所示。內罐內壁各處溫度為-168 ℃，混凝土外罐外壁夏季最低溫度38.46 ℃，對應的，冬季最低溫度-13.71 ℃。結果表明，正常運行工況下與環境溫度溫差控制在1 ℃以內，未受到內部LNG液體的低溫沖擊，保冷效果良好。

圖1 外罐正常運行工況溫度分布云圖(溫度/℃)

2.2 泄漏工況

輕度泄漏工況下，內罐內壁各處溫度為-168 ℃，混凝土外罐外壁夏季泄漏處最低溫度-89.20 ℃，如圖2所示。冬季泄漏處最低溫度-81.62 ℃，與環境溫度溫差分別為128.4 ℃和68.42 ℃以內。結果表明，輕度泄漏情況下低溫LNG逐漸滲透保冷層，外罐罐壁底部局部受到LNG液體的低溫沖擊，但由于熱角保護系統的存在，罐底最低溫度為36.43 ℃和-15.09 ℃，未受到低溫LNG泄漏的影響。

圖2 輕度泄漏工況外罐溫度分布云圖(夏季溫度/℃)

中度泄漏工況下，內罐內壁各處溫度為-168 ℃，混凝土外罐外壁夏季泄漏處最低溫度-59.33 ℃，如圖3所示。冬季泄漏處最低溫度-82.21 ℃，與環境溫度溫差分別為98.53 ℃和69.01 ℃以內。結果表明，中度泄漏情況下低溫LNG逐漸滲透保冷層，外罐罐壁底部局部受到LNG液體的低溫沖擊，隨著泄漏范圍的增大，受到環境溫度的影響增大，夏季泄漏處溫度與環境溫度的溫差有一定減小。且于熱角保護系統的存在，罐底最低溫度為36.43 ℃和 -15.42 ℃，未受到低溫LNG泄漏的影響。

圖3 中度泄漏工況外罐溫度分布云圖(溫度/℃)

全泄漏工況下，內罐內壁各處溫度為-168 ℃，混凝土外罐外壁泄漏處最低溫度-59.34 ℃，如圖4所示。冬季泄漏處最低溫度-83.21 ℃，與環境溫度溫差分別為98.54 ℃和120.72 ℃以內。結果表明，全泄漏工況下低溫LNG逐漸滲透保冷層，外罐罐壁底部局部受到LNG液體的低溫沖擊，隨著泄漏范圍的進一步增大，受到環境溫度的影響基本穩定，泄漏處溫度與環境溫度的溫差與中度泄漏工況下基本一致，罐壁保冷完全失效。

圖4 全泄漏工況外罐溫度分布云圖(溫度/℃)

3 結語

本研究基于有限元數值方法，建立了考慮時變環境條件的LNG儲罐泄漏溫度場數值計算模型，形成22 萬立方米LNG儲罐溫度場分布特性的計算方法，計算得到了混凝土外罐壁在不同工況下的溫度分布情況。結果表明：

(1)正常運行工況下與環境溫度溫差控制在1 ℃以內，未受到內部LNG液體的低溫沖擊，保冷效果良好。

(2)輕度泄漏情況下低溫LNG逐漸滲透保冷層，外罐罐壁底部局部受到LNG液體的低溫沖擊，但由于熱角保護系統的存在，罐底未受到低溫LNG泄漏的影響；中度泄漏情況下，隨著泄漏范圍的增大，溫度場受到環境溫度的影響增大，夏季泄漏處溫度與環境溫度的溫差有一定減小，但罐底最低溫度未受到低溫LNG泄漏的影響；全泄漏工況下低溫LNG逐漸滲透保冷層，外罐罐壁底部局部受到LNG液體的低溫沖擊，泄漏處溫度與環境溫度的溫差與中度泄漏工況下基本一致，罐壁保冷完全失效。

(3)總體來看，從泄漏工況下結果對比可以發現，外罐壁底部的熱角保護系統，能夠有效地抵御泄漏工況下低溫向罐壁底部的傳遞。