朱校春（中海油福建漳州天然氣有限責(zé)任公司，福建 漳州 363122）

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LNG卸料管線預(yù)冷過(guò)程數(shù)值模擬

朱校春
（中海油福建漳州天然氣有限責(zé)任公司，福建 漳州 363122）

摘要：國(guó)內(nèi)對(duì)液化天然氣（LNG）接收站初次預(yù)冷速度的控制經(jīng)驗(yàn)相對(duì)缺乏。因此，為防止低溫LNG預(yù)冷導(dǎo)致的管道的損壞，需在預(yù)冷前對(duì)設(shè)定的預(yù)冷操作程序進(jìn)行預(yù)冷效果的分析校核。本文提出了基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的LNG管道預(yù)冷分析方法。通過(guò)建立三維LNG卸料管道數(shù)值計(jì)算模型，根據(jù)國(guó)內(nèi)某LNG接收站項(xiàng)目設(shè)計(jì)管道預(yù)冷操作程序，進(jìn)行冷卻過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，結(jié)果顯示按預(yù)設(shè)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(nèi)，滿足預(yù)冷安全要求。另模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際接收站預(yù)冷過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，CFD計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較相對(duì)誤差可控制在7%以?xún)?nèi)，證明CFD預(yù)冷過(guò)程模擬完全可以用于接收站預(yù)冷程序合理性的判斷和校核計(jì)算。

關(guān)鍵詞：LNG卸料管道; 預(yù)冷方案; 數(shù)值模擬

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

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)煤炭作為主要能源供應(yīng)所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，城市大氣污染加重且為人們所關(guān)注。為此，各地政府部門(mén)對(duì)清潔能源的支持力度不斷加大。天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、方便的清潔能源和化工原料[1]，資源儲(chǔ)量巨大，是可靠的環(huán)保型替代能源。但國(guó)內(nèi)石油天然氣資源的儲(chǔ)量有限，現(xiàn)在的產(chǎn)量與實(shí)際需求量相比仍有較大的缺口。因此，中國(guó)需要大力發(fā)展液化天然氣（LNG）產(chǎn)業(yè)，在很大程度上可彌補(bǔ)石油資源不足、逐步提高我國(guó)環(huán)境質(zhì)量[2]。

截止2014年，國(guó)內(nèi)已建成LNG接收站11座，總接收能力達(dá)3450萬(wàn)噸/年。另有18座接收站正在建設(shè)或規(guī)劃階段。2014年國(guó)內(nèi)LNG進(jìn)口量1989.07萬(wàn)噸，相比2013年增長(zhǎng)10.33%?？梢?jiàn)，國(guó)內(nèi)對(duì)LNG在國(guó)內(nèi)一次能源消費(fèi)中已經(jīng)開(kāi)始扮演重要的角色。天然氣這一優(yōu)質(zhì)潔凈的能源在中國(guó)具有廣闊的市場(chǎng)前景。

一般LNG接收站建成后所有LNG管道和設(shè)備均處于常溫狀態(tài)，投入正常生產(chǎn)運(yùn)行前，接收站調(diào)試期間必須對(duì)管道進(jìn)行預(yù)冷，使常溫的LNG輸送管道和儲(chǔ)罐溫度降低至?120℃以下。防止低溫LNG突然進(jìn)入常溫管道和儲(chǔ)罐，引起局部管道和儲(chǔ)罐急劇大幅收縮，從而造成管道和儲(chǔ)罐的損壞[3]。為了確保LNG 接收站管道預(yù)冷方案的安全性，避免發(fā)生管道降溫破壞，預(yù)冷效果的校核是必需進(jìn)行的分析過(guò)程。但工程中如果通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)冷效果驗(yàn)證的成本太高。目前，國(guó)內(nèi)一般通過(guò)建立一維或二維管道模型編程計(jì)算的方法進(jìn)行校核[4-6]。但其與實(shí)際項(xiàng)目執(zhí)行參數(shù)存在一定偏差，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性尚未得到驗(yàn)證。

近年來(lái)隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的發(fā)展和不斷完善，基于CFD的模擬在石化行業(yè)已有廣泛應(yīng)用，其分析結(jié)果的可靠程度也得到了實(shí)際工程的驗(yàn)證。因此，通過(guò)數(shù)值模擬分析接收站預(yù)冷過(guò)程成為節(jié)約成本的有效方法。本文將建立三維管道模型，按照某國(guó)內(nèi)接收站項(xiàng)目的預(yù)冷操作程序?qū)禍剡^(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果與接收站預(yù)冷過(guò)程的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，繼而論證LNG管道預(yù)冷三維CFD數(shù)值模擬分析的準(zhǔn)確性。

1 預(yù)冷管道建模

1.1 數(shù)學(xué)模型

管道的預(yù)冷是一個(gè)非定常流動(dòng)與傳熱問(wèn)題，描述這一問(wèn)題的流體力學(xué)方程組可表示如式(1)～式(3)。

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

能量方程

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

1.2 物理建模

管道出口的溫度未知，且溫度隨長(zhǎng)度方向變化，無(wú)法對(duì)管道和氮?dú)膺M(jìn)行簡(jiǎn)單的傳熱衡算。因此，需要借助軟件對(duì)整個(gè)預(yù)冷過(guò)程的模擬。通過(guò)軟件二次開(kāi)發(fā)的方法搭建動(dòng)態(tài)工藝模型和單相、兩相流流體流動(dòng)與傳熱模型，對(duì)接收站生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)優(yōu)化提供技術(shù)支持。本文預(yù)冷過(guò)程模擬選擇用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行。

物理建模：預(yù)冷涉及的主要管段為L(zhǎng)NG卸料管線、碼頭與卸料臂相連的卸料支管、LNG儲(chǔ)罐。管道全三維結(jié)構(gòu)建模，主要管道及保溫層尺寸見(jiàn)表1。

對(duì)LNG預(yù)冷管道模型建模如圖1所示，管道上溫度測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

表1 主要LNG管線尺寸

圖1 管線及儲(chǔ)罐預(yù)冷計(jì)算模型

圖2 管線測(cè)溫點(diǎn)布置

2 冷卻程序

LNG接收站預(yù)冷方式主要有蒸發(fā)氣（BOG）+ LNG預(yù)冷和液氮預(yù)冷這兩種方式。本項(xiàng)目選用BOG+LNG預(yù)冷的方案。由于預(yù)冷開(kāi)始時(shí)的管道溫度較高，先用LNG運(yùn)輸船內(nèi)的BOG進(jìn)行初冷卻，然后再由LNG進(jìn)入進(jìn)行最終冷卻，模擬過(guò)程中也將采用相同的冷卻程序作為計(jì)算條件。

從碼頭LNG運(yùn)輸船來(lái)的BOG和LNG依次經(jīng)過(guò)卸料臂、卸料管線到達(dá)LNG儲(chǔ)罐，最終匯聚至火炬排放。原管道內(nèi)填充氣體為氮?dú)?。根?jù)LNG管道預(yù)冷操作程序，預(yù)冷過(guò)程分為兩個(gè)階段。

第一階段：BOG流量、溫度隨時(shí)間逐漸增加，冷卻時(shí)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(yù)冷，LNG經(jīng)過(guò)1117.6mm卸料主管，914mm立管后進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐。LNG總通入時(shí)間為14h，LNG通入溫度為?158℃。冷卻期間LNG通入的累計(jì)流量隨時(shí)間變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 LNG冷卻期間累計(jì)流量

3 計(jì)算條件設(shè)定

初始管道內(nèi)設(shè)有常溫氮?dú)獬鋲罕Ｗo(hù)。

流動(dòng)邊界條件：LNG卸料管道碼頭段直接連接LNG運(yùn)輸船，設(shè)定流量入口條件，計(jì)算流量與圖3、圖4中冷卻流量設(shè)計(jì)一致。LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐接近常壓（10kPa），設(shè)定壓力邊界條件。

換熱邊界條件：中間卸料管道以自然對(duì)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(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為0.022W/(m?℃)。計(jì)算過(guò)程BOG、LNG流量和溫度均按圖3、圖4的約束條件作為用戶(hù)自定義函數(shù)嵌入。環(huán)境溫度取20℃，忽略太陽(yáng)輻射熱負(fù)荷。

管道網(wǎng)格劃分采用規(guī)則六面體網(wǎng)格。由于管道長(zhǎng)度大，生成網(wǎng)格數(shù)量多，所需模擬計(jì)算的時(shí)間長(zhǎng)，為控制計(jì)算的收斂性適當(dāng)調(diào)節(jié)動(dòng)量松弛因子，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為4s。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略太陽(yáng)輻射對(duì)管道的加熱量。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

第一階段BOG冷卻期間各測(cè)溫點(diǎn)溫度的模擬結(jié)果與試驗(yàn)真實(shí)測(cè)量結(jié)果對(duì)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(yīng)時(shí)間（初始狀態(tài)至開(kāi)始溫降的時(shí)間）越長(zhǎng)。1h冷卻時(shí)僅LNG入口管道有溫降。隨著預(yù)冷時(shí)間加長(zhǎng)，LNG卸料管道開(kāi)始順序降溫。氣冷時(shí)間36h后（氣冷結(jié)束時(shí)），溫度降低到?130～?140℃之間。為保證管道的溫降速率不超過(guò)10℃/h，在實(shí)際操作中，需要密切關(guān)注BOG流量溫度，避免溫降過(guò)快導(dǎo)致熱應(yīng)力太大損傷管道。

在與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比上，管道壁面溫降趨勢(shì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)束，管道壁面溫度降低到?140℃左右。測(cè)溫點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)吻合良好，部分結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果重合，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大誤差約7%，平均誤差3%。

第二階段進(jìn)入管道預(yù)冷階段，各測(cè)溫點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化過(guò)程見(jiàn)圖6。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果對(duì)比。

（1）模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)完全一致。在管道液冷初期，模擬結(jié)果顯示出了因?yàn)長(zhǎng)NG通入量小，管道和外界熱傳導(dǎo)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(jìn)口溫度為?158℃。

（3）模擬數(shù)據(jù)顯示的管道降溫速率，略微快于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的管道降溫速率。模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大誤差在6%，平均誤差2%。

5 誤差分析

對(duì)LNG卸料管道的預(yù)冷模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值尚有一定的誤差，最大誤差6%～7%，平均誤差約2%，在數(shù)值模擬計(jì)算的允許誤差范圍內(nèi)。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(cè)溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

（1）多組分LNG計(jì)算誤差。與模擬工況不同，實(shí)際LNG產(chǎn)品為多組分流體，實(shí)際預(yù)冷過(guò)程中冷卻介質(zhì)的組分也是變化的，會(huì)造成部分物性變化。另外，物性計(jì)算公式的與實(shí)際流體也存在一定的差異，導(dǎo)致實(shí)際溫度與計(jì)算值有一定偏差。

圖6 第二階段冷卻LNG卸料管道各測(cè)溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

（2）太陽(yáng)輻射。本文計(jì)算中沒(méi)有考慮太陽(yáng)輻射因素，只是考慮了外界空氣對(duì)管道的自然換熱。在實(shí)際情況下，太陽(yáng)輻射會(huì)為管道增加熱源，造成管道溫度略高。

（3）實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量條件和測(cè)量工具的限制，測(cè)試溫度和實(shí)際溫度值可能存在一定的測(cè)量誤差。

6 結(jié) 論

本文通過(guò)采用三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算的手段對(duì)LNG卸料管道預(yù)冷過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算精度高，分析結(jié)果與實(shí)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(dǎo)前期預(yù)冷方案設(shè)計(jì)及校核性判斷分析的要求。同時(shí)，通過(guò)不同工況模擬計(jì)算過(guò)程中也對(duì)預(yù)冷程序給出一些優(yōu)化建議，如開(kāi)始冷卻時(shí)應(yīng)注意控制冷流體流量、防止降溫過(guò)快、造成管道的應(yīng)力集中等。

參 考 文 獻(xiàn)

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研究開(kāi)發(fā)

Numerical simulation of LNG unloading pipeline pre-cooling process

ZHU Xiaochun
（Zhangzhou LNG Project Team of CNOOC Gas & Power Group，Zhangzhou 363122，F(xiàn)ujian，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(lèi)號(hào)：TE 821

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）02–0383–06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.007