陈锐莹，陈 峰，姜夏雪，张 晨，安东雨

(中海石油气电集团，北京 100028)

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30 d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1 h进行液位数据记录。测试时间一般持续24～96 h，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：

V理=Vtank初BORn
V实=Vtank初-Vtank终

式中，V理为进行日蒸发率设计时储罐的理论BOG蒸发体积，Vtank初为日蒸发率测试开始时储罐内LNG体积，V实为日蒸发率测试时储罐的实际BOG蒸发体积，Vtank终为日蒸发率测试结束时储罐内LNG体积，m3；BOR为储罐BOG日蒸发率，%；n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。

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。

Q理=VtankρCH4ΔHCH4BORn
Q实=(Vtank初-Vtank终)ρLNGΔHLNG

式中，Q理为进行日蒸发率设计时储罐理论漏热量，Q实为进行日蒸发率测试时储罐实际漏热量，kJ；Vtank为进行日蒸发率设计时储罐内LNG体积，m3；ρLNG为储罐内LNG密度，ρCH4为甲烷密度，取ρCH4=420.2 kg/m3；ΔHLNG为储罐内LNG气化潜热，ΔHCH4为储甲烷气化潜热，取ΔHCH4=512.4 kJ/kg。

若现场可以对LNG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Edge Sizing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Sweep Bias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160 000 m3，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：

式中，mBOG为BOG总生成质量，mLNG为储罐中LNG的质量，kg；n为测试时间，d。

按照静置时间为3 d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3 kg/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0.086 25%，远高于该储罐BOG日蒸发率的实际测量值0.030 9%。

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100 000 s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270 000 s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0.031 68%，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0.1 m/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。