LNG大型低温储罐稳态传热模拟与分析
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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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Tel:800 -820-0949
3 3
2010 年度优秀科技论文评选活动入围作品
3 计算结果 3.1 罐体
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
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
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a）
b)
Biblioteka Baiduc) 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
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。
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2 2
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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
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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 大型低温储罐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
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。
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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3 计算结果 3.1 罐体
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
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
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b)
Biblioteka Baiduc) 图 4 LNG 储罐温度分布
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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
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。
Tel:800 -820-0949
2 2
2010 年度优秀科技论文评选活动入围作品
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
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1 1
2010 年度优秀科技论文评选活动入围作品
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]
2010 年度优秀科技论文评选活动入围作品
LNG 大型低温储罐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
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。
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。