夏夢(mèng)瑩，陳團(tuán)海，揚(yáng)帆，計(jì)寧寧，李宇航(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引言

液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)是我國海上進(jìn)口天然氣的主要形式，我國目前擁有22個(gè)LNG接收站，20 萬立方米及以上LNG儲(chǔ)罐達(dá)75 座。“十四五”期間，另有擬、待建儲(chǔ)罐約25 座[1]。LNG主要通過-168 ℃低溫實(shí)現(xiàn)相態(tài)變化實(shí)現(xiàn)天然氣的高效存儲(chǔ)。LNG儲(chǔ)罐保冷通過特殊的保冷結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)與運(yùn)維過程中，LNG儲(chǔ)罐需要面臨不同的氣候環(huán)境條件，萬里平等采用參數(shù)化建模和計(jì)算方法開展了LNG儲(chǔ)罐整體溫度場(chǎng)的變化特性分析[2]；匡以武等研究了預(yù)冷過程儲(chǔ)罐的溫度場(chǎng)變化，得出了數(shù)值模擬的相關(guān)數(shù)據(jù)[3]；施雯等對(duì)LNG儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)的三維變化特征進(jìn)行了分析與總結(jié)[4]；張林輝等[5]、方江敏等[6]分析了儲(chǔ)罐漏熱的影響因素 。除了常規(guī)工況外，泄漏等異常工況下，LNG儲(chǔ)罐的低溫環(huán)境的保障也格外重要，相關(guān)學(xué)者開展了不同泄漏工況下不同儲(chǔ)罐不同位置的溫度場(chǎng)分析。李鵬[7]、萬成亮等[8]采用非線性有限元方法分析了儲(chǔ)罐泄漏工況下外罐溫度場(chǎng)；張娜等[9]重點(diǎn)研究了小孔泄漏工況下溫度場(chǎng)的變化情況；謝劍等[10]重點(diǎn)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(chǎng)與應(yīng)力，在分析溫度場(chǎng)的同時(shí)考慮了溫度場(chǎng)對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)泄漏異常工況下LNG儲(chǔ)罐的溫度場(chǎng)變化特性的研究缺乏考慮時(shí)變環(huán)境的耦合作用。針對(duì)此本文對(duì)不同季節(jié)外部溫度條件下LNG儲(chǔ)罐泄漏溫度場(chǎng)開展分析，計(jì)算模擬出不同溫度荷載、泄漏狀況下，混凝土穹頂、罐壁、承臺(tái)、保冷材料和儲(chǔ)罐基礎(chǔ)各部位的溫度分布，系統(tǒng)地研究不同季節(jié)時(shí)變溫度環(huán)境條件下不同泄漏工況儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)的變化特性，并提供相關(guān)溫度結(jié)果供后續(xù)開展熱力耦合分析參考，為LNG儲(chǔ)罐的運(yùn)維管理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 LNG儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)計(jì)算有限元模型

1.1 幾何與網(wǎng)格模型

因此經(jīng)過簡化后，在溫度場(chǎng)分析過程中可以采用LNG儲(chǔ)罐主體部分的軸對(duì)稱模型開展分析。

本研究使用有限元軟件ANSYS對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行熱分析，該模型主要用于研究儲(chǔ)罐混凝土外罐溫度，進(jìn)行極端設(shè)計(jì)工況分析，因此二維模型中忽略了局部連接件、樁基礎(chǔ)、鋼質(zhì)內(nèi)罐(假設(shè)其為全導(dǎo)體)、鋼筋及一天中太陽輻射相對(duì)于方位角的變化的影響。采用二維軸對(duì)稱8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建立儲(chǔ)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(duì)稱截面，忽略了扶壁柱的存在。

經(jīng)過分析，確定LNG儲(chǔ)罐的軸對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu)后，可選用二維軸對(duì)稱熱單元模擬整個(gè)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)，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(duì)稱單元應(yīng)選用四節(jié)點(diǎn)四邊形單元增加網(wǎng)格劃分的規(guī)整性與計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，單元網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法。

1.2 載荷與邊界條件

LNG儲(chǔ)罐長期暴露于自然環(huán)境，而LNG又需要超低溫的儲(chǔ)存需求，因此需要查明在外部環(huán)境導(dǎo)致的不同溫度邊界與溫度載荷作用下LNG儲(chǔ)罐的溫度變化特性，以保證外部溫度變化不會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)部介質(zhì)溫度帶來影響。

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

正常運(yùn)行工況，因?yàn)榧僭O(shè)內(nèi)罐為全導(dǎo)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(nèi)側(cè)直接設(shè)定-168 ℃的溫度邊界條件，來模擬LNG低溫介質(zhì)對(duì)LNG儲(chǔ)罐的溫度載荷作用。

儲(chǔ)罐發(fā)生意外泄漏時(shí)，LNG介質(zhì)會(huì)根據(jù)泄漏位置高度的不同，形成不同程度的擴(kuò)展，在溫度場(chǎng)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(zhì)在空氣環(huán)境中還保持的較低的溫度?；谝陨霞僭O(shè)，可以相應(yīng)地在泄漏高度以下的混凝土外罐內(nèi)壁及環(huán)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(shí)泄漏高度以下的罐壁保冷完全失效，儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)分布將受到較大影響。

2.政治體制改革目標(biāo)。在政治體制改革方面，提出：“加快推進(jìn)社會(huì)主義民主政治制度化、規(guī)范化、程序化，從各層次各領(lǐng)域擴(kuò)大公民有序政治參與，實(shí)現(xiàn)國家各項(xiàng)工作法治化?！保?］

相對(duì)介質(zhì)溫度載荷條件，環(huán)境載荷在有限元數(shù)值模型中施加更為復(fù)雜，這主要因?yàn)閮深悳囟容d荷對(duì)LNG儲(chǔ)罐的作用方式有一定區(qū)別。LNG儲(chǔ)罐外部空氣環(huán)境主要通過空氣與LNG儲(chǔ)罐混凝土外罐表面的對(duì)流換熱對(duì)LNG罐體溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響。因?yàn)閮?chǔ)罐外部環(huán)境變化往往較為復(fù)雜，在數(shù)值計(jì)算中完全采用真實(shí)環(huán)境溫度會(huì)極大增加溫度載荷的加載難度。因此在數(shù)值計(jì)算過程中，對(duì)環(huán)境溫度載荷的考慮進(jìn)行一定保守的簡化，分別對(duì)夏季與冬季兩種極端溫度環(huán)境情況，取當(dāng)?shù)厥亲罡邷囟扰c最低溫度。

同時(shí)對(duì)于不同溫度條件下空氣對(duì)流系數(shù)采用差值的方式獲得并施加在數(shù)值模型中，使環(huán)境溫度能夠有效施加到儲(chǔ)罐罐體。本次研究中，以環(huán)境溫度作為對(duì)流邊界條件，以接收站所在地近10年內(nèi)極端溫度數(shù)據(jù)為依據(jù)，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(duì)流換熱系數(shù)。

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

在有限元數(shù)值模型中，熱輻射的對(duì)溫度的影響本質(zhì)上通過能夠反應(yīng)熱輻射能量的表面輻射能量方程來實(shí)現(xiàn)，其方程表達(dá)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(shù)，為5.67×10-8W/(m2·K4)。

通過上述方程，在ANSYS軟件中對(duì)LNG儲(chǔ)罐外表面添加能夠計(jì)算該熱輻射能量的表面效應(yīng)單元SURF152，即可較為準(zhǔn)確的模擬太陽輻射導(dǎo)致的溫度效應(yīng)。

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

2 工況分析與結(jié)果討論

建立的二維軸對(duì)稱儲(chǔ)罐熱分析模型，考慮夏季、冬季兩種環(huán)境條件，熱分析針對(duì)正常運(yùn)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(huán)境溫度子工況組合，得到8個(gè)熱分析工況，分別為夏季正常運(yùn)行工況、冬季正常運(yùn)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(chǔ)罐基本尺寸數(shù)據(jù)開展建模，展示其時(shí)變環(huán)境條件變化導(dǎo)致的各個(gè)不同工況下罐體的溫度分布。該結(jié)果是本研究后續(xù)熱力耦合分析中的基本計(jì)算條件。

在進(jìn)行不同工況熱分析時(shí)，在后續(xù)分析中能用進(jìn)行熱力耦合分析，選取50年進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，達(dá)到的零應(yīng)力、溫度恒定不再發(fā)生變化時(shí)的溫度場(chǎng)作為其他工況模擬的初始溫度場(chǎng)。

2.1 正常運(yùn)行工況

正常運(yùn)行工況是在環(huán)境溫度通過混凝土厚度得到的溫度分布達(dá)到平衡的狀態(tài)。正常運(yùn)行工況下夏季儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)如圖1所示。內(nèi)罐內(nèi)壁各處溫度為-168 ℃，混凝土外罐外壁夏季最低溫度38.46 ℃，對(duì)應(yīng)的，冬季最低溫度-13.71 ℃。結(jié)果表明，正常運(yùn)行工況下與環(huán)境溫度溫差控制在1 ℃以內(nèi)，未受到內(nèi)部LNG液體的低溫沖擊，保冷效果良好。

圖1 外罐正常運(yùn)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(nèi)罐內(nèi)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(huán)境溫度溫差分別為128.4 ℃和68.42 ℃以內(nèi)。結(jié)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(hù)系統(tǒng)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(nèi)罐內(nèi)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(huán)境溫度溫差分別為98.53 ℃和69.01 ℃以內(nèi)。結(jié)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(huán)境溫度的影響增大，夏季泄漏處溫度與環(huán)境溫度的溫差有一定減小。且于熱角保護(hù)系統(tǒng)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(nèi)罐內(nèi)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(huán)境溫度溫差分別為98.54 ℃和120.72 ℃以內(nèi)。結(jié)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(jìn)一步增大，受到環(huán)境溫度的影響基本穩(wěn)定，泄漏處溫度與環(huán)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(jié)語

本研究基于有限元數(shù)值方法，建立了考慮時(shí)變環(huán)境條件的LNG儲(chǔ)罐泄漏溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型，形成22 萬立方米LNG儲(chǔ)罐溫度場(chǎng)分布特性的計(jì)算方法，計(jì)算得到了混凝土外罐壁在不同工況下的溫度分布情況。結(jié)果表明：

(1)正常運(yùn)行工況下與環(huán)境溫度溫差控制在1 ℃以內(nèi)，未受到內(nèi)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(hù)系統(tǒng)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(chǎng)受到環(huán)境溫度的影響增大，夏季泄漏處溫度與環(huán)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(huán)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(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，外罐壁底部的熱角保護(hù)系統(tǒng)，能夠有效地抵御泄漏工況下低溫向罐壁底部的傳遞。