刘林法

摘 要：液化天然气指的是天然气再受到低温后变成液化状态的一种物质。液态气会比原来缩小很大一部分，更加有利于实现储存和运输。LNG储罐是天然气液化后的一种常用储存工具，也逐步成为LNG接收的重要装置。实际的研究也是从LNG储罐作为主体展开的，通过使用有限的单元法剖析在主储罐发生泄漏时外罐壁的传热特性。

关键词：有限单元法;主储罐;泄漏;外罐壁;传递热;热保护角

1 基本概述

就天然气本身来说，它是一种极其不稳定的材料，在受到外界因素影响时容易产生燃烧与爆炸。所以它的储存条件就比较特殊，一般来说需要存放在温度较低的装置当中，液态燃气需要始终保持在零下温度，所以需要高要求高质量的储存罐。针对泄漏时随时间变化壁罐温度产生改变的现象，结合热保护边角配置情况分析热的传递，详细总结泄漏产生后，壁罐结构内部温度分布情况以及热量流动情况。

LNG储罐分为多种，有单容罐、双容罐及全容罐。目前在国内主要运用的是全容罐，主要是通过结合主储罐与次储罐形成一个整体的储罐。适应低温材质制作的主储罐能够发挥合理的液态储存作用，次储罐能够帮助吸收工质蒸汽，突然发生泄漏情况时还能帮助蒸汽密封。LNG储存罐在过量充注、发生罐体破损或者地质灾害时，内部储存的低温液体会流至环形空腔当中，期间会与罐的底部和罐壁发生触碰。由于罐底存有特制的隔热层，所以即使发生泄漏，罐底的隔热结构设计也能够发挥作用。而后，泄漏的低温液体就会全部作用于罐壁上。针对这一现象，如果要做到外罐壁的合理保护，就必须采取一些必要的解决措施。一方面，在轻微泄漏阶段，可以在罐下部设置保护边角装备。另一方面，当出现大面积的泄漏情况时，气体会漫过热边角保护材料，必须结合罐体的热传递路线与热流分布情况做好罐体使用的安全性考察工作，并结合有效的泄露处理手段。

2 模型及计算方法

2.1 罐的几何尺寸

LNG全容罐的净液体储量为16万m3，高度约36m，主储罐的半径为40m，内部环状的空腔结构宽度为1m。主储罐的外侧到外罐壁的内侧采用基本常见的隔绝热量的材料，比如玻璃纤维或者是膨胀型珍珠岩，以及保护边角等材料，外罐壁为预应力混凝土。在具体制作过程中要保证罐壁使用的材料符合相关的数据要求，要求相关的材料具有热物理参数指标。

2.2 计算模型及验證

按照相关学者推出的简化控制微分方程，详细计算在没有内部热源的基础上，不稳定的三维导热圆柱坐标系当中的相关数值。并结合边界条件得出以下几种假设：当正常操作和出现泄漏现象时，内容器的表面温度保持在-160℃左右。当液化气体从主储罐内部泄漏后，则把热保护边角内壁与外壁所保有的温度下降到-160℃左右。使外部的壁体与外部环境保持对流边界条件，外部环境温度保持在30℃左右，并保持基本的对流传热系数。具体的绝缘边界条件还要依据罐体及周边表面与实际高度向外延伸的表面作具体的参考。

另外，利用有限元计算方法，可以将根据罐体导热情况制作的立体模型进行网格状的划分。通过阶段形成单个的单元与节点，并针对不同的单元与节点做具体的分析，形成有限元组成的新模型。具体的计算过程会在正常操作的情况下，根据边界条件发展情况进行稳态计算，并整合相关数据结果。设置具体的节点参考温度，进行瞬时状态的数值计算，一般会把节点的温度设为30℃。

3 泄漏情况下的外罐壁传热特性分析

3.1 泄露发生后传热特性

在泄漏发生后，流出的液化天然气会随着时间推进而蔓延到不同的位置，从而引起罐体不同半径处的温度变化。简单来说，温度每降低1℃，低温液体将会逐步由内壁向外壁逐步推进，并随时间的延长而更加接近外部壁体。

3.2 泄露发展后的传热特性

随着泄漏阶段的进一步推进，在罐体高度大约15m处，壁体各节点的热量，温度开始出现下降。最明显的是在大约4h之后，罐体的外壁大约会下降1℃，8h之后将会下降6℃左右，16h之后将会下降17℃，在大约两天半的时间后，将会下降28℃。这些数据表明整个罐体外壁的温度剖析，温度变化曲线逐步向线性发展过渡，在不同部位的节点具有统一的下降变化程度。

3.3 热保护边角对于泄露后传热特性的影响

针对罐的顶部来说，要想达到稳定的温度状态，需要大概两天半的时间，而传热稳定时的温度状态大约维持在-80℃。而顶部到有热保护边角上部的那一部分壁面温度的变化不大，达到稳定状态所需要的时间大概为90h，此时的温度大概为-65℃。在受到热边角料保护的高度范围内，传递热量所需要花费的时间以及达到稳定状态后的温度都有一定程度上的提升。

4 结束语

通过有限元分析方法得出LNG全容罐的外罐壁在正常使用过程中的稳定热流与热传导，以及在泄露情况下的瞬时传热现象。通过分析总结得出受储存罐高度的影响，泄漏发生后会经过一定时间才能够实现热的传导。在储存罐壁稳定传热时，热保护边角能够发挥很强的保护作用。

参考文献：

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[2]李扬.LNG储罐分层翻滚数值分析[D].西安：西安石油大学，2017.

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