劉林法

摘 要：液化天然氣指的是天然氣再受到低溫后變成液化狀態(tài)的一種物質(zhì)。液態(tài)氣會比原來縮小很大一部分，更加有利于實現(xiàn)儲存和運輸。LNG儲罐是天然氣液化后的一種常用儲存工具，也逐步成為LNG接收的重要裝置。實際的研究也是從LNG儲罐作為主體展開的，通過使用有限的單元法剖析在主儲罐發(fā)生泄漏時外罐壁的傳熱特性。

關(guān)鍵詞：有限單元法;主儲罐;泄漏;外罐壁;傳遞熱;熱保護角

1 基本概述

就天然氣本身來說，它是一種極其不穩(wěn)定的材料，在受到外界因素影響時容易產(chǎn)生燃燒與爆炸。所以它的儲存條件就比較特殊，一般來說需要存放在溫度較低的裝置當(dāng)中，液態(tài)燃?xì)庑枰冀K保持在零下溫度，所以需要高要求高質(zhì)量的儲存罐。針對泄漏時隨時間變化壁罐溫度產(chǎn)生改變的現(xiàn)象，結(jié)合熱保護邊角配置情況分析熱的傳遞，詳細(xì)總結(jié)泄漏產(chǎn)生后，壁罐結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布情況以及熱量流動情況。

LNG儲罐分為多種，有單容罐、雙容罐及全容罐。目前在國內(nèi)主要運用的是全容罐，主要是通過結(jié)合主儲罐與次儲罐形成一個整體的儲罐。適應(yīng)低溫材質(zhì)制作的主儲罐能夠發(fā)揮合理的液態(tài)儲存作用，次儲罐能夠幫助吸收工質(zhì)蒸汽，突然發(fā)生泄漏情況時還能幫助蒸汽密封。LNG儲存罐在過量充注、發(fā)生罐體破損或者地質(zhì)災(zāi)害時，內(nèi)部儲存的低溫液體會流至環(huán)形空腔當(dāng)中，期間會與罐的底部和罐壁發(fā)生觸碰。由于罐底存有特制的隔熱層，所以即使發(fā)生泄漏，罐底的隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計也能夠發(fā)揮作用。而后，泄漏的低溫液體就會全部作用于罐壁上。針對這一現(xiàn)象，如果要做到外罐壁的合理保護，就必須采取一些必要的解決措施。一方面，在輕微泄漏階段，可以在罐下部設(shè)置保護邊角裝備。另一方面，當(dāng)出現(xiàn)大面積的泄漏情況時，氣體會漫過熱邊角保護材料，必須結(jié)合罐體的熱傳遞路線與熱流分布情況做好罐體使用的安全性考察工作，并結(jié)合有效的泄露處理手段。

2 模型及計算方法

2.1 罐的幾何尺寸

LNG全容罐的凈液體儲量為16萬m3，高度約36m，主儲罐的半徑為40m，內(nèi)部環(huán)狀的空腔結(jié)構(gòu)寬度為1m。主儲罐的外側(cè)到外罐壁的內(nèi)側(cè)采用基本常見的隔絕熱量的材料，比如玻璃纖維或者是膨脹型珍珠巖，以及保護邊角等材料，外罐壁為預(yù)應(yīng)力混凝土。在具體制作過程中要保證罐壁使用的材料符合相關(guān)的數(shù)據(jù)要求，要求相關(guān)的材料具有熱物理參數(shù)指標(biāo)。

2.2 計算模型及驗證

按照相關(guān)學(xué)者推出的簡化控制微分方程，詳細(xì)計算在沒有內(nèi)部熱源的基礎(chǔ)上，不穩(wěn)定的三維導(dǎo)熱圓柱坐標(biāo)系當(dāng)中的相關(guān)數(shù)值。并結(jié)合邊界條件得出以下幾種假設(shè)：當(dāng)正常操作和出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象時，內(nèi)容器的表面溫度保持在-160℃左右。當(dāng)液化氣體從主儲罐內(nèi)部泄漏后，則把熱保護邊角內(nèi)壁與外壁所保有的溫度下降到-160℃左右。使外部的壁體與外部環(huán)境保持對流邊界條件，外部環(huán)境溫度保持在30℃左右，并保持基本的對流傳熱系數(shù)。具體的絕緣邊界條件還要依據(jù)罐體及周邊表面與實際高度向外延伸的表面作具體的參考。

另外，利用有限元計算方法，可以將根據(jù)罐體導(dǎo)熱情況制作的立體模型進行網(wǎng)格狀的劃分。通過階段形成單個的單元與節(jié)點，并針對不同的單元與節(jié)點做具體的分析，形成有限元組成的新模型。具體的計算過程會在正常操作的情況下，根據(jù)邊界條件發(fā)展情況進行穩(wěn)態(tài)計算，并整合相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果。設(shè)置具體的節(jié)點參考溫度，進行瞬時狀態(tài)的數(shù)值計算，一般會把節(jié)點的溫度設(shè)為30℃。

3 泄漏情況下的外罐壁傳熱特性分析

3.1 泄露發(fā)生后傳熱特性

在泄漏發(fā)生后，流出的液化天然氣會隨著時間推進而蔓延到不同的位置，從而引起罐體不同半徑處的溫度變化。簡單來說，溫度每降低1℃，低溫液體將會逐步由內(nèi)壁向外壁逐步推進，并隨時間的延長而更加接近外部壁體。

3.2 泄露發(fā)展后的傳熱特性

隨著泄漏階段的進一步推進，在罐體高度大約15m處，壁體各節(jié)點的熱量，溫度開始出現(xiàn)下降。最明顯的是在大約4h之后，罐體的外壁大約會下降1℃，8h之后將會下降6℃左右，16h之后將會下降17℃，在大約兩天半的時間后，將會下降28℃。這些數(shù)據(jù)表明整個罐體外壁的溫度剖析，溫度變化曲線逐步向線性發(fā)展過渡，在不同部位的節(jié)點具有統(tǒng)一的下降變化程度。

3.3 熱保護邊角對于泄露后傳熱特性的影響

針對罐的頂部來說，要想達到穩(wěn)定的溫度狀態(tài)，需要大概兩天半的時間，而傳熱穩(wěn)定時的溫度狀態(tài)大約維持在-80℃。而頂部到有熱保護邊角上部的那一部分壁面溫度的變化不大，達到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間大概為90h，此時的溫度大概為-65℃。在受到熱邊角料保護的高度范圍內(nèi)，傳遞熱量所需要花費的時間以及達到穩(wěn)定狀態(tài)后的溫度都有一定程度上的提升。

4 結(jié)束語

通過有限元分析方法得出LNG全容罐的外罐壁在正常使用過程中的穩(wěn)定熱流與熱傳導(dǎo)，以及在泄露情況下的瞬時傳熱現(xiàn)象。通過分析總結(jié)得出受儲存罐高度的影響，泄漏發(fā)生后會經(jīng)過一定時間才能夠?qū)崿F(xiàn)熱的傳導(dǎo)。在儲存罐壁穩(wěn)定傳熱時，熱保護邊角能夠發(fā)揮很強的保護作用。

參考文獻：

[1]張寧，王柏超，李棟，張云峰.LNG儲罐泄漏過程外罐壁傳熱特性研究[J].當(dāng)代化工，2018（12）.

[2]李揚.LNG儲罐分層翻滾數(shù)值分析[D].西安：西安石油大學(xué)，2017.

[3]魏會東，周美珍，顏世忠，張艷春，蘇娟.LNG儲罐主容器泄漏時外罐壁的傳熱特性[J].低溫工程，2009（06）：57-61.