大型LNG储罐温度场数值模拟

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温度作为大型LNG储罐运行管理过程中至关重要的参数是探究LNG物性状态变化与储罐主要漏热方式的坚实基础,而数值模拟作为21世纪主流实验方法可为研究大型LNG储罐结构温度分布及内部受热流动规律提供科学手段。研究储罐内LNG状态参数变化及储罐与外界的主要传热方式,探究储罐各部位保冷层温度分布及热通量大小乃至整个流体域受温度影响的变化规律已成为LNG储罐大型化建设管理中的首要工作任务。结合相关实验资料,首先通过化工过程仿真软件DWSIM分析评价PR、LKP、GERG_2008状态方程在液体密度、气体密度、焓差、比热容及相平衡过程中的精度,优选GERG_2008模型(综合平均相对误差约为2.10%)对典型轻重组分LNG及其混合后汽液相的基础热力学参数进行预测对比。其次使用不同的数学计算方法,考虑16万m~3全容式LNG储罐的热传导、热对流与热辐射三种传热方式,通过计算不同外界温度(273-333K)下罐顶,罐壁与罐底漏热量进行校验,研究发现等效壁厚法可满足计算准确度的需求,储罐在三个部位的主要漏热方式均可简化考虑为热传导。接着采用有限元软件ADINA对16万m~3LNG储罐的不同漏热部位进行结构温度场数值模拟,由不同温度边界下储罐保冷层的温度分布及热流密度可知,罐顶、罐壁与罐底的主要保冷材料分别为玻璃纤维层、弹性毡与膨胀珍珠岩、泡沫玻璃砖,罐顶、罐壁与罐底的热通量占比分别约为18%、25%与57%。最后利用有限体积法软件FLUENT建立16万m~3LNG储罐内部汽液两相流、湍流与蒸发模型,综合考虑潜热与静压的影响,结果表明,在漏热作用下,汽相达到饱和温度后维持稳定值约为112.1K,液相底部温度虽有上升但总体温度仍维持最初的110.35K。液相空间的密度变化致使流体域中重力与浮力之间的平衡被打破,进而建立起因自然对流而导致的内部循环。研究结果在精确描述储罐内LNG状态及其热力学参数变化的同时也为确定储罐主要漏热方式奠定一定的基础。温度场的数值模拟在为16万m~3全容式LNG储罐结构保冷层优化设计提供科学依据的同时也揭示了漏热边界下储罐内部流体受温度影响的变化规律。研究对于LNG储罐的安全操作、高效运行,能源的调度管理、充分利用,环境的生态保护、低碳减排等具有非常重要的指导意义。
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