李嘉浩

（西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引言

LNG的低溫特性使得其對(duì)于儲(chǔ)存過(guò)程中的溫度（約-162.5℃）控制極為敏感，一旦環(huán)境溫度升高，外界進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)部的熱量增加，導(dǎo)致液態(tài)的LNG大量蒸發(fā)，儲(chǔ)罐壓力上升至安全閥打開，排出蒸發(fā)氣進(jìn)行泄壓，造成大量的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染。合理的儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)保冷設(shè)計(jì)是減緩?fù)饨鐭崃咳肭值幕A(chǔ)，而對(duì)于漏熱量的計(jì)算分析是LNG儲(chǔ)罐在大型化設(shè)計(jì)及校驗(yàn)過(guò)程中必不可少的步驟。

對(duì)于大型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)漏熱的數(shù)值計(jì)算研究一直存在爭(zhēng)議，通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于LNG儲(chǔ)罐的漏熱分析多采用數(shù)值計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，但多數(shù)直接采用數(shù)值模擬的漏熱分析過(guò)程中忽略了對(duì)漏熱方式的考慮，導(dǎo)致整個(gè)分析過(guò)程復(fù)雜、繁瑣甚至嚴(yán)重脫離實(shí)際[1-2]。為此采用不同的數(shù)學(xué)方法，分別計(jì)算罐頂、罐壁與罐底漏熱量，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)罐的漏熱方式進(jìn)行分析，為合理確定LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)及內(nèi)部流場(chǎng)邊界條件提供一定的數(shù)值指導(dǎo)。

1 LNG儲(chǔ)罐傳熱分析

由于LNG儲(chǔ)罐包含低溫液體，因此進(jìn)行有效的熱分析對(duì)于成功設(shè)計(jì)至關(guān)重要。LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)非常復(fù)雜，需要采取一些方法來(lái)快速有效地計(jì)算其漏熱情況[3-4]。為此，利用穩(wěn)態(tài)下的熱平衡條件，分別考慮了儲(chǔ)罐各部分的傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射傳熱途徑，為確定儲(chǔ)罐的主要漏熱方式提供一定的理論基礎(chǔ)。

1.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)主要存在于儲(chǔ)罐各固體壁面之間，內(nèi)罐、外罐以及保溫層均為多層結(jié)構(gòu)，外界熱量通過(guò)混凝土外罐，經(jīng)保冷層進(jìn)入金屬內(nèi)罐，進(jìn)而向內(nèi)部流體傳導(dǎo)，產(chǎn)生的熱量與溫差之間的關(guān)系通過(guò)下式計(jì)算：

1.2 熱對(duì)流

環(huán)境風(fēng)與外罐外表面、LNG與內(nèi)罐內(nèi)表面等流體與固體之間的換熱均為對(duì)流換熱過(guò)程，滿足牛頓冷卻公式：

1.2 熱輻射

儲(chǔ)罐由于熱輻射導(dǎo)致漏熱的位置主要集中在太陽(yáng)照射的外罐外表面以及由吊頂與拱頂組成的封閉腔之間：

2 LNG儲(chǔ)罐漏熱計(jì)算

全容式LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，漏熱受多種因素影響，因此包括所有組件在內(nèi)的完整漏熱分析模型將非常繁瑣，甚至不切實(shí)際。為此設(shè)定熱流量平衡，考慮上節(jié)提到的三種漏熱方式，采用不同的方法分別計(jì)算儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)階段273至333K七種外界溫度下不同位置主要結(jié)構(gòu)的漏熱量，儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)參數(shù)見文獻(xiàn)[5]，為確定儲(chǔ)罐各部位漏熱量的大小奠定理論基礎(chǔ)。

2.1 罐頂漏熱量計(jì)算

罐頂是LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)中極為復(fù)雜的部分，全容式LNG儲(chǔ)罐的罐頂主要由拱頂與吊頂兩部分組成，分別計(jì)算273至333K七種外界溫度下，罐頂不同傳熱方式下的漏熱量，所得計(jì)算結(jié)果見圖1。由漏熱量結(jié)果可知，罐頂?shù)闹饕＠洳课粸榈蹴敚绊斕幍臏亟翟?~3K左右，整個(gè)罐頂?shù)闹饕岱绞綖闊醾鲗?dǎo)。方法1考慮內(nèi)部對(duì)流的漏熱量較方法2的外部對(duì)流漏熱量較大，考慮對(duì)流與輻射的綜合效果會(huì)減少罐頂?shù)穆崃?，但影響較小，故在罐頂?shù)穆岱治鲞^(guò)程中可只考慮熱傳導(dǎo)帶來(lái)的影響。

圖1 不同外界溫度下罐頂不同傳熱方式的漏熱量

2.2 罐壁漏熱量計(jì)算

儲(chǔ)罐罐壁由外罐與保冷層等環(huán)形結(jié)構(gòu)將內(nèi)罐層層包裹而成，假設(shè)各絕熱層之間接觸良好，則罐壁的傳熱方式可考慮為熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流[6]。分別計(jì)算273至333K七種外界溫度下，罐壁不同傳熱方式下的漏熱量，所得計(jì)算結(jié)果見圖 2。由計(jì)算過(guò)程及結(jié)果可知，方法1中對(duì)流項(xiàng)對(duì)漏熱量的影響非常小，方法2與方法3采用的方式會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的漏熱量偏小，且方法2在方法3的基礎(chǔ)上增加了對(duì)流厚度，導(dǎo)致漏熱量降低。故在罐壁漏熱的設(shè)計(jì)階段可考慮其主要漏熱方式為熱傳導(dǎo)。

圖2 不同外界溫度下罐壁不同傳熱方式的漏熱量

2.3 罐底漏熱量計(jì)算

為防止由于溫度過(guò)低導(dǎo)致罐底土層凍結(jié)而對(duì)基礎(chǔ)性能造成損壞，儲(chǔ)罐底部混凝土承臺(tái)設(shè)有加熱系統(tǒng)，故罐底漏熱計(jì)算中將對(duì)流的影響等效。分別計(jì)算273至333K七種外界溫度下，罐底在等效方法與傳導(dǎo)方法下的漏熱量，所得計(jì)算結(jié)果見圖 3。由計(jì)算結(jié)果可知，兩種計(jì)算方法的漏熱量相同，故采用熱傳導(dǎo)的方法可滿足設(shè)計(jì)過(guò)程中的計(jì)算需求。

圖3 不同外界溫度下罐底不同計(jì)算方法的漏熱量

3 結(jié)語(yǔ)

為確定LNG儲(chǔ)罐的主要漏熱方式，準(zhǔn)確計(jì)算其各部位在不同外界溫度下的漏熱量。綜合考慮了熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射三種漏熱方式對(duì)儲(chǔ)罐罐頂、罐壁以及罐底漏熱量的影響。結(jié)論如下：

由漏熱量計(jì)算過(guò)程及結(jié)果可知，儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)建造過(guò)程中，三個(gè)關(guān)鍵部位的主要漏熱方式均可考慮為熱傳導(dǎo)。

儲(chǔ)罐在罐頂處的漏熱量最小，主要集中在吊頂，約占15%；罐壁次之，約占38%；罐底最大，約占總漏熱量的47%。

通過(guò)分析計(jì)算儲(chǔ)罐各部位的漏熱方式及熱通量，可為儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)及內(nèi)部LNG流場(chǎng)數(shù)值模擬的載荷條件提供一定的支撐。