大型LNG 儲罐預冷分析模型與工程應用研究

張晨 陳峰 王亞群 安東雨 呂夢蕓 孫亞娟(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(LNG，Liquefied Natural Gas)發(fā)展?jié)摿薮?，是國?nèi)外大力發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)，具有光明的發(fā)展前景[1]。但是快速發(fā)展LNG 產(chǎn)業(yè)離不開大型儲罐的興建，作為接收站最重要的工藝儲存設備，其安全運行對整個LNG 產(chǎn)業(yè)鏈的順暢具有舉足輕重的作用。

儲罐預冷過程中由于較大(共計約200℃)的溫度變化，在熱載荷作用下，會造成結構熱應力集中、內(nèi)罐不均勻冷縮引起變形等不利作用，威脅儲罐的長期安全穩(wěn)定運行。這一問題在22 萬m3儲罐工程建設中表現(xiàn)的更為突出。為有效控制大型儲罐預冷工程的相關參數(shù)，防止出現(xiàn)熱應力結構損傷，保障儲罐結構安全。本文圍繞儲罐預冷過程，建立儲罐預冷結構分析模型，并結合儲罐預冷溫度模型，確定由預冷造成的儲罐應力分布，為LNG 儲罐預冷提供安全經(jīng)濟且合理的方案，輔助實際工程實施。

1 儲罐預冷分析模型建立

1.1 儲罐基本情況

儲罐基本結構如圖1 所示，其核心包括鋼制內(nèi)罐、混凝土外罐及兩者之間的保冷系統(tǒng)。

圖1 LNG儲罐

1.1.1 鋼制內(nèi)罐

22 萬m3LNG 儲罐的內(nèi)罐半徑43m，高度41.8m，包括筒體和罐壁上的加強圈，材料為EN10028-4X7Ni9 鋼。內(nèi)罐筒體由內(nèi)罐底板和內(nèi)罐壁組成。

(1)內(nèi)罐底板外側(cè)環(huán)板厚度20mm，環(huán)板區(qū)域?qū)挾?29mm，罐底中幅板厚度6mm。

(2)內(nèi)罐壁厚度沿高度變化，罐壁上有5 道加強圈。

1.1.2 混凝土外罐

外罐由標號C50 的混凝土建成，自下而上包括：

(1)混凝土底板：半徑46.7m 的混凝土圓板結構。

(2)混凝土墻體：外罐墻體為混凝土筒體結構，由主墻和上部環(huán)梁組成，墻體內(nèi)半徑44m，主墻體厚度1.0m，環(huán)梁段厚度1.2m，高度3.5m。

(3)穹頂混凝土：內(nèi)半徑為88m，分層建造底層混凝土厚度為0.33m。

1.1.3 保冷系統(tǒng)

布置于內(nèi)罐與外罐之間，包括罐底、罐壁以及罐頂保冷，三部分為一個整體，對內(nèi)罐形成封閉的保冷空間。

1.2 結構模型

根據(jù)LNG 儲罐結構特征，分內(nèi)罐、外罐、保冷三部分進行模型建立工作。儲罐各個部分模型建立情況如下：

1.2.1 鋼制內(nèi)罐

內(nèi)罐為板梁組合結構，采用合適的單元類型對內(nèi)罐不同結構進行建模，模型如圖2 所示。

圖2 鋼制內(nèi)罐

1.2.2 混凝土外罐

混凝土外罐模型如圖3 所示。

圖3 混凝土外罐

1.2.3 保冷系統(tǒng)

保冷系統(tǒng)為三維結構區(qū)域，內(nèi)部材料區(qū)域復雜，結構形式多樣，采用實體單元來進行建模，模型如圖4 所示。

然后通過網(wǎng)格裝配技術完成各部分之間的整體化裝配，以確保力學意義上的載荷傳遞和位移協(xié)調(diào)，最終建立的LNG 儲罐模型如圖5 所示。

1.3 溫度模型

針對LNG 噴淋降溫的預冷方式，采用FLUENT 分析系統(tǒng)構建儲罐預冷溫度模型：

1.3.1 氣液兩相模型

基于離散相模型模擬噴淋出的LNG 液相顆粒[2]；LNG 顆粒揮發(fā)產(chǎn)生的低溫天然氣及其在儲罐內(nèi)的分布情況采用組分運輸模型進行模擬。進而確定由LNG 噴淋揮發(fā)、氣相分布造成的罐內(nèi)溫度降低及其分布情況。

1.3.2 湍流模型

選擇k-ε 湍流模型以適應大尺度、高湍流計算[3]，并匹配計算網(wǎng)格。

1.3.3 熱載荷傳遞模型

為反映預冷過程中溫度變化導致的儲罐熱載荷，開發(fā)基于節(jié)點映射的溫度差值算法，實現(xiàn)溫度預測結果作為熱邊界條件賦予儲罐結構有限元模型，實現(xiàn)溫度熱載荷從溫度模型向結構模型的實時同步傳遞。

1.3.4 邊界條件

建立溫度模型邊界條件，注入口為LNG 噴嘴定義的顆粒入口條件；出口為儲罐排空閥，為環(huán)境壓力和溫度條件；罐壁為由壁面溫度/厚度、保溫層材料屬性定義的墻邊界條件。

基于以上模型，基于Intel(R)Xeon(R)CPU E5645，在保證計算收斂穩(wěn)定、結果準確的基礎上，實現(xiàn)了模型計算時間和實際預冷時間5:1的計算效能，即每5h計算時間可預測1h預冷情況，滿足了工程需要。

2 儲罐預冷分析應用

以某項目建設的22 萬m3儲罐為對象，開展預冷分析模型的應用研究。

2.1 儲罐預冷溫度計算

在滿足BS EN 14620 冷卻速度要求的情況下[4]，在環(huán)境溫度40℃時，所需總噴淋降溫時間為50h，不同時刻模型預測的罐內(nèi)溫度分布情況如圖6 所示。

2.2 均勻溫降儲罐應力分析

根據(jù)儲罐預冷溫度模型，在均勻噴淋降溫的條件下，罐內(nèi)不同位置應力結果如下。

2.2.1 內(nèi)罐應力

(1)底板及壁板。預冷初期1h 及預冷結束50h，底板及壁板Von Mises 應力結果如圖7 所示。

基于應力云圖，底板與內(nèi)罐壁接觸處、底板中心位置及內(nèi)壁上部應力較大。預冷結束時，內(nèi)罐底板中心位置應力最大值為32MPa，內(nèi)罐壁底板與管壁相交處應力最大值為22.4MPa，內(nèi)罐壁頂部應力最大值為136MPa。在整個預冷過程中LNG 儲罐內(nèi)罐整體的最大應力為162.8MPa，位于內(nèi)罐與中間保溫層的接觸位置。

圖4 保冷系統(tǒng)

圖5 22萬方LNG儲罐有限元模型

圖6 預冷LNG儲罐內(nèi)溫度分布

圖7 LNG儲罐內(nèi)罐壁及底板應力分布

(2)加強圈。內(nèi)罐加強圈Von Mises 應力結果如圖8 所示。在整個預冷過程中，內(nèi)罐加強圈最上圈應力相對較大，最大應力值為6MPa。

圖8 內(nèi)罐加強圈應力分布(50h)

2.2.2 外罐應力

預冷結束時，外罐不同位置Von Mises 應力如圖9 所示。其中，外罐墻體中部應力較大，最大值為2.7MPa；底板邊緣應力較大，最大值為3.4MPa；外罐穹頂?shù)倪吘壧帒^大，最大值為1.4MPa。

2.3 局部過冷應力分析

實際噴淋過程難以實現(xiàn)完全的均勻溫降，可能發(fā)生LNG液滴滴落在儲罐內(nèi)罐底板，造成罐底底板的局部低溫過冷，外罐與內(nèi)罐中間受保溫層隔離，受液滴滴落的影響很小，故針對LNG 液滴滴落內(nèi)罐底板開展局部應力分析。

根據(jù)溫度模型，液滴滴落后，滴落處內(nèi)罐底板溫度及Von Mises 應力隨時間變化曲線如圖10 所示。

在滴落處，鋼板溫度快速降低，在15s 內(nèi)可降低至-118℃，之后溫度變化趨于平緩，在1000s 時溫度降至-131℃。根據(jù)計算結果，液滴滴落后，內(nèi)罐底板應力快速增長，在15s 時達到最大值，為237.23MPa，此后隨溫度的逐步擴散應力呈現(xiàn)先降低后提升的趨勢，最終趨于穩(wěn)定時的230.7MPa。

3 儲罐預冷工程應用

根據(jù)計算情況，在滿足BS EN 14620 冷卻速率要求的情況下，在預冷速率相同的條件下，儲罐內(nèi)罐最大應力為162.8MPa，外罐最大應力為3.4MPa，均小于儲罐鋼材和混凝土可允許的最大應力207MPa 和36MPa，可有效保障儲罐在預冷過程中的結構安全。當發(fā)生LNG 液滴滴落，出現(xiàn)局部過冷時，儲罐內(nèi)罐底板最大應力237.23MPa，超過了材料的許用應力207MPa，存在局部應力破壞的情況。

基于模型分析，開展某22 萬m3LNG 儲罐的預冷優(yōu)化設計。一方面，利用LNG 遠洋運輸船掃倉泵替代卸料泵，以增大預冷LNG 供給壓力；另一方面，增大儲罐預冷LNG 供給管線管徑以減少壓降。兩方面結合，可提高LNG 噴淋閥操作壓力，降低LNG 液滴顆粒粒徑，提高LNG 霧化效果，防止出現(xiàn)液滴滴落，提高預冷效果。同時，在現(xiàn)場作業(yè)過程中，密切監(jiān)視罐體溫度，保證罐壁溫度低于罐底溫度，確保自上而下的整體降溫過程。

開展了某儲罐實際工程應用，在37℃～43℃環(huán)境溫度下，完成預冷時間為52.6 小時，未出現(xiàn)異常情況，圓滿達到了工程目標。同時，模型預測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比取得了很好的一致性，對罐底中部關鍵性參數(shù)溫度的預測誤差在3%～7%，充分反映了模型預測的高精度，如圖11 所示。同時，根據(jù)模型預測和現(xiàn)場反饋情況，可進一步開展冷卻速率提升的研究，以降低作業(yè)時間，提升效率。

圖9 儲罐外罐應力分布(50h)

圖10 LNG滴落處溫度/應力變化

圖11 現(xiàn)場監(jiān)測與模型預測數(shù)據(jù)對比

4 結語

本文面向國內(nèi)在建容量最大的22 萬m3儲罐，圍繞儲罐預冷過程，建立了儲罐預冷結構分析模型，并結合儲罐預冷溫度模型，確定了由預冷造成的儲罐應力分布，實時分析儲罐預冷過程受到的熱應力作用，完成對儲罐結構應力的影響分析，確定在預冷過程中儲罐內(nèi)部結構的主要危險點，為LNG 儲罐預冷提供了安全、經(jīng)濟合理的方案，輔助實際工程實施，彌補了22及以上大型LNG 儲罐三維預冷仿真的空白，具有良好的工程推廣應用價值。