LNG大型低温储罐稳态传热模拟与分析

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稳态传热仿真实验报告

稳态传热仿真实验报告
本实验旨在通过稳态传热仿真来研究热量在不同材料中的传导。

在实验中我们选择了三种不同的材料：铜、铝和钢，并通过对其进行传热仿真来比较它们的热传导特性。

实验过程中，我们首先准备了三种不同材料的试样，并确保其表面光洁平整。

然后，我们将试样放置在一个稳定的环境中，其中一侧与高温热源接触，另一侧与低温环境接触。

接下来，我们使用有限元软件（如ANSYS等）对试样进行稳态传热仿真。

在仿真过程中，我们根据试样的物理特性和边界条件输入相关参数。

然后，仿真软件根据传热方程和材料性质进行计算，并给出稳态下的温度分布。

通过可视化软件，我们能够清楚地观察到热量在试样中的传导路径和分布情况。

实验结果显示，铜材料在传热方面表现最优，其传导热量较高，温度分布均匀。

而铝材料传热性能较差，温度分布不均匀。

钢材料在这方面介于两者之间。

这些结果与我们对材料的物理特性的基本了解吻合，即不同材料的导热系数不同，从而影响了传热性能。

通过本次实验，我们深入了解了稳态传热的原理和仿真方法，并得出了不同材料传热特性的比较结果。

这对于我们选择合适的材料应用于不同传热场景具有重要的参考价值。

此外，本实验也展示了仿真方法在研究和优化传热过程中的广泛应用前景。

LNG大型低温储罐热防护系统分析

全容积式储罐由一个钢制内罐及一个预应力混凝土外罐组成。内罐用于存储ＬＮＧ液体，外罐用来存储ＬＮＧ液体蒸发气。为避免内罐泄漏使ＬＮＧ液体与混凝土外罐接触，ＬＮＧ储罐内外罐之间设立一套热防护系统（ＴＰＳ），其结构主要由环
性；
热防护系统与混凝土外罐之间充满保冷材料，其厚度Ｘｐ设计应满足ＬＮＧ储罐保冷防护要求，其设计高度ｈ取决于温度分布和刚性拐角的变形能力，按照ＥＮ１４６２０标准，底板厚度不应小于５
ＬＮＧ项目，中石化总公司也在青岛、江苏、天津及我国西部、中部地区等地建设
ＬＮＧ项目。ＬＮＧ储罐作为ＬＮＧ接收站的核心设备之其安全平稳运行是整个ＬＮＧ接收站和在建的ＬＮＧ储罐结构多采用全容积式储罐这一结构形式，该储罐由
ＴＣＰ系统的结构、选材及稳定性校核等方面展开分析研究，探求热防护系统的有效设计方法。１全容积式储罐热防护系统结构简介
１．１热防护系统结构组成
板、简体、绝热材料及底板四部分组成，具体结
构如图１所示。
作者简介：王美波（１９８２一），男，天津人，硕士研究生，机械
１．２ＬＮＧ储罐热防护系统选材由于ＬＮＧ为温度约一１６５ ℃ 的超低温液体，因

储罐温度作用的仿真分析

储罐温度作用的仿真分析郝进锋;高建华;刘桂德;李想;隋明【摘要】介绍了一座15万m3大型储罐的结构、材料及基本参数,运用有限元原理,借助数值仿真软件ADINA,对低温及重力共同作用下的储罐进行了应力分析,获得了储罐在不同温度作用下各层壁板的应力分布情况,并根据应力分析结果对储罐进行了强度校核.结果表明:储罐自重和温度共同作用下均符合强度条件,为储液罐的安全过冬提供了理论依据.%A 150000 m3 large tank structure, materials and basic parameters were introduced. Based on finite element theory, the wall stress distribution of tank under the action of low temperature and weight was obtained by the numerical simulation software ADINA, and the tank' s strength was checked according to the stress analysis results. The results showed that, tank under the action of low temperature and weight meet the requirements of strength, and it provides a theoretical basis for the safety of the liquid storage tanks in winter.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2012(034)011【总页数】3页(P74-76)【关键词】储罐;应力分析;数值模拟;ADINA;温度作用【作者】郝进锋;高建华;刘桂德;李想;隋明【作者单位】东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;四川工商职业技术学院,四川都江堰611800【正文语种】中文【中图分类】TU249.9位于大庆市某油库的一15万m3的双盘浮顶油罐，采用全钢结构，由大庆油田工程有限公司设计。

大型立式低温LNG储罐的结构设计和强度研究

大型立式低温LNG储罐的结构设计和强度研究发布时间：2021-01-28T13:53:37.627Z 来源：《科学与技术》2020年第28期作者：王高峰[导读] 文章主要是分析了LNG低温储罐的发展来由，王高峰天圜工程有限公司，湖北武汉 433074摘要：文章主要是分析了LNG低温储罐的发展来由，在此基础上讲解了大型立式低温LNG储罐结构的设计要求最后探讨了大型立式低温LNG储罐结构设计和强度分析，望能为有关人员提供到一定的帮助和参考。

关键字：LNG；立式低温LNG储罐；结构设计 1前言大型立式低温夜华天然气LNG储罐是能够运输和储存LNG的重要设备，其的占地面积较小且投入成本低，已被广泛应用。

低温LNG储罐的结构设计、强度等都会直接影响到储罐的整体性能，为此应当重视到其的结构和强度分析，有关人员在设计的过程中应当考虑的更为全面。

2 LNG低温储罐发展来由当前国内环境污染的问题日益突出、天然气价格改革加快实施和“十三五”规划的临近，大力推进天然气发展。

天然气作为一种低污染、高效、清洁的能源，越来越受到人们的重视。

它可以拯救生命。

未来，天然气的发展将迎来一个历史性转折点，特别是在工业、人口等通常不需要生产的地区。

因此，要解决这种不平衡，不仅要解决运输问题，还要解决经济和仓储问题，当天然气冷却到-162度时会在正常压力下由气体变为液体，称为液化天然气液化气天然气是天然气的600倍。

它具有高效、经济的特点，广泛应用于大型低温设备中仓库。

3大型立式低温LNG储罐结构设计要求 3.1足够大的温度范围液化天然气（LNG）是一种超低温液态天然气，在储存和存储过程中必须保持低温。

输送的天然气的沸点是-160°C，最高室温约为60°C，温度范围储罐的容积应为-170-60°C。

在低温下，压缩LNG体积仅为原始体积的1/625，并且蒸发压力较高，因此，大型立式低温LNG储罐必须能够承受更大的压力，通常都会在1.5至30KPa的范围内。

一文详解LNG常压低温储罐，你想知道的都在这！

⼀⽂详解LNG常压低温储罐，你想知道的都在这！LNG低温储罐有哪些特殊要求？1. 耐低温常压下液化天然⽓的沸点为-160℃。

LNG选择低温常压储存⽅式，将天然⽓的温度降到沸点以下，使储液罐的操作压⼒稍⾼于常压，与⾼压常温储存⽅式相⽐，可以⼤⼤降低罐壁厚度，提⾼安全性能。

因此，LNG要求储液罐体具有良好的耐低温性能和优异的保冷性能。

2. 安全要求⾼由于罐内储存的是低温液体，储罐⼀旦出现意外，冷藏的液体会⼤量挥发，⽓化量⼤约是原来冷藏状态下的300倍，在⼤⽓中形成会⾃动引爆的⽓团。

因此，API、BS等规范都要求储罐采⽤双层壁结构，运⽤封拦理念，在第⼀层罐体泄漏时，第⼆层罐体可对泄漏液体与蒸发⽓实现完全封拦，确保储存安全。

3. 材料特殊内罐壁要求耐低温，⼀般选⽤9Ni钢或铝合⾦等材料，外罐壁为预应⼒钢筋混凝⼟。

4. 保温措施严格由于罐内外温差最⾼可达200℃，要使罐内温度保持在-160℃，罐体就要具有良好的保冷性能，在内罐和外罐之间填充⾼性能的保冷材料。

罐底保冷材料还要有⾜够的承压性能。

5. 抗震性能好⼀般建筑物的抗震要求是在规定地震荷载下裂⽽不倒。

为确保储罐在意外荷载作⽤下的安全，储罐必须具有良好的抗震性能。

对LNG储罐则要求在规定地震荷载下不倒也不裂。

因次，选择的建造场地⼀般要避开地震断裂带，在施⼯前要对储罐做抗震试验，分析动态条件下储罐的结构性能，确保在给定地震烈度下罐体不损坏。

6. 施⼯要求严格储罐焊缝必须进⾏100%磁粉检测(MT)及100%真空⽓密检测(VBT)。

要严格选择保冷材料，施⼯中应遵循规定的程序。

为防⽌混凝⼟出现裂纹，均采⽤后张拉预应⼒施⼯，对罐壁垂直度控制⼗分严格。

混凝⼟外罐顶应具备较⾼的抗压、抗拉能⼒，能抵御⼀般坠落物的击打。

由于罐底混凝⼟较厚，浇注时要控制⽔化温度，防⽌因温度应⼒产⽣的开裂。

LNG低温储罐的构件特点？1. 内罐壁内罐壁是低温储罐的主要构件，由耐低温、具有较好机械性能的钢板焊接⽽成，⼀般选⽤A5372级、A516 Gr.60、Gr18Ni9、ASME的304等特种钢材。

LNG低温储罐介绍

1、LNG低温储罐结构LNG低温储罐一般分为立式储罐和卧式储罐，其原理结构基本一致，现我以卧式储罐为例给大家讲解下其结构以及使用常识。

低温储罐为双层结构，内胆储存低温液体，承受介质的压力和低温，内胆的材料采用耐低温奥氏体不锈钢板材（0Cr18Ni9）；外壳为内胆的保护层，与内胆之间保持一定间距，形成绝热空间，承受内胆和介质的重力负载以及绝热层的真空负压。

外壳不接触低温，采用容器钢制作。

绝热层大多填充珠光砂，抽高真空。

低温储罐蒸发量一般不高于百分之零点二。

内容器在气相管路上设计有安全阀在超压时起到保护储罐的作用。

在超压情况下，安全阀打开，其作用是放散由绝热层和支撑正常的漏热损失导致的压力上升或真空遭破坏后以及在失火条件下的加速漏热导致的压力上升。

外壳在超压条件下的保护是通过爆破装置来实现的。

如果内胆发生泄漏（导致夹套压力超高），爆破装置将打开泄压。

万一爆破装置发生泄漏将导致真空破坏，这时可以发现储罐外壳出现“发汗”和结霜现象。

当然，在与罐体连接的管道末端出现的结霜或凝水现象是正常的。

另外储罐所有的管阀件都设置在储罐的一端。

LNG低温储罐管路一般有：上进液管路（上进液管路在储罐内部并不是一根单一的管口而是像淋浴一样的花洒分布，这样设计有助于卸车时及时将储罐内部产生的B O G 液化使储罐压力降低以及保证储罐内部均匀预冷）、下进液管路、出液管路、气相管路（气相管路又分为B O G管路和E A G放空管路）、溢流口管路、上液位管（连接储罐液位计H端以及储罐压力表入口端）、下液位管（连接储罐液位计L端）。

2、储罐增压原理1、储罐增压：低温储罐的出液以储罐的静压差以及气相压力为动力。

在储罐液位下降速度较快的时候，储罐内部气相空间增压，导致储罐内部压力下降。

因此此时需向储罐内部补充气体，以维持储罐内部压力不变，才能满足其工艺需求。

储罐增压所需设备有：储罐增压器（空温式汽化器）、管路、阀门（阀门可安装紧急切断阀通过PLC程序控制自动开关也可安装降压调节阀待储罐压力低于设定值时自动打开，高于设定值时自动关闭）。

LNG 储罐低温绝热性能的研究

图1 不同容量的LNG储罐甲烷含量与BOG日蒸发率的关系图2 纵坐标截取值的线性拟合
是每种材料最高温度表面的温度，是最低温度表面的温度：
式中，
图3 等效传热示意图
其中，为太阳辐射；为对流传热；为考虑的对流系数；为罐顶材料的吸收率。

为进入混凝土层的热量；是通过容器壁和罐体底部的热量；度；为罐顶和绝缘层之间的温度；
和分别为混凝土层和绝热层的热传导率。

储罐罐顶的表面温度：
为管道的长度；为环境温度；
为绝缘材料的传导率。

为
对于计算通过装卸泵进入的热量，传热过程的计算
为通过泵传递给为每的蒸发率和温度的改变不会影响
蒸发率增大时，从
（a）整体结构（b）动力部分结构
图1 皮带式抽油机整体及动力部分结构示意图
三相异步电机经减速器后，将动力输出至下链轮从而驱动链轮及传动链的转动，由于皮带式抽油机传动链条始终保持同一方向转动，为了实现井下抽油杆及其配套工具的往复运动，采用了曲拐与滑车架相结合的机械式换向结构，图2所示为机械换向结构示意图。

曲拐头部与传动链相连接，相当于传动链条的一个特殊链节，始终与传动链条保持运动且保持相对静止，曲拐圆轴部
的成本的比较提供了基础。

全容式LNG储罐罐体温度场计算及分析

0前言由于国内天然气需求量的增加 , 船运进口 LNG 数量也随之增加 , 与之相配套的 LNG 接收站建设迅速发展。

国内沿海地区大批 LNG 接收站已经建成或正在建设之中 [1]。

LNG 储罐是接收站最重要的设备 , 属常压、超低温大型烃类储罐 , 全容式储罐是目前普遍采用的罐型。

一般情况下 , LNG 常压储存 , 储存温度为 -162℃。

由于储罐内部与环境存在巨大温差 , 而且大型 LNG 储罐的罐底与罐壁、罐顶与罐壁处的连接处结构较为复杂 , 形成温度梯度产生热应力 , 在低温部位影响储罐的机械性能 [2]。

对大型全容式 LNG 储罐的温度场进行计算对储罐的设计有重要意义。

国内对 LNG 储存设施温度场的研究集中在 LNG 船和小型 LNG 储罐上 , 对LNG 大中型储罐的温度场研究较少。

冯武文等人对 LNG 船船体温度分布作了详细研究 [3]; 上海交通大学对低温容器的热力研究较多 ; 杨敏之等人利用有限元法和边界元法计算液化气船低温液罐鞍座的温度场 [4]; 汪顺华等人采用数值差分法求解出低温储罐绝热层内部温度变化规律 [5]; 邱林等人对 LNG 船遇冷过程前后液货舱内气体温度分布进行了计算 [6]。

在国外 , Chen Q S 等人对 LNG 加气站中 LNG 低温储罐内的温度和压力变化进行了分析 [7]; Boukeffa D 等人以一个液氮容器颈管为研究对象 , 对颈管壁的温度场进行了研究实验测量和数值计算 [8]; Khemis O 等人对低温容器传热进行了实验研究 [9]。

1全容式 LNG 储罐基本结构目前我国正在建设和已投入使用的大型 LNG 储罐全容式 LNG 储罐罐体温度场计算及分析李海润 1徐嘉爽 1李兆慈 21.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司, 四川成都 6100412.中国石油大学 (北京 , 北京102249摘要 :全容式 LNG 储罐是目前国内 LNG 接收站普遍采用的罐型 , LNG 储罐储存低温液体 , 内外温差大 , 罐体结构复杂 , 温度场分布对储罐的结构设计影响大。

5000m3立式圆筒形LNG平底圆筒储罐绝热计算和温度场数值模拟

5000m3立式圆筒形LNG平底圆筒储罐绝热计算和温度场数值模拟LNG储罐外界热量的进入会导致LNG蒸发，出现翻滚现象，给储罐正常工作的造成安全隐患，因此需要对温度场分布及绝热性能进行研究。

由于LNG储罐内外温差大，绝热层结构复杂，所以本文通过对储罐底部、罐壁和罐顶各部分的传热学计算得出总漏热量，和温度场的分析对比，阐述了LNG储罐的绝热性能。

标签：LNG；储罐；绝热系统；温度场1 绝热计算和温度场数值模拟1.1 低温储罐绝热设计液化天然气是净化和液化处理形成的液态天然气，主要成分为甲烷。

通常被储存在LNG低温储罐中。

该种储罐为微正压低温状态，外部有绝热保温材料覆盖，以减少外界环境与之热量传递造成LNG气化。

对于低温储罐，热量会通过传导，对流，辐射等方式传入储罐，从而部分LNG的气化产生BOG气体。

对于5000m3LNG低温储罐，国际上通用的要求以满罐为基准的每天罐内LNG气化率为≤0.10。

1.2 罐顶和罐壁自然漏热量计算目前绝大部分LNG储罐内外罐之间填充的是珍珠岩。

在对LNG储罐进行检修时，许将内罐物料排空，此时，内罐罐壁由于温度上升而发生线性膨胀，导致环形空间内的珍珠岩膨胀，对内罐罐壁施加一定的均匀外压；同时，外罐在外界环境温度的变化时也会发生线性收缩-膨胀，通过膨胀珍珠岩的传递进而對内罐罐壁也会产生一定的外压作用。

因此，为了消弱由于温度变化而使内罐承受的外压，需在内罐罐壁外侧覆盖一层具有较好回弹性的弹性毡。

1.3 底部自然漏热量计算低温储罐底部主要通过传导的方式进行热传递，绝热材料使用泡沫玻璃砖，它的耐压强足够承受液体与内罐的重量。

除了泡沫玻璃砖以外，在泡沫玻璃砖的之间要铺设油毡，最上层和最下层泡沫玻璃砖要铺设一层干沙找平层，在内罐壁下是一层珍珠岩混凝土的支撑圈，用以支撑整个内罐罐壁的重量。

该LNG储罐的保冷性能满足要求。

2 LNG储罐绝热部分数值模拟热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。

LNG低温储罐的设计及建造技术要点分析

LNG低温储罐的设计及建造技术要点分析摘要：天然气低温常压（或低压）储存方式因其储存效率高、占地节约、储存规模易于大型化等优点在液化天然气（LNG）接收终端站、天然气液化厂和城市燃气调峰系统中得到了越来越广泛的应用。

本文就对LNG低温储罐的设计及建造技术要点进行分析和探讨。

关键词：LNG低温储罐;设计;建造技术要点1LNG低温储罐的发展现状由于LNG是在低温储罐内储存的，过去储罐的储存形式为单壁形式。

单壁储罐顶盖绝热采用块体，但缺乏防潮层，且易于受到风的影响。

因此，为了解决这一影响，采用了双壁双顶储罐。

这种储罐是在两壁间的绝热空间内充入干燥的纯气体，以防止绝热空间吸入潮湿空气。

而随着储罐容量的不断增大，干燥纯气体的供应费用随之增加。

由于液化气体所产生蒸汽很容易引起罐体内部出现超压。

故在LNG低温储罐建设中引进了悬挂式顶盖技术，以形成了双壁单顶储罐。

这种储罐采用悬挂的绝热吊顶形成一个独立的环形空间，使LNG蒸汽能够顺利进入空间，有利于防止潮湿空气的进入，减少内容器的压力。

另外，双壁单顶储罐还可以采用外壁来防止潮湿空气的进入，减少罐顶自重负担。

2大型LNG低温储罐的结构形式根据液体和蒸汽收集情况的不同，大型LNG储罐可分为三种结构形式，即单容罐、双容罐和全容罐。

单容罐由双壁单顶的罐体组成，储放液态的LNG。

此罐体的内容器采用圆柱形钢制壳体。

在单容罐正常使用时，其蒸汽只能存放于内外壁之间的空间。

为了保证储罐的使用安全，应该砌堤墙将单容罐包围起来。

单容罐虽然投资较低，但其安全性能不高，很少适用于接收站储罐设计;双容罐由双壁单顶主容器和外围次容器两个部分组成。

其主容器类似于单容罐结构，在罐体内部存放LNG液体，在正常使用时，应该将蒸汽放于主容器内外壁之间的空间。

次容器采用耐低温的钢制，其顶部能够收集液体泄漏物。

另外，为了防止落入雨水、尘土进入罐体内部，需要在主容器和次容器之间再加盖一个防雨罩;全容罐主要由主容器和次容器两个部分组成。

大型LNG储罐整体温度场分析的参数化建模和计算

收稿日期:２０２０Ｇ０３Ｇ０２.作者简介:万里平,女,２０１１年毕业于北京化工大学化工过程机械专业,工学硕士,长期从事压力容器设计工作,工程师,已发表论文６篇.E m a i l :w a n l i p i n g ＠s e i ．c o m．c n .基金项目:国家重点研发计划资助(２０１７YF C ０８０５８００).大型L N G 储罐整体温度场分析的参数化建模和计算万里平,武铜柱,李晓琳(中国石化工程建设有限公司,北京１００１０１)㊀㊀摘㊀要:液化天然气(简称L N G )作为清洁能源得到广泛应用.L N G 储罐作为储存的重要设备,其大型化是L N G 行业的发展趋势.L N G 储罐保冷结构复杂,罐顶㊁罐壁及罐底保冷各具特点.温度场计算是罐体设计的重要组成部分.对大型L N G 储罐进行参数化建模,实现参数化的载荷条件输入,可极大提高设计效率.文章介绍了参数化建模方法,并借助该方法,研究了L N G 储罐运行过程中异常工况下的温度场和保冷效果.参数化设计不仅可以帮助工程技术人员优化保冷结构的设计,还能提高分析计算效率,是未来储罐设计的趋势.关键词:液化天然气㊀L N G㊀整体温度场分析㊀参数化设计㊀建模㊀异常工况d o i :１０．３９６９/j．i s s n ．１００６－８８０５．２０２０．０３．００１㊀㊀作为一种绿色清洁能源,液化天然气的工业应用日益广泛.目前国内对于天然气的需求增长迅速,正进行大批L N G 接收站的设计和建设.L N G 接收站主要储存设备为大型低温L N G 储罐.由于储罐存储介质温度极低,约为－１６５ħ,与罐体外部环境温度相差巨大,因此,储罐罐体的保冷结构设计尤为重要.通常情况下,罐体的保冷结构主要由罐底保冷㊁内外罐之间保冷㊁储罐吊顶保冷等几部分组成,各部分因考虑不同的温差和相应的强度需求,需设置不同的保冷材料.前人在储罐温度场分析方面做了大量工作,朱鸿梅等ʌ１ɔ研究了L N G 储罐角部绝热保冷结构的重要性;王明伍等ʌ２ɔ研究了不同环境温度和不同泄漏工况下,热角保护处的温度场;李兆慈等ʌ３ɔ计算了稳态工况下储罐的温度场,分析了不同环境温度㊁液位高度和对流换热系数对储罐温度场分布的影响.L N G 储罐的大型化是大势所趋,温度场计算是储罐设计的重点之一,为避免重复建模,并提高工程技术人员的计算效率,本文介绍了储罐整体温度场参数化建模计算,分析了不同环境温度下储罐的温度场分布情况,研究了介质发生泄漏的异常工况下储罐的温度场情况.１㊀模型介绍外罐为预应力混凝土罐的低温储罐保温结构复杂,其保温结构主要由以下几部分组成:１)罐底保冷,由混凝土或珍珠岩混凝土圈梁㊁素混凝土层㊁泡沫玻璃砖及高强度泡沫玻璃砖等组成;２)热角保护,由泡沫玻璃砖和玻璃棉毡组成;３)罐壁保冷,由弹性毡和膨胀珍珠岩组成;４)吊顶保冷,主要结构为玻璃棉毡.图１所示为某预应力混凝土外罐的L N G 储罐结构,该储罐基础采用无伴热的架空承台形式.本文以该储罐为例进行参数化建模介绍和异常工况分析.㊀㊀金属内罐壁板与保冷结构(如泡沫玻璃砖弹性毡等)相比,厚度方向尺寸差别较大,在模型网格划分时,如果两者同时出现,网格质量难以保证.由于金属的导热系数较大,壁厚与保温结构相比较小,因此,热量通过金属壁板时,温度梯度较小,在对预应力混凝土罐进行整体温度场分析时,可以忽略金属壁板的厚度对热传导的影响,不必考虑金属壁板的模型.静设备㊀㊀㊀㊀石油化工设备技术,２０２０,４１(３)１ P e t r o ＧC h e m i c a l E q u i p m e n tT e c h n o l o g y图１㊀预应力混凝土罐结构示意㊀㊀外罐为预应力混凝土罐的L N G储罐保冷结构几何参数很多,对于本文分析的罐体,共整理出４８个几何尺寸参数.图２所示为罐底保冷部分参数.实际使用时,工程人员将各尺寸参数输入表中,然后将E x c e l表生成可以被A N S Y S软件读取的文本文件,以达到高效输入尺寸数据的目的.图２㊀罐底保冷几何参数示例㊀㊀对于储罐的温度场分析,由于几何模型和温度载荷都是轴对称的,所以本文选用二维热分析单元P L A N E５５.该单元具有４个节点,每个节点只有１个自由度,适用于稳态或瞬态热分析,也可以考虑由常速流动的质量所输送的热流.其单元几何图形如图３所示.对储罐进行网格划分.稳态热分析对于网格密度的要求较结构分析宽松,考虑本结构中不同保冷结构的尺寸差别较大,对于厚度方向小于２０m m的线,划分为１个单元,其余面按总体尺寸５０m m划分,保证每个单元的长宽比不大于５,以保证计算的合理性.本储罐网格模型见图４.图３㊀储罐温度场分析使用单元P L A N E５５２㊀整体温度场分析的多种工况计算预应力混凝土储罐温度场分布情况随环境平２石㊀油㊀化㊀工㊀设㊀备㊀技㊀术２０２０年㊀均气温不同而不同,因此,一年内不同季节,环境气温的变化及太阳热辐射强度变化,储罐的温度场也会随之发生改变.实际运行过程中,储罐可能出现介质泄漏的异常工况,包括轻微泄漏㊁中度泄漏和重度泄漏.图４㊀储罐网格模型㊀㊀其中,轻微泄漏为T C P 底部２m 范围内的液体泄漏量;中度泄漏为在T C P 和外罐连接点封板以上６m 的液体泄漏量;重度泄漏为内罐失效情况下,外罐承受全部罐内L N G 液体.采用参数化模型,可以方便工程技术人员对不同泄漏情况的温度场进行快速计算.下面对介质泄漏的异常工况进行温度场分析,了解储罐在异常工况出现时,罐体各部位的温度分布情况.在温度场分析之前,对热分析涉及的边界进行简要说明.本文模型热分析的边界条件涉及了传热的３种形式:传导㊁对流㊁辐射.１)热传导当１个物体内部或连续的物体之间存在温度梯度,能量就会由高温区向低温区转移,这样的传热方式称为热传导.傅立叶定律给出了热传导的计算公式,见式(１).q ＝k A ∂T∂x(１)式中:q热流量,W ;k 导热系数,W /(m ħ);A 传热面积,m ２;∂T∂x热流方向上的温度梯度,ħ/m .对于预应力混凝土罐的模型,同一种保冷结构内部的传热㊁不同保冷结构之间的传热都属于热传导.２)热对流对流传热采用牛顿冷却定律计算:Q ＝λA (T w －T ɕ)(２)式中:λ 对流传热系数,W /(m ２ ħ);T w 固体壁面温度,ħ;T ɕ 流体温度,ħ.储罐内部介质与内罐壁和内罐底之间的传热㊁外罐壁与环境中的空气之间的传热,都属于对流传热.３)热辐射辐射传热与前面两种传热方式不同.传导和对流都与介质有关,而辐射传热则是高温物体产生电磁波,向外发射能量而产生的传热.物体之间的辐射传热可以采用斯蒂藩Ｇ玻耳兹曼定律计算:q ＝ϵF θσA (T ４１－T ４２)(３)式中:ϵ辐射率;F θ 形状系数的函数;σ 斯蒂藩Ｇ玻耳兹曼常数,５．６７ˑ１０－８W /(m ２ K ４);T １㊁T ２发生辐射传热的两个物体的温度,K .吊顶保冷上表面与罐顶混凝土下表面的传热属于辐射传热.２．１㊀载荷边界条件说明进行温度场计算时,预应力混凝土外储罐的工况很多,而内罐罐内介质温度条件单一.罐体外部环境在不同季节㊁一天中不同时刻均不相同.通常,对于１台储罐,至少需要计算１２种工况,见表１.本文选择其中的工况１~工况４进行研究.表１㊀泄漏工况组合㊀㊀储罐共６项温度载荷边界,其中边界１是内３㊀第４１卷第３期万里平等．大型L N G 储罐整体温度场分析的参数化建模和计算部介质与内罐壁㊁内罐底的对流边界;边界２是介质液位以上区域,气相介质与内罐壁和吊顶底的对流边界;边界３是气相与吊顶上部和外罐顶的辐射边界;边界４~边界６是空气分别与外罐顶㊁外罐壁和外罐底对流传热的边界.６项边界所在位置见图５.㊀㊀工况１~工况４的温度场载荷边界示意见图６.从图６中可以看到,对应轻度泄漏㊁中度泄漏和重度泄漏,内外罐之间膨胀珍珠岩与浸没于介质的高度逐渐升高.这里需要说明,本文仅定性给出研究结果,实际工程中,随着环境温度㊁风速和操作工况的变化,对流边界条件也可能发生变化.本文的边界条件满足实际工程边界条件的合理范围.２．２㊀计算结果分析对工况１~工况４进行计算,得到各工况下储罐的温度场分布.下面对其进行对比分析.图５㊀储罐温度场分析边界条件示意㊀㊀首先看工况１,即年平均气温环境下,未发生泄漏的情况.图７中a)是储罐整体温度场分布云图,图b)是热角保护区温度场分布云图.图６㊀工况１~工况４的温度场载荷边界示意㊀㊀从图７中可以看出,罐体在正常无泄漏工况下运行时,保冷效果良好,最高温度位于罐顶,外罐壁温度与环境温度差异不大.热角保护处的结构可以有效保冷,外罐底温度接近环境温度.工况２~工况４是介质出现泄漏的异常工况,图８给出了这３种工况下热角保护区及泄漏部位附近的温度场分布云图.由图８可以看出,当发生轻微泄漏时,热角保护结构可以有效阻止冷量向外扩散,外壁温度仍接近环境温度;当发生中度泄漏时,泄漏部位的罐壁温度大幅降低,外罐壁外侧温度低于零度,若环境湿度达到一定数值,将出现结露现象;当发生完全泄漏场,整个外罐壁,除热角保护附近温度与环境温度接近,其余部位温度均大幅降低,低于零度.轻度泄漏时,由于有热角保护的保温结构,泄漏介质的汽化量变化相对小,泄漏液位上部的传热影响与中度和重度４石㊀油㊀化㊀工㊀设㊀备㊀技㊀术２０２０年㊀泄漏比,相对较小;但中度和重度泄漏时,泄漏介质在珍珠岩区域会大量汽化,对液位以上保冷层的传热影响非常大,这一过程传热计算非常复杂,后续可做深入研究.图７㊀工况１下的储罐温度场分布图８㊀工况２~工况４下的储罐温度场分布㊀㊀工程中出现完全泄漏工况概率极小,轻度泄漏和中度泄漏偶有发生,因此,需要重点关注这两种泄漏工况,尤其是中度泄漏的介质高度,以确定合理的热角保护高度,保证储罐的安全运行.３㊀结语在温度场计算过程中,通过对外罐为预应力混凝土的L N G 储罐进行参数化建模,计算了异常泄漏工况下储罐的温度场分布情况.对于泄漏工况,按照不同环境温度和泄漏程度,可以计算１２种工况.本文选择工况１~工况４进行计算.当发生轻微泄漏时,热角保护结构可以有效阻止冷量向外扩散;当发生中度泄漏时,外罐壁外侧温度低于零度,若环境湿度达到一定数值,将出现结露现象;当发生完全泄漏时,除热角保护附近温度与环境温度接近,其余部位温度均大幅降低,低于零度.对于中度和重度泄漏工况,泄漏介质在珍珠岩区域会大量汽化,对液位以上保冷层的传热影响非常大,这一过程的传热计算非常复杂,可进一步做深入研究.本文显示了参数化建模在储罐温度场计算中的便利性,文中所列工况仅是工程中可能发生的几种工况案例,而储罐实际运行过程中,泄漏程度都是随机出现的,参数化的模型和载荷边界输入,可以帮助工程人员迅速完成相关温度场计算,保证设计合理性,提高设计工作效率.参考文献:[１]㊀朱鸿梅,孙恒,刘宏伟．大型L N G 储罐角部绝热结构的温度场[J ]．油气储运,２０１１,３０(１):３７Ｇ４０．[２]㊀王明伍,喻九阳．L N G 储罐热角保护不同工况的温度场分析[J ]．管道技术与设备,２０１５,(２):６４Ｇ６６,８９．[３]㊀李海润,徐嘉爽,李兆慈．全容式L N G 储罐罐体温度场计算及分析[J ]．天然气与石油,２０１２,３０(４):１５Ｇ１９．５㊀第４１卷第３期万里平等．大型L N G 储罐整体温度场分析的参数化建模和计算P A R A M E T E R I Z E D M O D E L I N G A N D C A L C UＧL A T I O N O F T E M P E R A T U R E F I E L D A N A L YＧS I SO FL A R G EL N GS T O R A G ET A N K S[１] W a n L i p i n g,W u T o n g z h u,L i X i a o l i n(S I NＧO P E C E n g i n e e r i n g I n c o r p o r a t i o n,B e i j i n g,１００１０１)A b s t r a c t:B e i n g ak i n do f c l e a ne n e r g y,l i q u e f i e d n a t u r a l g a s(L N G)h a sb e e n w i d e l y u s e d．A s i m p o r t a n t s t o r a g e e q u i p m e n t,L N G s t o r a g e t a n k sa r eb e c o m i n g l a r g ei ns i z e,w h i c hi st h e d e v e l o p m e n tt r e n d o ft h e L N G i n d u s t r y．T h e i n s u l a t i o n s t r u c t u r e o f L N G s t o r a g e t a n k si s c o m p l i c a t e d,a n d t h e i n s u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t a n k t o p,t a n kw a l l a n dt a n kb o t t o ma r ed i f f e rＧe n t．T e m p e r a t u r ef i e l dc a l c u l a t i o ni sa ni m p o rＧt a n t p a r t o f t a n k d e s i g n．T h e p a r a m e t e r i z e d m o d e l i n g o f l a r g e L N G s t o r a g e t a n k w a s p e r f o r m e dt oa c h i e v e p a r a m e t e r i z e dl o a dc o n d iＧt i o n i n p u t,w h i c h c a n i m p r o v e t h e d e s i g n e f f i c i e n c y g r e a t l y．T h i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e m e t h o d f o r p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n g．B y a d o p t i n g t h i sm e t h o d,i t r e s e a r c h e d t h e t e m p e r a t u r e f i e l d a n d t h e e f f e c t o f c o l d i n s u l a t i o nu n d e r a b n o r m a l o p e r a t i o n c o n d i t i o n s o f L N G s t o r a g e t a n k s．P a r a m e t e r i z e dd e s i g n c a nn o t o n l y h e l p e n g i n e e r s i m p r o v e t h e c o l d i n s u l a t i o n s t r u c t u r e,b u t a l s o i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o f a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n．I t i s t h e t r e n do f t a n kd e s i g n i nt h e f u t u r e．K e y w o r d s:l i q u e f i e dn a t u r a l g a s(L N G);a n a l yＧs i so fo v e r a l lt e m p e r a t u r ef i e l d;p a r a m e t e r i z e d d e s i g n;m o d e l i n g;a b n o r m a l c o n d i t i o nS T U D YO N H E A TT R A N S F E R C H A R A C T E R I SＧT I CO FS T Y R E N ES T O R A G ET A N K S[６]L iM i n g,Z h a n g J i a n(S I N O P E C E n g i n e e r i n g I n c o r p o r a t i o n,B e i j i n g,１００１０１)A b s t r a c t:T h r o u g he s t a b l i s h i n g a m a t h e m a t i c a l m o d e l f o r c a l c u l a t i n g t h e h e a t t r a n s f e r o f s t y r e n e s t o r a g e t a n k a n d t a k i n g t h e h e a t t r a n s f e r c a l c u l aＧt i o no ft a n ks h e l l,t a n kr o o fa n dt a n kb o t t o m i n t o a c c o u n t,t h i s p a p e r a n a l y z e d t h e h e a t t r a n sＧf e rc h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n t p a r t so ft h et a n k a n d p r e s e n t e dt h e m e t h o d sf o rc a l c u l a t i n g h e a t t r a n s f e ro fd i f f e r e n t d i r e c t i o n s．I ts t u d i e dt h e h e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c o fs t y r e n e s t o r a g e t a n k u n d e r d i f f e r e n t w o r k i n g c o n d i t i o n s．T h e r e s e a r c h r e s u l t s h a v e c e r t a i n g u i d i n g s i g n i f i c a n c e f o r c o l d i n s u l a t i o n d e s i g n o f s t y r e n e s t o r a g e t a n k s i n p r a c t i c a l p r o j e c t s．K e y w o r d s:s t y r e n es t o r a g et a n k;m a t h e m a t i c a l m o d e l;h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i cO P T I M I Z A T I O N O F S U P P O R T S A R R A N G EＧM E N T O F H O R I Z O N T A L V E S S E L B A S E D O N A N S Y S[１２]Z h o uY o n g c h u n(S I N O P E CS h a n g h a iE n g i n e e rＧi n g C o．,L t d．,S h a n g h a i,２００１２０)A b s t r a c t:T h i s p a p e r s t u d i e d t h e l o c a t i o nd i m e nＧs i o n A o f t h e s a d d l e s u p p o r t s o f h o r i z o n t a l v e s s e l．B y u s i n g f i n i t e e l e m e n t m e t h o d,t h e a x i a l s t r e s s,t a n g e n t i a l s h e a r s t r e s sa n dc i r c u mＧf e r e n t i a l s t r e s s o f s p e c i f i c s e c t i o n sw e r e c a l c u l a tＧe d u n d e rd i f f e r e n t A v a l u e s．A c c o r d i n g t ot h e c a l c u l a t i o nr e s u l t s,t h es t r e s sc h a n g e s w i t h A v a l u e s w e r e a n a l y z e d．T h e n t h e m e t h o d o f a d j u s t i n g A v a l u e st or e d u c et h es t r e s si nt h e s p e c i f i e dr a n g e w a ss u mm a r i z e d．T h i s p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r s u p p o r t s l o c a t i n g o f h o r i z o n t a l v e s s e l s．K e y w o r d s:h o r i z o n t a l v e s s e l;s a d d l e;f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s;l o c a t i o nd i m e n s i o n;s t r e s sA B S T R A C T S P E T R OＧC H E M I C A LE Q U I P M E N T T E C H N O L O G YS t a r t e dP u b l i c a t i o n i n１９８０．B i m o n t h l y．M a y．２０２０V o l．４１N o．３ Ⅲ。

大型LNG储罐漏热分析及模拟研究

Master’s Thesis图书分类号：TE8学校代码： 10615论文题目大型L N G 储罐漏热分析及模拟研究研究生姓名朱学熹导师姓名梁光川学科专业油气储运工程研究方向油气集输工艺理论与技术西南石油大学研究生学位论文知识产权声明书及学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西南石油大学。

学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。

本人允许论文被查阅和借阅。

学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西南石油大学。

本学位论文属于1、保密（），在年解密后适用本授权书。

2、不保密（）（请在以上相应括号内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日西南石油大学研究生学位论文独创性声明本人声明：所呈交的研究生学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含其他人为获得西南石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：年月日摘要液化天然气（LNG）储罐是液化天然气运输和储存必不可少的储气容器，近年来LNG 储罐的研制在向大容量方向发展。

大型的LNG储罐是在常压低温（-162℃）下对天然气进行储存，由于储存时的温度特别低，因而对储罐的保温性能要求就特别高。

当储罐因保温性能不达标而出现漏热时，会造成储罐内LNG的大量浪费，甚至会造成严重的安全事故。

因而对储罐进行保温性能研究，找出其主要漏热源，为储罐的安全储存提供操作意见就显得特别重要。

本文介绍了各类常见的LNG储罐结构和热量泄漏方式，从传热学理论分析入手，研究了储罐的热量泄露方式，在理论上分析了储罐的传热机理，推导出了各类常见的储罐的罐顶、罐壁、罐底的漏热计算模型，并依据这些计算模型对广东珠海的某实际容量为16×104m3的LNG储罐的漏热量进行分析计算，通过对计算结果进行分析，得出了储罐罐底的漏热量占储罐总漏热量的50%这一结论。

液化天然气(LNG)储罐风险分析及事故处置对策

液化天然气（LNG）储罐风险分析及事故处置对策摘要：天然气已在全世界广泛推广使用，使用中可能发生泄漏、窒息、低温、受热蒸发、火灾与爆炸事故，极易造成人员伤亡。

为有效防范事故发生和处置事故，作者对液化天然气（LNG）储罐安全风险进行分析，提出科学、专业、系统的处置对策，为消防工作的开展提供了运筹帷幄的基础，为在LNG储罐事故中灵活运用战术，科学处置奠定了可靠的知识基础。

关键词：LNG储罐风险分析对策1.风险分析1.1泄漏。

LNG储罐根据发生泄漏的位置可分为三种类型：管道泄漏、罐体泄漏和附件泄漏。

LNG具有超低温的深冷特性，在低温条件下，储罐金属部件因为与环境温度差较大，出现明显的收缩现象，储罐各附件的连接部位，尤其是焊缝、阀门、法兰管件、密封处以及管路的连接处，都是容易发生泄露的地方。

而受外力破坏，管道、罐体也容易发生泄漏。

LNG 储罐发生泄漏分析如图1所示：图1 LNG储罐发生泄漏分析1.2窒息。

LNG蒸气虽然无毒无味，但其与空气混合扩散后，空气中氧气浓度降低。

当空气中氧含量非常低时，容易导致人员窒息。

若环境中甲烷含量高于9%（体积分数），人的眼部、前额会出现明显的压迫感。

当甲烷含量超过40%时，将会出现缺氧性窒息。

通常情况下，窒息过程的四个阶段如图2所示：可能生理反应窒息过程体积分数（氧气）第一阶段14%-21%脉搏频率增加，肌肉出现跳动，呼吸不畅第二阶段10%-14%迅速出现疲劳，判断不准，疼痛知觉不灵第三阶段6%-10%有恶心，呕吐症状，造成脑部永久性伤害第四阶段<6%出现肌肉痉挛，呼吸停止，导致死亡图2窒息过程分析1.3低温。

LNG蒸发汽化潜热非常高，为509.33kJ/㎏。

泄漏的LNG液体与周围环境的温差极大，可迅速从周围环境中吸收大量热量，对周围造成低温破坏，周围环境温度急剧下降。

泄漏现场，LNG液体、低温管线及设备等出现低温表面，人与现场的设备都需要有效防护。

没有充分保护措施的人员，会有低温麻醉的危险，出现体温下降，会造成严重冻伤，智力活动和生理功能下降，心脏功能可能会衰竭，体温持续下降导致死亡。

LNG气瓶传热性能的实验研究及分析

LNG气瓶传热性能的实验研究及分析摘要：LNG气瓶根据特种设备安全法以及其他有关规定，必须定期对其进行检验。

其是一种储存可燃性与危险性高的化学品的压力容器，LNG气瓶的绝热性与安全性要有高效可靠的使用保证，对其进行各部位的漏热量、无损储存的压力、绝热结构的研究有非常实用的的价值与意义。

关键词：LNG气瓶；传热性能；实验研究；分析引言：LNG是液化天然气（Liquefied Natural Gas）的缩写，是一种高效的清洁能源。

燃烧后二氧化碳的排放比石油少百分之二十五，现在国家对环境保护的力度增强，液化天然气作为重要能源在各行各业以及人们的生活中变得更普及。

液化天然气最大的优点是体积，只是同量气态天然气的六百二十五分之一，方便了天然气在储存于运输方面的缺陷，尤其在冬季用气高峰期的时候，可以将先前储存好备用的液化天然气用于调峰以及部分地区的储存供气。

在运输方面无论是装在储运的卡车还是通过大型船只的运输都很方便。

其易燃易爆的特殊性对其储运的特种容器，就要有较高的要求。

一旦发生泄漏或爆炸，有可能发生火灾，会对我国的经济发展以及人民的生命财产带来损失，还会对社会的安全方面造成不利影响。

加强对液化天然气容器的实验检验有着重要的意义。

1 LNG气瓶实验研究的意义近十几年来的我国空气质量污染严重，2013年我国空气污染值达到了顶峰。

空气质量问题已经成为了环境保护的重要问题，人们对于空气污染带来的危害也日益关心。

雾霾天气对人的呼吸系统会产生不良影响这是肯定的，长期接触，并在肺内积聚，必然会对肺造成损害，降低呼吸系统的防御功能。

其中，包括长期刺激至慢性炎症改变、肺泡上皮化生导致癌变等。

在这一大环境下，加速推广和发展天然气汽车为代表的新能源汽车势在必行。

当前已经投入应用的天然气汽车按照天然气使用形态的不同可分为压缩天然气（CNG）汽车与液化天然气（LNG）汽车。

液化天然气汽车比压缩天然气汽车具有甲烷含量高燃烧更清洁、车用瓶布置更简单也安全、车辆续航里程长燃料加注时间短、加气站运营成本低的等优势，已经成为天然气汽车的主要形式。

大型LNG储罐安全性分析与控制的措施

大型LNG储罐安全性分析与控制的措施摘要：由于LNG具有热值大、性能高等特点，因此越来越多LNG通过储罐的形式投入到各大生产活动之中。

大型的储罐来进行储藏LNG，属于一个重大的危险源，一旦在运输过程中发生事故，将造成严重的环境污染以及人员伤亡等难以弥补的后果。

因此对于大型LNG储罐设备进行风险评估以及安全性的分析和控制十分重要，可以在源头上减少事故的发生率。

本文主要介绍LNG储罐的发展背景和安全性问题分析，通过分析大型LNG储罐设备存在的风险来进行探讨，并提出相关的安全控制措施。

关键词：大型LNG储罐；安全性分析；控制措施引言：天然气是油气田挖掘出来的一种可燃气体，在后期低温处理之后，液化为液体，形成LNG，液化处理起到了方便运输的效果，而且LNG无色、无味、无毒、无腐蚀性，因此是一种较为环保型的资源，为生产起到了清洁、高效的效果。

由于LNG能够有助于能源消费国来实现能源供应的多元化，有效保障能源供应问题，因此天然气资源在众多国家的生产生活中都起到了至关重要的作用，天然气主要以LNG的形式运输，可以保证运输过程中的安全性。

一、LNG的发展背景近些年在国家能源结构优化产业升级，以及环境治理工作的推动作用下，LNG作为较为清洁、高效的能源，迅速占领了国家能源消费市场。

为了满足我国各行各业对LNG的需求，我国相继在上海、广东、福建、江苏、山东等地方建立了LNG接收站，但是由于LNG具有易燃易爆的性质，所以LNG储罐作为LNG储存的主要设备也成为在生产以及运输过程中的重大危险源。

在LNG的发展历史上发生过很多事故，虽然由于LNG储罐原因引起的事故相对较少，但这种事故一旦发生，尤其是储罐爆炸的发生，将会造成巨大的人员伤亡和经济损失。

例如，美国俄亥俄州克利夫兰市储罐事故，是1944年10月20号下午2:30，当地的LNG调峰站工程，LNG储罐突然爆裂，溢出1,200,000加仑的液态天然气引发爆炸，伤亡涉及14个街区，财产损失巨大，同时造成136人丧生。

高压低温换热贮罐换热性能仿真计算

２０２０年第３期　总第２３５期低　温　工　程ＣＲＹＯＧＥＮＩＣＳＮｏ３　２０２０Ｓｕｍ　Ｎｏ２３５高压低温换热贮罐换热性能仿真计算吕秉坤１，２，３　谢世永１，２，３　徐　冬１，２　张立强４　雒宝莹４王细波４　赵春宇４　梁景媛４　李来风１，２，３（１中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室　北京　１００１９０）（２航天低温推进剂技术国家重点实验室　北京　１００１９０）（３中国科学院大学　北京１０００４９）（４北京宇航系统工程研究所　北京　１０００７６）摘　要：设计了一种高压低温换热贮罐，配合斯特林制冷机可用于获取和贮存２０Ｋ＠３５ＭＰａ冷氦气，在无液氢的情况下具备液氢温区试验能力，以满足液体火箭冷氦增压系统实验的气源要求。

对该贮罐进行了漏热分析，得到贮罐漏热量。

采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ和Ｍａｔｌａｂ对预冷过程和换热过程进行仿真计算与分析，得到预冷时间和换热时间分别为３小时和４７小时。

关键词：液氢温区　冷氦增压　漏热　仿真计算中图分类号：ＴＢ６５７文献标识码：Ａ文章编号：１０００６５１６（２０２０）０３００２４０７收稿日期：２０２００３１０；修订日期：２０２００４２８作者简介：吕秉坤，男，２７岁，博士研究生。

通讯作者：徐　冬，女，３７岁，副研究员。

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋＬｙｕＢｉｎｇｋｕｎ１，２，３　ＸｉｅＳｈｉｙｏｎｇ１，２，３　ＸｕＤｏｎｇ１，２Ｚｈａｎｇｌｉｑｉａｎｇ４　ＬｕｏＢａｏｙｉｎｇ４ＷａｎｇＸｉｂｏ４　ＺｈａｏＣｈｕｎｙｕ４　ＬｉａｎｇＪｉｎｇｙｕａｎ４　ＬｉＬａｉｆｅｎｇ１，２，３（１ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｒｙｏｇｅｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９０，Ｃｈｉｎａ）（２ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎＳｐａｃｅＣｒｙｏｇｅｎｉｃＰｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９０，Ｃｈｉｎａ）（３ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ）（４ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｏｂｔａｉｎａｎｄｓｔｏｒｅ２０Ｋ＠３５ＭＰａｃｏｌｄｈｅｌｉｕｍｇａｓｃｏｕｐｌｉｎｇｗｉｔｈＳｔｉｒｌｉｎｇｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ．Ｉｔｈａｓｌｉｑｕｉｄｈｙｄｒｏｇｅｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｅｓｔｃａｐａｂｉｌｉｔｙｗｉｔｈｏｕｔｕｓｉｎｇｌｉｑｕｉｄｈｙｄｒｏｇｅｎ，ｓｏａｓｔｏｍｅｅｔｔｈｅｇａｓｓｏｕｒｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｃｏｌｄｈｅｌｉｕｍｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｆｏｒｒｏｃｋｅｔ．Ｔｈｅｈｅａｔｌｅａｋａｇｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｔａｎｋｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．ＳｏｌｉｄｗｏｒｋｓａｎｄＭａｔｌａｂｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｐｒｅｃｏｏｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｐｒｏｃｏｏｌｉｎｇａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｔｉｍｅａｒｅｆｏｕｎｄｔｏｂｅ３ｈｏｕｒｓａｎｄ４７ｈｏｕｒｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｉｑｕｉｄｈｙｄｒｏｇｅｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｃｏｌｄｈｅｌｉｕｍｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎ；ｈｅａｔｌｅａｋａｇｅ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ第３期高压低温换热贮罐换热性能仿真计算１　引　言长征五号遥三运载火箭成功发射，意味着中国具备发射更重的航天器，或将航天器送向更远的深空的能力，是实现未来探月工程三期、首次火星探测任务、载人航天等国家重大科技专项和重大工程的重要基础和前提保障。

LNG储罐低温氮气预冷数值模拟

LNG储罐低温氮气预冷数值模拟朱建华【摘要】为了提高对LNG储罐在超低温作用下温度场的性能特征的认识,对LNG 储罐气相预冷进行数值模拟研究.基于Fluent软件k-ε模型分析低温氮气在5 m3储罐中的预冷情况,对不同进口流速下的温度场进行了计算与分析,进而得到低温氮气预冷完成所需的最佳流速及预冷时间.结果表明,为保证规范设计要求,低温氮气储罐预冷中,流体温降速率不应超过5 K/h,需适当增加进口流速,当预冷达到165 K时,入口流速约为25 m/s.%In order to improve the understanding of the temperature field of LNG storage tanks in ul-tralow temperature,the study of numerical stimulation of gas plase pre-cooling in LNG storage tanks is conducted. The k-ε model in the Fluent software is used to analyze pre-cooling situation of cryo-genic nitrogen inside the 5 m3 storage tank, to calculate and analyze temperature field under condition of different inlet flow velocity,and then the optimum flow velocity and pre-cooling time for complet-ing pre-cooling can be obtained.The result indicates that fluid temperature drop rate shall not be more than 5K/h during the process of cryogenic nitrogen pre-cooling of storage tanks in order to meet re-quirements of standard and design, inlet flow velocity shall be appropriately increased, and inlet flow velocity is about 25m/s when pre-cooling temperature reaches 165K.【期刊名称】《油气田地面工程》【年(卷),期】2017(036)006【总页数】4页(P43-46)【关键词】LNG储罐;低温氮气;数值模拟【作者】朱建华【作者单位】上海中油白鹤石油燃气有限公司【正文语种】中文随着世界能源需求的不断增长，环境保护问题日益严峻，因而对LNG的需求量也在不断增加[1]。

LNG低温储罐结构图及其减压增压原理图

LNG低温‎储罐结构图‎及其减压增‎压原理图
低温储罐为‎双层结构，内胆储存低‎温液体，承受介质的‎压力和低温‎，内胆的材料‎采用耐低温‎合金钢(0Crl8‎N i9)；外壳为内胆‎的保护层，与内胆之间‎保持一定间‎距，形成绝热空‎间，承受内胆和‎介质的重力‎荷载以及绝‎热层的真空‎负压。

外壳不接触‎低温，采用容器钢‎制作。

绝热层大多‎填充珠光砂‎，抽高真空。

低温储罐蒸‎发率一般低‎于0.2%。

二. LNG低温储罐的‎减压增压原‎理图
低温储罐的‎出液以储罐‎的自压为动‎力。

液体送出后‎，液位下降，气相空间增‎大，导致罐内压‎力下降。

因此，必须不断向‎罐内补充气‎体，维持罐内压‎力不变，才能满足工‎艺要求。

如图2所示‎，在储罐的下‎面设有一个‎增压气化器‎和一个增压‎阀。

增压气化器‎是空温式气‎化器，它的安装高‎度要低于储‎罐的最低液‎位。

增压阀与减‎压阀的动作‎相反，当阀的出口‎压力低于设‎定值时打开‎，而压力回升‎到设定值以‎上时关闭。

增压过程如‎下：当罐内压力‎低于增压阀‎的设定值时‎，增压阀打开‎，罐内液体靠‎液位差缓流‎入增压气化‎器，液体气化产‎生的气体流‎经增压阀和‎气相管补充‎到储罐内。

气体的不断‎补充使得罐‎内压力回升‎，当压力回升‎到增压阀设‎定值以上时‎，增压阀关闭‎。

这时，增压气化器‎内的压力会‎阻止液体继‎续流入，增压过程结‎束。

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材料名玻璃纤维毯膨胀珍珠岩泡沫玻璃砖预应力混凝土
表 1 LNG 储罐绝热材料热物理参数
密度/kg/m3 导热系数/W/(mK) 比热容/J/(kgK)
16
0.03838
792
760
0.0391
753.74
2180
0.05592
837.49
2500
2.326
837.21

1 引言 LNG 储罐主要用于 LNG 液化工厂或者接收终端来贮存液化天然气[1]，与常规石化储罐相
比，LNG 储罐内的工质贮存温度可达-165℃，为了保证其正常工作，LNG 储罐必须要配置良好的绝热系统。EN14620[2]中规定“LNG 储罐的绝热并非贮存系统的辅助部分，而是必备的构件，储罐在没有合理的设计、安装及维护的绝热系统时不能投入运行”。LNG 在存储过程中会因罐体的热损失而蒸发，根据对 BOG 气体的处理工艺要求，要通过绝热系统控制其蒸发率在一定范围内，一般大型 LNG 储罐的日蒸发率在 0.05%左右。LNG 储罐的许多结构部件，如混凝土外罐内衬等某些钢制构要避免低温的影响，同时罐体外部要防止温度过低而使得水蒸气结露或结冰，同时罐底的低温会引起土壤的冻胀，破坏储罐的基础，所有这些都对 LNG 储罐的绝热设计提出了较高的要求。
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图 2 16 万方全容罐几何尺寸
图 3 有限元模型网格划分
2.2 计算模型及边界条件按照文献[5]简化后的无内热源二维稳态导热直角坐标系下的控制微分方程为：
(λ T ) (λ T ) 0 x x y y
经过有限元计算所得的整个罐体的总热损失为 200kW，由此可求出日蒸发率为 0.044%，满足 LNG 大型低温储罐的日蒸发率要求。
整个罐体的温度分布情况见图 1 中 a)。由图可见，储罐的外罐壁温度均维持在 30℃以上，因此可以避免外部的结露或结冰。罐壁、罐顶和罐底的大部分温度分布基本均匀，但在罐底边角和罐顶边角处的温度变化却不规则，见图 b)、c）由于这些部位存在不同的绝热材料和其他结构件，因此要对这些位置进行特别的考察，从而补充理论计算的结果，为设计提供支持。
常数，Ti 为表面 i 的绝对温度。
边界条件做如下设定：当地罐外空气露点温度为 28℃，罐外对流换热的室外空气温度分别考虑在太阳辐射作用下的罐壁、罐顶和罐底的日平均等效环境温度；表面传热系数按照文献[5]中的实验公式进行计算。吊顶的玻璃纤维毯和罐顶内衬及珍珠岩之间为辐射换热；内罐外表面始终保持在-165℃；罐体轴线处为绝热边界条件。
LNG 储罐从结构上可分为单容罐、双容罐、全容罐和薄膜罐，不同类型的 LNG 储罐的绝热系统各有区别，其中 LNG 全容罐有两层流体承载层，在内罐泄漏时能保证密封性，因此具有占地面积小，可靠性和安全性高的优势，在世界范围内得到了广泛的应用，图 1 是 LNG 全容罐的一种结构形式。LNG 储罐的绝热设计一般按照正常操作下的当地夏季最不利工况进行设计，通过控制热损失以满足工艺对日蒸发率的要求，但由于 LNG 储罐对绝热的特殊要求，设计完成时有必要对整个罐体的传热特性进行分析， EN14620[3]中也规定用有限元（FEM）计算以提供绝热设计的补充资料。本文即根据此要求对 LNG 全容罐进行了稳态传热模拟，并通过计算结果对储罐的结构和绝热系统进行了分析。
（1）
辐射换热公式按照 ANSYS 帮助文档中给出：
N
i 1

δ ji εi

Fji
1
εi
εi

1 Ai
Qi

N i 1
δ ji
Fji
ζTi 4
（2）
式中，T 为温度；λ 为导热系数；N 为辐射表面的数量， δ ji 为 Kronecker 数， εi 为有
效的表面发射率，Fji 为辐射角系数，Ai 为表面积，Qi 为表面热损失，ζ 为 Stefan-Boltzmann
2 模型及计算方法 2.1 储罐的几何模型
以容积为 160000m3 的 LNG 全容罐作为研究对象，罐体的结构和具体尺寸见图 2。罐壁采用膨胀珍珠岩绝热，罐底采用泡沫玻璃砖绝热，罐顶采用玻璃纤维毯绝热。绝热材料的热物理特性取自文献[4],见表 1。文中分别考察罐壁及罐壁底部边角的径向，轴线处罐顶及罐顶边角的高度方向，轴线处罐底及罐底边角的高度方向的传热情况。
利用有限元计算软件 ANSYS 10.0 按照图 2 几何尺寸建立二维模型进行网格划分[6]，得到单元总数为 36603，节点总数为 114086，划分完成的局部有限元网格见图 3。

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3 计算结果 3.1 罐体

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1 主容器 3 底部绝热 4 基础 5 基础加热系统 6 弹性密封垫 7 悬浮吊顶 10 混凝土罐顶 11 预应力混凝土外罐 12 预应力混凝土外罐的内部绝热
图 1 LNG 全容罐结构[2]
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LNG 大型低温储稳态传热模拟与分析
海洋石油工程股份有限公司天津 300451 魏会东周美珍张艳春苏娟
摘要：基于 LNG 大型低温储罐的结构及绝热设计的特殊要求，利用有限元方法分析了储罐的传热特性，计算了总的热损失从而得到日蒸发率，并校核了外罐的外壁面温度是否满足不结露/结冰的要求，同时得到了罐壁、罐顶和罐底的温度场，指出了边角部位的传热特性。关键词：LNG 储罐绝热传热特性有限元
a）
b)
c) 图 4 LNG 储罐温度分布

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4 4
温度/℃ 温度/℃
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3.2 罐壁
50 0
-50 -100 -150 -200
39.9 40.2 40.5 40.8 41.1 41.4 41.7