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(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

LNG在儲運(yùn)過程中，由于其低溫特性和保溫層隔熱性能的局限性，會產(chǎn)生漏熱而引起內(nèi)部系統(tǒng)溫度升高、壓力增大，須開啟閥件釋放部分蒸氣，這不僅提高了營運(yùn)成本，也帶來了安全隱患。以往對LNG儲運(yùn)和蒸發(fā)問題的研究主要有以下幾方面進(jìn)展：①對LNG液罐或液貨艙進(jìn)行了靜態(tài)的溫度場分析，通過計算漏熱量間接預(yù)報蒸發(fā)參數(shù)[1-5]；②使用有限元、CFD等方法，在一定簡化的基礎(chǔ)上探究了影響LNG蒸發(fā)率的因素，分析壓力、裝載量對蒸發(fā)的影響[6-8]；③在靜態(tài)模擬的基礎(chǔ)上考慮晃蕩，實(shí)現(xiàn)LNG在運(yùn)動狀態(tài)下的蒸發(fā)模擬，對LNG的分層、翻滾也以云圖的形式進(jìn)行闡釋，預(yù)測復(fù)雜工況下LNG的蒸發(fā)狀態(tài)[9-10]。已有的研究在LNG工質(zhì)特性、溫度場設(shè)定等方面進(jìn)行了假設(shè)和簡化，存在監(jiān)測時長過短而無法實(shí)現(xiàn)液位變化，間接計算蒸發(fā)量存在二次誤差，缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)佐證等不足。因此考慮以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合LNG多組分特性和非穩(wěn)態(tài)溫度場理論，提出能有效預(yù)報LNG蒸發(fā)參數(shù)的fluent算法。

1 液氮蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)選取液氮作為工質(zhì)進(jìn)行低溫實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用1.5 m3C型液罐，見圖1。

液罐底部裝有稱重設(shè)備，且在液罐的上、中、下部設(shè)有若干溫度傳感器，見圖2a)、b)。圖中?、?、?表示3層保溫層，數(shù)字①～對應(yīng)各溫度傳感器的編號，其詳細(xì)備注見表1。對應(yīng)的重量、溫度數(shù)據(jù)都通過軟件顯示于電腦屏幕上供實(shí)驗(yàn)人員實(shí)時監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)室空調(diào)設(shè)置為25 ℃，同時將實(shí)驗(yàn)室用塑料薄膜密閉以減少換熱，保證整個過程環(huán)境溫度不變。

溫度傳感器編號量程/℃樣式材質(zhì)①、②-100～0貼片式鋼③～④、、-100～0貼片式不銹鋼⑦～-200～-100貼片式不銹鋼～-200～-100插入式不銹鋼～-150～0貼片式不銹鋼

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)主要研究不同工況下液氮的蒸發(fā)情況，尋找有價值的數(shù)據(jù)和規(guī)律。自變量有保溫層厚度、初始裝載量和壓力。

保溫層材料為聚氨酯泡沫，總厚度為400 mm，分為3層，分別為200、300和400 mm，且外面2層可拆卸。初始裝載分為滿載和半載。壓力分為自由蒸發(fā)和0.7 MPa憋壓蒸發(fā)。

通過記錄上述不同工況的重量、溫度等數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)匯整和處理，以得到該實(shí)驗(yàn)不同工況下的蒸發(fā)量、溫度場信息。

2 液氮蒸發(fā)模擬計算

2.1 模型建立

1.5 m3C型液罐CATIA模型見圖3。液罐長度約2.08 m，罐徑1 m。為節(jié)省計算時長，適當(dāng)省略相應(yīng)的部件，采用二維模型計算并進(jìn)行修正，在保證精度的條件下加以簡化。

將模型進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后導(dǎo)入GAMBIT軟件中進(jìn)行常規(guī)的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格長度約5 mm。隨后將msh文件導(dǎo)入fluent中，見圖4。圖中的圓圈標(biāo)記為液氮的蒸發(fā)流出出口，因此在邊界設(shè)置時，將此處設(shè)置為壓力出口，而其余面則設(shè)置為常規(guī)壁面。

2.2 fluent設(shè)置

通用設(shè)置中，將fluent求解器選擇為基于壓力求解，時態(tài)為瞬態(tài)。由于模型涉及到氣、液兩相，因此，選擇多相流模型mixture模型。同時，計算存在相變，且有傳熱發(fā)生，需開啟能量方程。添加液氮為液相，設(shè)為主相；氮?dú)鉃闅庀?，設(shè)為次相，二者相變模型選為蒸發(fā)—冷凝模型，由液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵鶕?jù)液氮物理特性將蒸發(fā)-冷凝溫度設(shè)為77.15 K。

邊界設(shè)置中，需對壓力出口進(jìn)行氣態(tài)條件編輯，設(shè)置出口蒸汽含量100%，防止回流，即防止氮?dú)鈴某隹诹骰匾汗薜臓顩r發(fā)生。壁面的邊界設(shè)置則需要在thermal項設(shè)置常溫溫度條件，且需要自行添加隔熱材料聚氨酯，對其導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)相應(yīng)賦值。隨后應(yīng)考慮重力的影響，在Y方向上取值-9.81 m/s2，同時開啟混合密度選項，將氮?dú)獾拿芏茸鳛榛旌厦芏戎怠?/p>

在計算設(shè)置中，選擇simple算法，梯度插值方案選擇格林-高斯基于單元算法，壓力項選擇體積力方法，其余采用二階迎風(fēng)格式，并將動量和體積分?jǐn)?shù)的松弛因子調(diào)低，約為0.2。監(jiān)測窗口則記錄液氮的質(zhì)量，以通過直觀的觀察、記錄液氮重量的變化值來得到蒸發(fā)量。液氮蒸發(fā)模擬工況采用半載，即50%的初始裝載率來驗(yàn)證，可在初始化中設(shè)置半載，隨后開始計算。

2.3 計算結(jié)果

選取a)和b)2種工況結(jié)果見圖5。

根據(jù)查詢上述兩種工況記錄的詳細(xì)數(shù)據(jù)文本信息，將其平均蒸發(fā)率與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比，誤差見表2。

表2 液氮蒸發(fā)率fluent值與實(shí)驗(yàn)值對比

由表2可見，該算法算得的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相比，平均誤差約為6.2%，模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本相符，輔以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做驗(yàn)證使此算法有一定的說服力，因此可以確定該算法的正確性，并在此算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)，用于本文后續(xù)對LNG蒸發(fā)模擬的計算上。

3 LNG蒸發(fā)模擬工作

3.1 LNG多組分工質(zhì)

實(shí)際的LNG并非僅包含甲烷的單一化合物，在材料庫中重新定義LNG組分見表3。

表3 LNG工質(zhì)組分

添加過熱氣體和過冷液體，即氣、液兩相，隔熱材料為聚氨酯泡沫。

常壓下，液態(tài)天然氣相關(guān)參數(shù)如下。

密度436.27 kg/m3，

摩爾質(zhì)量16.63 g/mol，

定壓比熱容3.365 5 kJ/(kg·K)，

動力粘度1.312×10-4Pa·s；

氣態(tài)天然氣相關(guān)參數(shù)如下。

密度0.67 kg/m3，

摩爾質(zhì)量16.63 g/mol，

定壓比熱容2.197 6 kJ/(kg·K)，

粘度1.098×10-5Pa·s。

3.2 非穩(wěn)態(tài)溫度場

由于算法針對非穩(wěn)態(tài)的溫度場，且在LNG多組分特性影響下，LNG蒸發(fā)時儲罐內(nèi)的溫度會與LNG自身的熱物性產(chǎn)生動態(tài)變化，存在相互影響的關(guān)系。因次，算法在對LNG導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性賦值時導(dǎo)入了UDF(用戶自定義函數(shù))，通過編譯的C語言程序來實(shí)現(xiàn)LNG的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度呈函數(shù)變化。將導(dǎo)熱系數(shù)視作主導(dǎo)因素，其他熱物性選擇性地添加函數(shù)關(guān)系。氣、液兩相下天然氣導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系式不同，分別用C語言編譯成UDF文件導(dǎo)入fluent以實(shí)現(xiàn)熱物性動態(tài)變化。同時，溫度場設(shè)定為自適應(yīng)，而非恒定。其余的通用設(shè)置、邊界設(shè)置以及計算設(shè)置與液氮模擬計算相同，仍選用mixture模型和simple算法。根據(jù)計算硬件條件適當(dāng)調(diào)整步長和壓力、動量的計算模式及其對應(yīng)的松弛因子以獲得所需的計算時長和精度。

3.3 計算工況設(shè)置

以溫度場、保溫層厚度為自變量，LNG的蒸發(fā)量為因變量，模擬計算工況見表4。

表4 計算工況設(shè)置

初始裝載率統(tǒng)一設(shè)定為95%，蒸發(fā)狀態(tài)選擇設(shè)置起來較為簡單的開閥自由蒸發(fā)。

4 LNG蒸發(fā)計算結(jié)果與分析

對工況3、7、4、8下的結(jié)果進(jìn)行整理和修正，對比結(jié)果見圖6。

由圖6可知，二者存在差異，但誤差較小。其原因在于液罐本身尺寸較小，罐內(nèi)不同位置的溫度和漏熱等雖不同，但差異不明顯，因此，各部位LNG熱物性差異亦不明顯，進(jìn)而使整個LNG的蒸發(fā)過程差異較小。以非穩(wěn)態(tài)溫度場的計算結(jié)果為準(zhǔn)，恒定溫度場計算結(jié)果存在的誤差平均約為6.6%。

根據(jù)工況5～8的計算結(jié)果，可整理結(jié)果見圖7和表5。

保溫層厚度/mm100200300400蒸發(fā)時長/d2.06.813.923.1

由圖7可知，保溫層厚度不同時，蒸發(fā)中前期差異較大，后期差異較小，即加厚保溫層對前期的保溫工作貢獻(xiàn)率較大。

由表5可知，保溫層厚度每增加100 mm，效率平均約提高1.36倍，但效率提升逐漸下降。

5 結(jié)論

1)算法能實(shí)現(xiàn)對1.5 m3C型LNG液罐進(jìn)行蒸發(fā)時長、蒸發(fā)速率等參數(shù)的預(yù)報工作，可獲得各保溫層下LNG的蒸發(fā)時長以及不同液位下蒸發(fā)速率的對比，能為實(shí)際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

2)基于LNG多組分特性和非穩(wěn)態(tài)溫度場理論的算法，較以往采用有限元方法計算漏熱來間接預(yù)測可提高6.6%的精確度，今后LNG的蒸發(fā)預(yù)報計算應(yīng)考慮采用非穩(wěn)態(tài)溫度場，細(xì)化LNG材料組分及其屬性的設(shè)定。

3)應(yīng)用非穩(wěn)態(tài)溫度場對計算精確度的提升可能會因選取模型的大小或模擬工質(zhì)的不同產(chǎn)生差異，今后可嘗試將該算法應(yīng)用于大型LNG液貨艙或其他低溫液體的儲運(yùn)工作中加以驗(yàn)證和比較。

4)算法以計算和預(yù)報LNG的靜態(tài)蒸發(fā)參數(shù)為主，若考慮晃蕩等因素，可在此算法的基礎(chǔ)上引入VOF湍流模型，并根據(jù)實(shí)際晃蕩情況對邊界條件進(jìn)行添加和調(diào)整來計算和預(yù)報LNG的動態(tài)蒸發(fā)參數(shù)。