液化天然气储罐动态日蒸发率数值模拟

文章编号：１０００ ７４６６（２０２０）０４ ００１３ ０５　
液化天然气储罐动态日蒸发率数值模拟
陈锐莹，陈　峰，姜夏雪，张　晨，安东雨
（中海石油气电集团，北京　１０００２８）
摘要：液化天然气储罐日蒸发率实际测试不可控因素多，部分储罐站场难以达成测试条件。

介绍了储罐常规日蒸发率测试要求及计算方法，提出了一种基于ＡＮＳＹＳ的储罐全三维模型，对液化天然气储罐静置过程中的日蒸发率进行全三维仿真模拟计算。

着重研究储罐静置过程中液化天然气的蒸发与储罐换热间的相互影响、外界温度变化和太阳辐射对液化天然气蒸发量的影响，分析不同的流体模型对日蒸发率计算结果准确性的影响。

储罐实际工况的日蒸发率动态数值模拟结果表明，模拟结果与实际测试结果基本吻合，此方法可推广应用到储罐的设计和安全运行模拟中。

关键词：储罐；液化天然气；闪蒸气；日蒸发率；有限元；数值模拟
中图分类号：ＴＱ０５３．２；ＴＥ９７２ 文献标志码：Ａ 犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００ ７４６６．２０２０．０４．００３
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（ＣＮＯＯＣＧａｓ＆ＰｏｗｅｒＧｒｏｕｐ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２８，Ｃｈｉｎａ
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）
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（张编）
　第４９卷　第４期 石　油　化　工　设　备 Ｖｏｌ．４９　Ｎｏ．４ ２０２０年７月 ＰＥＴＲＯ ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＱＵＩＰＭＥＮＴ Ｊｕｌｙ２０２０　
　收稿日期：２０２０ ０１ ３１
　基金项目：中国海洋石油集团有限公司科技项目：ＬＮＧ罐群接收站的关键技术研究（ＣＮＯＯＣ ＫＪ１３５ＫＪＸＭＱＤ２０１９ ００２）　作者简介：陈锐莹（１９８７ ），女（满族），浙江宁波人，工程师，学士，主要从事液化天然气接收站及储罐工艺的研究和设计工作。

Ｅ ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｒｙ２＠ｃｎｏｏｃ．ｃｏｍ．ｃｎ。

犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｆａｃｔｏｒｓａｎｄｕｎａｃｈｉｅｖａｂｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｍａｄｅｉｔｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｔｅｓｔｌｉｑｕｅｆｉｅｄｎａｔｕｒａｌｇａｓ（ＬＮＧ）ｔａｎｋ’ｓｂｏｉｌｏｆｆｇａｓｒａｔｅ．ＴｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｏｆＬＮＧｔａｎｋ’ｓｎｏｒｍａｌｄａｉｌｙｂｏｉｌｏｆｆｇａｓｒａｔｅｔｅｓｔｉｎｇｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＴｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎＡＮＳＹＳｔａｎｋｍｏｄｅｌｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｙｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅＬＮＧｔａｎｋ’ｓｓｔｅｗｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．ＴｈｅｍｕｔｕａｌｉｎｆｌｕｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎＬＮＧｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎａｎｄｔａｎｋｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｗａｓｆｏｃｕｓｅｄｏｎ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｏｕｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎＬＮＧｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｏｌａｒｒａｄｉａｔｉｏｎｏｎＬＮＧｅｖａｐｏ ｒａｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＬＮＧｓｔｅｗｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｏｆｆｌｕｉｄｍｏｄｅｌｓｏｎｔｅｓｔｒｅ ｓｕｌｔａｃｃｕｒａｃｙｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｂａｓｉｃａｌｌｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｂｅｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋｓａｎｄｓａｆｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｉｍｕ ｌａｔｉｏｎ．
犓犲狔狑狅狉犱狊：ｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋ；ｌｉｑｕｅｆｉｅｄｎａｔｕｒａｌｇａｓ；ｂｏｉｌｏｆｆｇａｓ；ｄａｉｌｙｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｒａｔｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅ ｍｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
液化天然气（ＬＮＧ）全容储罐（以下简称储罐）的日蒸发率是衡量储罐绝热保冷性能的关键技术参数之一，也是储罐验收的重要性能指标。

储罐内储存着大量的低温ＬＮＧ，ＬＮＧ是一种沸腾液体，任何热量传导至储罐都会导致部分ＬＮＧ蒸发为闪蒸气（ＢＯＧ）［１］。

在常规储罐设计中，储罐日蒸发率均采用静态计算［２ ３］，认为外界环境温度的变化是影响ＢＯＧ蒸发量的主要原因。

一般采用热平衡模型，利用储罐各结构实际面积、保冷设置等参数计算出对应的热量输入量，再根据ＬＮＧ物性参数计算储罐的日蒸发率［４ ６］。

或者根据储罐保冷结构建立局部储罐模型，分析各部分保冷结构受到的温度场影响［７ ８］。

在静态计算中，每小时漏热量的确定是计算关键，将每小时的漏热量相加即可得到每天的漏热量。

采用这种方法计算出来的日蒸发率相对保守［９］，可确保储罐的保冷设计有一定的余量。

储罐建成后需要进行日蒸发率测试［１０］，以验证储罐的保冷性能是否达到设计要求。

但储罐的日蒸发率测试要求复杂［１１ １２］，需考虑各种生产条件，很多时候储罐站场无法满足要求，不能进行储罐日蒸发率的测试。

即便进行日蒸发率测试，测试过程中也会受到储罐液位测量误差、隔离阀泄漏、储罐某些信息不确定等因素的影响，导致测试数据不准确。

为此，笔者采用ＡＮＳＹＳ有限元软件，将数值模拟技术应用于某项目ＬＮＧ储罐静置过程日蒸发率的测试，以模拟和修正实际测试结果。

１　储罐常规日蒸发率测试
１．１　测试要求
进行储罐日蒸发率测试时，一般要求被测试储罐处于运行状态［１３ １４］。

测试时主要有以下要求：①
在ＬＮＧ第１次充装３０ｄ后进行测试，以确保储罐保温层和内部构件都处于热平衡状态。

②测试前应尽量排空储罐内ＬＮＧ，然后再进行装料，以确保储罐内ＬＮＧ组成与卸船时的ＬＮＧ组成相对接近。

装料后根据卸船时的ＬＮＧ组成计算日蒸发率。

③在储罐日蒸发率测试期间，应确保站场大气压稳定、测试罐处于或接近其最大ＬＮＧ液位。

测试罐内的低压泵应停运，利用站场其它储罐提供ＬＮＧ外输。

测试罐也应无任何进料操作，利用站场侧阀门进行单侧隔离。

确保ＢＯＧ压缩机工作正常，以保证储罐罐内压力稳定，每隔１ｈ进行液位数据记录。

测试时间一般持续２４～９６ｈ，测试结束后通过对测试时监测到的测试罐内液位的变化，来计算储罐实际日蒸发率。

１．２　日蒸发率计算方法１
将储罐理论ＢＯＧ日蒸发率与测试ＢＯＧ日蒸发率进行对比，测试值小于理论值即通过测试。

此方法计算简便，但设计时理论日蒸发率是根据甲烷物性计算的，而测试的物料为ＬＮＧ，２种介质物性不同，将直接导致测试值小于理论值，不能真实反映保冷层的设计是否能够满足既定要求。

储罐日蒸发率计算公式如下：
犞理＝犞ｔａｎｋ初犅ＯＲ狀
犞实＝犞ｔａｎｋ初－犞ｔａｎｋ终
式中，犞理为进行日蒸发率设计时储罐的理论ＢＯＧ蒸发体积，犞
ｔａｎｋ初
为日蒸发率测试开始时储罐内ＬＮＧ体积，犞实为日蒸发率测试时储罐的实际ＢＯＧ
蒸发体积，犞
ｔａｎｋ终
为日蒸发率测试结束时储罐内ＬＮＧ体积，ｍ３；犅ＯＲ为储罐ＢＯＧ日蒸发率，％；狀为测试天数，ｄ。

若现场测试条件有限，可利用此方法计算储罐日蒸发率。

·
４
１
· 石　油　化　工　设　备 ２０２０年　第４９卷　
１．３　日蒸发率计算方法２
将允许的储罐理论漏热量与测试期间的储罐漏热量进行比较，测试值小于理论值即通过测试。

此方法的优点在于漏热量理论值与测试值均是按照实际情况进行计算，但计算较为复杂。

犙理＝犞ｔａｎｋρＣＨ４
Δ犎ＣＨ４犅ＯＲ狀犙实＝（犞ｔａｎｋ初－犞ｔａｎｋ终）ρ
ＬＮＧΔ犎ＬＮＧ式中，犙理为进行日蒸发率设计时储罐理论漏热量，
犙实为进行日蒸发率测试时储罐实际漏热量，ｋＪ
；犞ｔａｎｋ为进行日蒸发率设计时储罐内Ｌ
ＮＧ体积，ｍ３；ρＬＮＧ为储罐内ＬＮＧ密度，ρＣＨ４为甲烷密度，取ρＣＨ４＝４２０．２ｋｇ
／ｍ３
；Δ犎ＬＮＧ为储罐内ＬＮＧ气化潜热，Δ犎ＣＨ４为储甲烷气化潜热，取Δ犎ＣＨ４＝５１２．４ｋＪ／ｋｇ。

若现场可以对Ｌ
ＮＧ的密度和气化潜热进行测试，可利用此方法计算储罐日蒸发率。

２　储罐动态日蒸发率模拟计算２．１　储罐全三维模型建立
在进行储罐动态日蒸发率计算时，为精准模拟储罐实际情况，利用ＡＮＳＹＳ软件建立储罐全三维
模型［１５ ２０
］。

全三维模型完全按照某项目中的ＬＮＧ储罐实际结构搭建，见图１。

图１　储罐全三维模型
根据储罐结构设计中保冷材料的分布情况（
图２）赋予其材料属性，主要分为侧壁ＴＣＰ上部区域、侧壁ＴＣＰ区域、底部中心区域、底部Ａ区域和底部Ｂ区域共５个区域。

图２　储罐保冷材料分布情况
全三维模拟能够考虑实际情况下三维边界的影
响，
并且包含全部的流体域，模拟精确度最高。

采用全三维模拟可以充分考虑储罐的几何细节。

但全三维模拟几何建模比较复杂，高质量网格划分难度比
较大，涉及的求解控制技术也较多，计算中存在一定的难度。

储罐三维建模是对储罐整体进行分析，需要建立穹顶、罐体、罐底以及保冷层模型。

为了分析蒸发气的蒸出，需要划出气体出口。

在网格划分中，将同等高度部分一起进行Ｓｗｅｅｐ处理。

Ｓｗｅｅｐ处理完成以后，
用Ｉｎｆｌａｔｉｏｎ方法对气体出口进行边界层处理。

为了防止网格歪斜，Ｉｎｆｌａｔｉｏｎ处理完成后需添加ＥｄｇｅＳｉｚｉｎｇ矫正网格分布。

另外，为了兼顾到储罐穹顶内部上、下表面，
内罐上、下表面的边界层，采用网格扫略倾向ＳｗｅｅｐＢ
ｉａｓ的方式对这些部位进行网格加密。

２．２　初始设置及边界条件
初始设置该储罐中ＬＮＧ充液量为１６００００ｍ
３
，储罐内罐温度－１５８℃，储罐上部温度为环境温度２６．５℃。

初始设置储罐内温度分布见图３。

图３　初始设置储罐内温度云图
储罐静置时，
ＢＯＧ生成主要受到壁面和环境热量交换的影响。

除了环境温度外，ＢＯＧ生成的重要因素是太阳辐射。

太阳辐射使储罐壁面升温，在太阳照射强烈的地区，升温效应尤其明显，能够显著提高储罐壁面温度。

为了将太阳辐射对储罐ＢＯＧ生成的影响加入到储罐边界条件中，在模拟静置储罐
ＢＯＧ生成时，
将太阳辐射强度较为极端情况下的储罐各壁面温度变化数据（图４），作为储罐穹顶和侧壁面的边界条件添加到模型中。

图４　太阳辐射极端情况下储罐各壁面温度变化情况
２．３　日蒸发率模拟
通过监测储罐出口ＢＯＧ质量流量，按下式计算ＢＯＧ日蒸发率：
·
５１·　第４期 陈锐莹，等：液化天然气储罐动态日蒸发率数值模拟
犅ＯＲ＝犿ＢＯＧ／犿ＬＮＧ
狀
×１００％
式中，犿ＢＯＧ为ＢＯＧ总生成质量，犿ＬＮＧ为储罐中ＬＮＧ的质量，ｋｇ
；狀为测试时间，ｄ。

按照静置时间为３ｄ计算储罐静置时的ＢＯＧ日蒸发率。

湍流模型适合于湍流完全发展、流体雷诺数较高时流场的计算，先采用湍流模型计算储罐静置时ＢＯＧ的生成量。

模拟计算开始时ＢＯＧ出口质量流量急剧上升，达到了３ｋｇ／ｓ的峰值，之后ＢＯＧ出口质量流量逐步下降趋于平稳（图５）。

经计算，ＢＯＧ的日蒸发率总计为０．０８６２５％，远高于该储罐ＢＯＧ日蒸发率的实际测量值０．０３０９％。

图５　不同模型模拟计算的储罐ＢＯＧ出口质量流量曲线 为了提高模拟的合理性，采用层流模型对储罐静置ＢＯＧ日蒸发率进行计算。

通过模拟壁面换热，外界温度逐渐影响储罐内部ＬＮＧ，ＢＯＧ出口质量流量出现上升，并在１０００００ｓ时达到峰值。

随着时间延长，由于ＬＮＧ蒸发带走热量，ＢＯＧ出口质量流量逐渐减小，在约２７００００ｓ时ＢＯＧ出口质量流量趋于稳定（图５）。

经计算，ＢＯＧ的日蒸发率总计为０．０３１６８％，与该储罐ＢＯＧ日蒸发率实际测量值仅相差约２．５％。

由２种模型的计算结果看出，
层流模型比湍流模型更贴近实际。

分析原因主要是由于湍流模型计算湍流动能的产生和耗散，会通过热量源项添加到能量方程中，计算时产生额外的热能。

此结果对于高流速流体是符合理论推断的，
但对于低流速流体，如果湍流没有完全发展，湍流动能的产生和耗散计算会造成不符合实际情况的热能产生，
相当于对储罐流体添加了额外的热源，因此湍流模型计算的ＢＯＧ日蒸发率远高于实际测试结果。

储罐静置时，在ＢＯＧ生成量稳定之后，由图６所示的储罐内ＬＮＧ速度云图可知，储罐内罐中的ＬＮＧ的流速很小（小于０．１ｍ／ｓ
），说明储罐静置时湍流不能完全发展，内罐中的ＬＮＧ流体接近于层流状态。

因此，采用层流模型进行模拟计算更为准确合理。

图６　储罐静置稳定后罐内ＬＮＧ速度云图
３　结语
大型ＬＮＧ储罐常规日蒸发率测试要求复杂，需要考虑各种生产条件，测试过程中往往受到接收站操作运营的影响，
导致测试数据不准确。

整理出了２种大型ＬＮＧ储罐常规日蒸发率测试的计算方法，可根据项目实际情况进行选择。

利用ＡＮＳＹＳ有限元软件进行储罐动态日蒸发率计算的误差在３％以内，
可以作为储罐常规日蒸发率测试的一种补充方案。

在储罐设计阶段或者工程完工后，
直接利用全三维模型对储罐的保冷性能进行模拟分析，既可以对储罐的设计进行验证，又可以直接替代现场测试环节。

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［１１］液化天然气设备与安装陆上装置设计：ＧＢ／Ｔ２２７２４—２００８［Ｓ］．
Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｌｉｑｕｅｆｉｅｄｎａｔｕｒａｌｇａｓ—
Ｄｅｓｉｇｎｏｆｏｎｓｈｏｒｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｓ：ＧＢ／Ｔ２２７２４—２００８
［Ｓ］．
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Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｓｔｏｒａｇｅａｎｄｈａｎｄｌｉｎｇｏｆｌｉｑｕｅｆｉｅｄｎａｔｕｒａｌ
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（张编）
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　第４期 陈锐莹，等：液化天然气储罐动态日蒸发率数值模拟。