液化天然气储罐温度场的数值模拟

石油大学（华东）

硕士学位论文

液化天然气储罐温度场的数值模拟

姓名：刘江

申请学位级别：硕士

专业：油气储运工程

指导教师：李玉星

20040301

液化天然气储罐温度场的数值模拟

摘要

液化天然气储罐为立式圆筒形地上金属储罐，夹层充填珠光砂并抽真空。是目前国内外储存液化天然气的主要设备。

本文重点研究了ＬＮＧ储罐的结构特性、影响隔热层效果的因素、储罐内液化天然气的存在状态、分层原理以及预防分层和泄漏的原因，研究了储罐隔热层的传热温度场数值模拟计算方法，建立了模型并采用ＡＮＳＹＳ和ＤｅｓｉｇｎＳ．ｐａｃｅ进行了数值模拟。通过使用ＡＮＳＹＳ系列软件，对液化天然气储气槽的温度场进行数值模拟，找出影响温度场分布的关键因素。指出了该设备在制作及安装中应注意的问题。

通过研究得出在堆积隔热中，热传导主要是固体传导和气体传导；真空隔热结构中，漏入低温区的热量主要是辐射热：真空多孔绝热性能的影响因素较多；多层隔热中的传热比较复杂，影响其性能的因素较多。液化天然气在罐内储存时，由于温度场的影响和密度的变化，导致充注引起的分层和由于氮优先蒸发引起的自发分层。为了减少液化天然气泄漏影响，可以从ＬＮＧ储罐间的距离、控制贮罐压力、ＬＮＧ贮罐的允许充注量以及ＬＮＧ储罐及管路系统的净化等方面考虑飞

通过对空气的对流系数、液化天然气的对流系数、外界环境温度、绝热层的导热系数等因素对温度场的分布讨论，得出液化天然气储罐的罐壁温度场分布对液化天然气的对流系数不敏感；液化天然气储罐的罐壁温度场分布对空气的对流系数有一定的敏感性；外界空气温度变化对罐内壁温度的影响较小；绝热层的导热系数对温度场的分布有较大的影响，如果绝热层混入一定量的空气，导热系数将变化很大，将增大对温度场的分布影响。这对于液化天然气储罐的运行管理、加工制作具有指导意义。

关键词：储气罐隔热结构温度场ＡＮＳＹＳ数值模拟

ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＦｉｅｌｄｏｆ

ＬＮＧＳｔｏｒａｇｅＴａｎｋ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＬＮＧｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋ，ａｋｉｎｄｏｆｍｅｔａｌａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｃｙｌｉｎｄｅｒｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋｗｈｏｓｅｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｆｉｌｌｅｄｗｉｔｈｐｅａｒｌｓｍｏｏｔｈｓａｎｄａｎｄｖａｃｕｕｍ，ｉｓｔｈｅｄｏｍｉｎａｎｔｓｔｏｒａｇｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｌｉｑｕｅｆｉｅｄｎａｔｕｒａｌｇａｓａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ．

Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＬＮＧｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋ，ｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｃｏｅｆｎｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｒｍａｌｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｌａｙｅｒ，ｓｔａｔｅａｎｄｄｅｌａｍｉｎａｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＬＮＧｉｎｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋ，ｃａｕｓｅａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｏｆｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄｌｅａｋａｇｅａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｅｍｐｈａｓｉｓｉｓｐｌａｙｅｄｏｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｒｍａｌｂｌａｎｋｅｔｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，ａｌｓｏｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳａｎｄＤｅｓｉｇｎＳｐａｃｅｓｏｆｔｗａｒｅ，ＢｙｕｓｉｎｇｓｅｒｉａｌＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆＬＮＧｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ，ｃｒｕｃｉａｌｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｒｅｆｏｕｎｄ，ａｎｄｐｒｏｂｌｅｍｓｓｈｏｕｌｄｂｅｎｏｔｉｃｅｄｄｕｒｉｎｇｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅａｎｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．

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ＬＮＧｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋａｎｄｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＬＮＧｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋａｎｄｐｉｐｅｌｉｎｅｓｙｓｔｅｍｓｈｏｕｌｄｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．

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独创性声明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：抛饵｝月９日

关于论文使用授权的说明

本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交沦文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

（保密论文在解密后应遵守此规定）

学生签名

导师签名．老秽守忸龙礴ｐ删年ｇ月９日

上ｏｏ牛年譬月Ｉ口日

石油大学（华东）硕士论文第一章前言

第１章前言

液化天然气作为一种新的能源供应方式使用的愈来愈普

遍。广东与澳大利亚合资的ＬＮＧ项目、日照的城镇燃气工程、

江苏、浙江的一些城镇燃气项目都使用ＬＮＧ，。ＬＮＧ在澳大利亚、

日本等国都得到了广泛应用。由于天然气的环保、高效等特点，

将来会得到更广泛的应用。

液化天然气的储存是目前存在的主要问题。由于液化天然

气的温度较低（约．１６０℃），远远低于外界环境温度。降低液化

天然气的蒸发量是储存容器要解决的关键技术。本文使用数值

模拟方法，找到了影响储存容器温度场的关键因素，为储存容

器的设计和使用提供了依据。

目前大型液化天然气的储存设备主要依赖进口。市场基本

被日本、丹麦等国垄断。国产设备也得到了应用，质量须进一

步提高。国产设备在不久的将来，会在国内液化天然气的市场

上占据主要位置。

ＬＮＧ的概念１．１

天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性，其主要成分为甲烷，

也包括一定量的乙烷、丙烷和重质碳氢化合物。还有少量的氮

气、氧气、二氧化碳和硫化物。另外，在天然气管线中还发现

有水分。甲烷的分子结构是由一个碳原子和四个氢原予组成，

燃烧产物主要是二氧化碳和水。

ＣＨ４＋２０２一Ｃ０２＋２Ｈ２０

与其它化石燃料相比，天然气燃烧时仅排放少量的二氧化碳粉尘和极微量的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物，因此，

石油人学（华东）硕士论文第一章前言

天然气是一种清洁的能源。

ＬＮＧ是Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄｎａｔｕｒａｌｇａｓ的缩写，是将天然气净化冷却

而成的深冷液体，因此也可称为液化天然气。ＬＮＧ的主要参数

如下：

常压沸点；一１６２．１５℃

热值：９２００ｋｃａｌ／Ｎｍ３

液体密度：０．４２ｋｇ／ｌ

辛烷值：１３０（研究法）

气化潜热：１２１．８７ｋｅａｌ／ｋｇ

气液体积比：６２５：ｌ

甲烷含量：９０～９９％

天然气从气田开采出来，要经过处理、液化、运输、接收

和再气化等几个环节，最终送至终端用户。液化过程能净化天

然气，除去其中的氮气、二氧化碳、硫化物和水。这个处理过

程能够使天然气中甲烷的纯度接近９０～９９％。液化天然气链如图

１．１所示：

图１一】ＬＮＧ液化工艺流程图

ＬＮＧ主要可用于发电，以天然气为燃料的燃气轮机电厂的

废物排放水平大大低于燃煤与燃油电厂，而且发电效率高，建

设成本低，建设速度快：另外，燃气轮机启停速度快，调峰能

力强，耗水量少，占地省。

ＬＮＧ也是重要的化工原料。以天然气为原料的～次加工产

石油大学（华东）硕士论文第一章前言品主要有合成氨、甲醇、炭黑等近２０个品种，经二次或三次加工后的重要化工产品则包括甲醛、醋酸、碳酸二甲酯等５０个品种以上。以天然气为原料的化工生产装置投资省、能耗低、占地少、人员少、环保性好、运营成本低。

天然气广泛用于民用及商业燃气灶具、热水器、采暖及制冷，也用于造纸、冶金、采石、陶瓷、玻璃等行业，还可用于废料焚烧及干燥脱水处理。

ＬＮＧ也可用于汽车代用燃料。天然气汽车的一氧化碳、氮氧化物与碳氢化合物排放水平都大大低于汽油、柴油发动机汽车，不积碳，不磨损，运营费用很低，是一种环保型汽车。

天然气是一种储量丰富的清洁的碳氢化台物燃料，己成为近年世界上增长速度最快的矿物燃料。将天然气从产地运往市场的方法有两种：一种是用长距离输气管道将天然气输送往用户，但管道长度在１６５０—３３００公里范围内才有经济效益：另一种方法是将天然气在常压、．１６０℃的低温下使其变成液态，成为ＬＮＧ，然后，将ＬＮＧ运往使用地区，为此，需要使用地区建设接收终端站，将ＬＮＧ再度气化使其重返气体状态，然后通过管道将气态的天然气送往发电厂和其它用户。用这种方法可将天然气产地与遥远的市场连接起来。

ＬＮＧ的运输常用的方法也有两种：即用ＬＮＧ船进行长距离、大量的运输；用ＬＮＧ储运罐小量的、陆上输送。

１．２课题提出的意义与目的

自１９６４年英国与阿尔及利亚实现首次ＬＮＧ贸易以来【１］，ＬＮＧＴ，＿Ｉｋ．Ｎ应了市场需求，得到高速发展，并在亚洲取得了特权地位。从１９７５年ＬＮＧ贸易量占世界天然气贸易总量的１０％

石油大学（华东）硕士论文第一章前言起，１９９５年达９０×１０９ｍ３，已占总量的２５％左右。１９９５年后年增长率保持在７％以上。

但是，由于运输费用限制，ＬＮＧ贸易集中在两大独立地区：大西洋市场（非洲到欧洲和美国）和太平洋市场（美国、中东、亚洲到日本、韩国和中国台湾）。太平洋市场已占总量的７５％，世界ＬＮＧ贸易的增长基本由该地区实现。太平洋市场的核心是于１９６９年开始进口ＬＮＧ的日本，它现在占太平洋贸易的７７％和世界贸易的５８％。韩国于１９８６年，中国台湾于１９９０年分别开始进口ＬＮＧ。

在能源消费结构中，国外天然气消费占能源消费总量的２０％以上，而我国天然气仅占能源消费总量的２％。随着我国经济的快速发展及人们环保意识的增强，天然气以其清洁、经济、高效等优点受到青睐。

但是天然气资源和大型用户分布很不平衡，天然气用量较大的地方往往是天然气资源相对贫乏的地方。比如，世界上已探明的天然气储量约有７０％位于俄罗斯境内的西伯利亚西部与波斯湾地区，它们分别占全世界总探明储量的３７．８２％与３２．１％，而天然气大型用户市场（如东亚、欧洲等）的天然气资源却非常缺乏。同样，我国的天然气资源也远离能源消耗区，使得天然气资源往往不能得到有效利用。因此，天然气的运输显得尤为重要。管道输送是一种好的输送方法。但是，对于远距离或越洋输送，一方面还没有技术可以建造深海长距离输送管线，另一方面建造成本太高；对于大量的中小城镇和小规模分散用户，铺设输气管线在经济上不一定可行；另外，天然气管道输送适用于长期、固定的用户，机动性比较差。所以，这些都制约了天然气的推广应用。

石油大学（华东）硕士论文第一章前言

目前，鉴于我国大部分地区天然气管网尚未形成，以ＬＮＧ（ＬｉｑｕｅｆｉｅｄＮａｒｕｒａｌＧａｓ的简写）陆上运输代替中近距离管道输送，不仅可以节省风险性管线建设，有效回收远海、荒漠地区的天然气资源；而且可以满足部分工业和居民对高品质燃料的需求。另外，用户为了保证能源消费的可靠性，逐步要求能源供应渠道多元化。所以，在城市附近建造ＬＮＧ储存库，既可以解决城市燃气的调峰问题，也可以实现能源供应多元化。因此，ＬＮＧ输送既是一个越洋大量输送天然气的商业化技术，也是一种解决中小城镇及分散天然气用户和城市燃气调峰的手段。作为管道输送的重要补充手段，ＬＮＧ陆上输送具有巨大的潜在市场。

当然ＬＮＧ是一个系统工程，制约其发展的一个关键问题就是ＬＮＧ的储运问题。国外对ＬＮＧ储运罐的研究已开展了大量的工作，但相关文献很少。国内ＬＮＧ工业还处于刚起步阶段。在ＬＮＧ储运过程中还存在很多急需解决的问题。例如，ＬＮＧ储运罐在行走的过程中罐内压力缓慢上升，但一旦ＬＮＧ储运罐停下来，罐内压力就很快升高。为了解决这样的问题，就必须研究ＬＮＧ在储运罐内的气化规律、研究影响ＬＮＧ气化的因素以及储运罐隔热层动态和静态漏热等问题，进而找出更好的隔热保冷措施，优化ＬＮＧ储运容器隔热结构。

优化ＬＮＧ储运容器隔热结构，就是为了提高其隔热效率、延长ＬＮＧ储存时间。这一方面可以减少ＬＮＧ的汽化损失，提高运转经济性，减少对环境的污染；另一方面又可以为长时间储存及较远距离输送ＬＮＧ创造条件。鉴于我国液化天然气工业处于刚起步阶段，具有巨大的潜在市场。液化天然气的储存和运输理应属于石油与天然气储运工程专业的研究范围。尽管我

石油大学（华东）硕士论文第一章前言们的研究起点较低，但必需参与对液化天然气工业的发展，开展对ＬＮＧ储运容器罐热结构的研究，是我们参与对液化天然气工业的切入点。为此就需要对ＬＩＮＧ储运技术进行广泛调研、总结，以便为研究工作提供有益的指导。

１．３数值模拟方法简介

许多工程分析问题，如流体力学中的流体分析、传热学中

的温度场分析，都可归结为给定边界条件下求解其控制方程（常微分方程或偏微分方程）的问题。但能用解析方法求出其精确解的只是方程性质比较简单，且几何边界相当规则的少数问题。对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状较复杂或者问题的某些特征是非线性的，则很少有解析解。这类阔题的解决通常有两种途径：一是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的阔题，从而得到它在简化状态的解。这种方法只在有限的情况下是可行的，因为过多的简化将导致不正确甚至是错误的解。因此，人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，借助于现代科学技术的产物，计算机来获得满足工程要求的数值解。这就是数值模拟技术。

目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元

法，边界元法，有限差分法等。但究其实用性和使用的广泛性而言，主要还是有限单元法。有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是５０年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的～种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。

下：有限元法分析计算的思路和做法可归纳如

石油大学（华东）硕士论文第一章前言１）物体离散化

将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一

步称作单元剖分。离散后单元于单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的出众多单元以～定方式连接成的离散物体。这榉，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。

２）单元特性分析

Ａ、选择位移模式

在有限单元法中，选择节点位移作为节能位置粮食成为唯一

法；选择节点力作为基本未知量对称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数，如ｙ＝ａ其中ａ是待定系数，Ｙ是与坐标有关的某种函数。

Ｂ、分析单元的力学性质

根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建

石油大学（华东）硕士论文第一章前言立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。

Ｃ、计算等效节点力

物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一

个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上得力。

３）单元组集

利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结

构重新连接起来，形成整体的有限元方程式中，Ｋ是整体结构的刚度矩阵：ｑ是节点位移列阵；ｆ是载荷列阵。

４）求解未知节点位移

解有限元方程式得出位移。这里，可以根据方程组的具体特

点来选择合适的计算方法。通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是“一分一合”，分是为了就进行单元分析，合则为了对整体结构进行综合分析。

数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛应用。到上

世纪８０年代初期，国际上出现了许多有名的大型的面向工程的通用有限元程序。其中著名的有：ＡＮＳＹＳ、ＮＡＳＴＲＡＮ、ＡＳＫＡ、ＡＤＩＮＡ、ＳＡＰ等。它们多采用ＦＯＲＴＲＡＮ语言编写，功能越来越完善，不仅包含多种条件下的有限元分析程序而且带有功能强大的前处理和后处理程序。本文使用ＡＮＳＹＳ软件对储气槽的温度场进行数值模拟。１．４论文研究内容

石油大学（华东）硕士论文第一章前言

本文重点研究了ＬＮＧ储罐的结构特性、影响因素隔热层

效果的因素、储罐内液化天然气的存在状态、分层原理以及预防分层和泄漏的原因，最好论文重点研究了储罐隔热层的传热温度场数值模拟计算方法，建立了模型并采用ＡＮＳＹＳ和ＤｅｓｉｇｎＳｐａｃｅ进行了数值模拟。通过使用ＡＮＳＹＳ系列软件，对液化天然气储气槽的温度场进行数值模拟，找出影响温度场分布的关键因素。指出了该设备在制作及安装中应注意的问题。９

石油大学（华东）硕士论文第二章ＬＮＧ储运容器结构类型及隔热性能比较

第二章ＬＮＧ储运容器结构类型及隔热性能比较

隔热技术与人工制冷同时发展起来的，其中较早使用的是普通堆积隔热（即非真空隔热）。１８９８年杜瓦证明了将两个表面涂银的夹层中抽真空即形成能防辐射的隔热结构以后，真空隔热才逐步发展起来。真空粉末隔热是１９１０年以后出现的，而多层隔热的发展是近三四十年来的事情。２０世纪８０年代，多层隔热技术得到进一步改进，出现了隔热性能更好的多屏隔热技术。２．１ＬＮＧ储运容器结构类型

对ＬＮＧ储运容器来说，其隔热结构分为普通隔热和真空隔热两大类型。

一、普通隔热

普通隔热又称为普通堆积隔热，是一种使用

蒜鬟诫微兰黧多麟囊热｜＇》慧』睁空气填或包覆一定厚度的隔热材料，以达到隔热的目Ｉｊ２赢ｌ髭的。如图２．１所示。这一类隔热主要用于大型液

化天然气储存装置。

常用的堆积隔热材料有固体泡沫型、粉末型一．＿．９。

及纤维型等。普通堆积隔热中的热传导主要是指固体传导和气体传导。他们的热流量约占这类隔热结构中总热流量的９０％左右。

为了减少固体导热，普通堆积隔热结构应选用密度较小的隔热材料，如常用膨胀珍珠岩（珠光砂）、气凝胶、超细玻璃棉、聚苯乙烯、泡沫塑料等。１０

石油大学（华东）硕士论文第二章ＬＮＧ储运容器缔构类型壁璺热链旦兰！堕

为了防止隔热材料空间的气体冷凝或固化，从而使隔热性能恶化，可在堆积隔热材料的空隙中充填冷凝温度低于冷表面温度的气体，同时这种气体本身的热导率要尽可能小。一般地，冷表面温度在７７Ｋ以上的充填氮气，在７７Ｋ以下的充填氩气，氩气的热导率比氮气还小，且冷凝温度低，但这种气体的价格偏高。

为了减少辐射传热，目前还在堆积隔热材料中安置金属屏，使其成为复合材料，或者在粉末或泡沫材料中添加阻光金属粉末，从而提高这类隔热的性能。

普通堆积结构通常由单壳和双壳两种结构。对于单壳结构，一旦发生ＬＮＧ泄漏，将造成很大的危害。所以，目前在大型ＬＮＧ储运装置中，大多采用双壳结构。

普通堆积隔热结构的特点：隔热性能差，但其结构简单、造价低廉，故在隔热要求不高的情况下使用。

二、真空隔热

真空隔热是将隔热结构做成密闭的夹层，内部空间抽至一定的真空度，以减少热量的传递。真空隔热有四种基本类型：高真空隔热、真空多孔隔热、多层隔热及由多层隔

热演变而来的多屏隔热。反射面

ｌ／＼Ｉ

ｌ、高真空隔热

高真空隔热也称单纯真空隔热，它只是单纯

地将隔热夹层抽至绝对压力抽至低于１．３３ｍＰａ的

真空，消除气体的对流传热和绝大部分的残余气热『ｌ１玲卜图２—２高真空隔热体导热，从而达到良好的隔热效果。如图２．２。

石油大学（华东）硕士论文第二章ＬＮＧ储运容器结构类型及隔热性能比较

在这类隔热结构中，漏入低温区的热量主要是辐射热，其次是小量的剩余气体导热以及固体构件的导热。为了改善较高的隔热效果，通常采取以下措旋：

①为了减少辐射传热，高真空的壁面可采用低发射率的材料制作，例如铜、铝等，也可以在其他材料表面涂低发射率的材料，如银、铜、铝、金等。并在表面进行清洁和光洁处理，尽可能地降低材料表面的发射率。降低该类辐射传热的另一措施就是降低器壁的温度。因此常在此类隔热结构中安置蒸气冷却屏或传导屏，或采取液氮冷却屏；

③为了提高这类隔热结构的性能，还必须尽可能减少残余气体的导热。由于残余气体的导热流与气体转类、压力、温度等因素有关，当环境条件～定、气体种类一定时，残余气体热导率主要正比于真空度。除真空度严重影响残余气体导热量之外，器壁的表面状态同样也会影响残余气体的导热量。因气体与器壁碰撞，产生能量交换，如果表面光洁，气体碰撞到器壁后马上返回（类似弹性碰撞），能量交换不充分。

③为了保持高真空隔热空间具有较低的压强（即较高的真空度），常采用放置吸气剂的方法。

热№ｌ降篇淼嚣雾二熹篓举热麟空ｆ擎麓Ｉ获得隔热空间的高真空度。一般在大型装置中

很少应用。

２、真空多孔隔热图２—３真空多孔隔热真空多孔隔热是在隔热空间中充填多孔性隔热材料，然后抽１２

石油大学（华东）硕士论文第二章ＬＮＧ储运窖器结构类型及隔热性能比较至一定的真空度。如图２．３。一般都是充填粉末材料或者纤维材料，故这种隔热方式也称为真空粉末隔热或真空纤维隔热。

据文献介绍，只要在不高的真空度下（绝对压力约１０Ｐａ），

就可以消除多孔介质问的气体对流传热，从而大大减少获得高真空与保持高真空的困难。在隔热材料颗粒的微孔与颗粒的空隙中，气体的导熟是主要的途径。将隔热空间中的气体抽走，是减少这类隔热结构漏热的主要途径。

真空多孔隔热中，辐射传热是其主要途径，通常采用向粉末或者纤维材料中加入一定比例的反射性强的金属粉末～一阻光剂，例如铝粉或铜粉，以减小材料内粉粒或纤维间辐射换热，从而大大提高隔热性能。

真空多孔隔热的热导率只有堆积隔热的几十分之一，且真空度要求不高（内部绝对压力约为ｌ～１０Ｐａ左右），所以隔热性能比堆积隔热优两个数量级，比高真空隔热优一个数量级，广泛应用于大、中型低温液体容器中。其最大的缺点是要求夹层的间距大，结构复杂而笨重。

３、多层隔热

多层隔热又称为高真空多层隔热，是一种

在隔热空间中安置许多平行于冷壁的辐射屏金展治辑射屏

来大幅度减少辐射热而达到高效隔热目的一

种结构。多层隔热有两种基本形式，如图２－４、

２—５所示。一种使用金属泊作辐射屏，屏间填

入导热性能低的间隔材料，一种使用单面喷

铝的涤纶薄膜作辐射屏，且压制成波纹形或凹

右油大学（华东）硕士论文第二章ＬＮＧ储运容器结构类型及隔热性能比较问的接触传热。真空多层隔热要求真空达１５ｍＰａ左右即可。真空多层隔热是目前隔热性能最好的隔热方

式之一，被称为“超级隔热”。主要用于中、

小型ＬＮＧ储运容器。

真空多层隔热是一种性能优良的隔热形

式，但施工比较麻烦、造价较高、且隔热性圈２—５无蚵隔物的多层隔热能随施工质量而变化。

４、多屏隔热高真降波纹状或起挎的健金属塑料傅膜

多屏隔热是一种多层防辐射屏与

蒸气冷却屏相结合的隔热结构。如图

２－６所示。用不多的金属屏与冷蒸发

气体逸出管相连接，利用冷蒸气吸收

的显热来冷却辐射屏、降低热屏的温

度，抑制辐射热流，提高隔热效果。

这些为数不多的金属屏蔽层，既是多图２—６多屏隔热结构１－隔热单元骨胡曾一事辟嘲热４一＾照层隔热的防辐射屏，又可作为蒸汽冷却屏，而且还有助于消除多层隔热的纵向导热（沿传导屏的导热）。因此，多屏隔热是多层隔热的一大改进，它具有隔热效率高、热容量小、质量轻、热平衡快、制作简单、成本低廉等优点。

２．２、各种隔热结构隔热性能比较

根据文献可以知道，各种隔热结构的隔热性能如图２—７所示。根据图２—７可以看出，真空容器的隔热效果优于非真空容器

石油大学（华东）硕士论文第二章ＬＮＧ储运容器结构类型及隔热性能比较的隔热效果。

ＮＩＨ考

多屏一多璧一登光冀考粉末、纤鳕一枣诛、粉床、纤缉

有蕴热导窜＂／（ｍＫ）

图２—７备种隔热方式的有效热导率

２．３影响隔热层隔热效率的因素

影响隔热结构隔热效率的因素是多方面的，不同的结构影响其隔热效率的因素也不一样。

一、普通隔热（即堆积隔热结构）

堆积隔热中，热传导主要是指固体传导和气体传导。他们的热流量约占这类隔热结构中总热流量的９０％左右。所以，影响其隔热效果的因素主要是：隔热材料和隔热结构中的气体种类。

二、高真空隔热

在这类隔热结构中，漏入低温区的热量主要是辐射热，其次是小量的剩余气体导热以及固体构件的导热。所以，影响该类隔热结构隔热效率的主要因素为：

１．真空壁面的辐射率大小；一般选用表面发射率小的材

料。

２．真空隔热空间中真空度的高低；真空度越高，隔热效果越好。

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第二章ＬＮＧ储运容器结构类型及隔热性能比较

３．固体构件导热系数的大小。

三、真空多孔隔热

影响真空多孔绝热性能的因素较多，主要有：隔热层中气体的种类与压强、材料的密度、颗粒的直径对热导率的影响、会

属粉末添加剂的种类和数量。

１、隔热层中气体的种类与压强：

隔热层中的气体一般为单原子或者双原子

气体，对辐射热的吸收很弱，可视为是一种不吸收及非散射气体。因此夹层中的气体种类与压强只

影响气体导热。随着夹层真空度的提高，其热导率下降。一般情况下，多孔

热导率与填充气体的压力关系如图２．８所示。不同种类的多孔绝热材料的热导率随填充气体的绝对压力降低而降低。不同种类气体与压力对真

空隔热性能的影响见图

２—９。

２、材料的密度：

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图２～８多千Ｌ隔热的有热热导宰与填充气体眶强的关系

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图一２—９多孔隔热的育效热导宰与填充气体压强关系

２－硅胶（氤）３一微孔橡胶（；豉）

１一馥孔鬓｝胶（氧）

４一硅胶（氪）

石油大学（华东）硕士论文

第－＿＝章ＬＮＧ储逼兰至墨婪构耋型墨堕垫丝堂堕墼

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乎两种情况：其一是由于材

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料颗粒或孔壁厚度增加，其

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二是由于单位体积中微粒数

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石油大学（华东）硕士论文

第二章ＬＮＧ储运容器结构类型及隔热性能比较

大到使热导率达到最低值之后，固体导热的增加会抵消辐射换

热的减小并成为支配作用。因此，一味地降低真空多孔隔热材

料的密度并非完全是正确的，对于大多数该种隔热材料的密度

的最佳值一般为１５０～２００ｋｇ／ｍ３。

３、颗粒的直径对热导率的影

响

隔热材料的颗粒值井对辐射传热有着决定性的影响。颗

粒对辐射的散射特性，在颗粒直径接近于入射的辐射波长时达到最大值。也就是说，在这

一颗粒直径下，由于辐射而引起的有效热导率为最小值。图

２—１

ｌ给出了颗粒直径对该种绝

热的热导率的影响关系。

对于玻璃棉．在纤维直径约

为１．５，ｕｒｎ时，其热导率为最小．即对应的辐射削弱系数为最大

值：面对于硅胶和珠光砂，他

们最适宜的颗粒直径为

ｌＯ～５０胛。

４、金属粉末添加剂的种类与数量；

不同种类的金属粉末添加

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Ｉ真窑圭妻孔｝融材科的佳导

卜玻璃棉（Ｙ＝２９７Ｋ）２－硅胶耪（Ｔ＝２９ＴⅫＫ）

率与微粒直径的关系

３一珠光砂（Ｔ：３∞～２９０～ＴＴ～９０Ｋ】

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石油大学（华东）硕士论文

第二章ＬＮＧ储运容器结均耋型堡堕垫堡堡堕塾

剂，其隔热效果是不同的。同种添加剂随着数量改变而隔热性

能也发生变化，一般呈Ｕ形。当金属粉末含量减少时，辐射热流量增大，而金属粉末含量增加时，固体导热又要增加，因此

存在一个最佳含量问题，一般为３０％～５０％。图２—１２示出添加金

属粉末的热导率与金属粉末含量的关系。

四、多层隔热

多层隔热结构如图２．１３所示，既有屏与屏之间、屏与间隔材料之间的辐射传热，又有多层材料之间的固体传热和隔热空间的气体传热。由于几

乱０‘

如ｍ一

屯．

¨三１

种传热同时存在并相互影响，所以，

多层隔热种的传热ｔＢ较复杂，影响其性能的因素较多：多层材料的种类及

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其组合方式、真空度、层密度、温度、机械负荷及其他因素。

１、多层材料的种类与其组合方式对多层隔热性能的影响

对于反射屏，首先希望它的发射率尽可能低，且不易氧化与污染：对于金属泊，如铝泊、铜箔、金箔等，其厚度尽可能薄，因太厚会导致纵向传热。但对于涤纶薄膜上的真空镀余属膜，

由于工艺所限，金属膜厚度往往达不到７００×ｔ０．１０～

１０００ｘ

１０一１０ｍ，而导致辐射贯穿．成为半投射体。对于间隔材料，

则要求其热导率尽可能低，且放气性能小，并且有一定的强度，也不希望太厚。目前应用最多的是无碱玻璃纤维布、玻璃纤维纸、尼龙网布、植物纤维纸等。

１９

互堂查兰！兰奎！垦主笙壅

苎三童型璺堡垩窒堂壁塑耋型丝堕垫丝墼堕墼

２、真空度对多层隔热性能的影响

多层隔热中真空度对其性能的影响可以从两个方面来论述。

一是表观真空度，即与绝热空间相连的真空计测得的真空度对隔热性能的影响。二是多层隔热层内部的真空度对隔热性能的影。绝热空间的表观真空度与多层隔热的有效热导率，

一般呈图２．１４所示的关系。当真空度较低即绝对压强Ｐ）

０

１０Ｐａ时，其真空度变化对热

口，占．毒、薯一—盛氍０口Ｂ

真空度往往比表观真空度（真空空间测量的真空度）低５０～１００

倍，如图２．１５所示，即为１Ｐａ左

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右，由于这一原因，不同厚度中多层隔热的有效热导率变化甚

大，如图２．１６所示。

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为此，如何提高多层隔热的

真空度，特别是降低多层中层间

气体压强即提高其真空度是改善

互迪查兰！望查！婴主望兰

整三童型鱼堡至查墅堕塑鲞型丝堕垫壁垦！！塾

多层绝热性能的关键技术之一。

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一ＴＴ～３００Ｋ

图２—１５不同厚度中多屠隔热的膏效

热导宰的变化

圈２－１７开于Ｌ多层隔热中的温度分布

’￡一０

一一２０．４～３００Ｋ

２、≯一Ｆ—ｎ－｛、３，，ｊ。一ｔ２１３＾

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人们目前常在多层辐射屏上项先开小孔以利抽空，图２－１７给出了在辐射屏上开槽形孔和圆形孔时多层中不同抽气速率而引起的温度分布。当抽气速率大时，热壁处的温度梯度很大，呈压强骤变；而当抽气速率为零时，屏在低温下辐射传热很差，冷壁处产生很大的温度梯度。多层绝热试样由气孔率为Ｏ．９９的

玻璃纸和１４删铝箔组成。铝箔的发射率为以０．０５，开孔率为

０．０３１４，孔间距为Ｏ．３２ｒａｍ。另一种方法是采用具有吸气能力的填炭纸吸附多层间的残余气体。

３、层密度对隔热性能的影响

单位厚度内多层隔热辐射屏的数目称为层密度，符号为Ｎ，单位为屏ｌｃｍｏ在单位厚度隔热层中，当层数增加时，辐射传热

将减小，而接触热阻减小，固体导热将增加．它们的关系如图２．１８所示，故存在一个最佳层密度。

２ｌ

石油大学（华东）硕士论文

第二章ＬＮＧ储运容器结构类型及隔热性能比较

图２．１８是以铝箔和玻璃纤维纸所组成的多层隔热体的热导率和层密度的关系，从图中可其最佳层密度约为２０～４０层／ｃｍ。

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图乏１８多层隔热的热导窜与屠密度的关系（Ｔ＝３００～？？Ｋ）

图２－１９多屡隔热的屠密度与热流的关秉。……‘一…。……

同时我们可以用理论推导与实验相结合的方法，将热导率分离成固体导热和辐射传热两部分，并关联成如下的有效热导率

的表达式：

ｔ＝州２半＋。趾攀趔

为层／ｃｍ；Ｔ１、Ｔ２为内外壁温。

协：，

式中：ａ、ｂ为系数，由材料性质决定；Ｎ为层密度，单位

上式右边第一项表示固体导热部分，其值正比于密度平方，

而第二项表示辐射传热，其值与密度成反比，二者都与密度有一定的关系。

对于有双面渡有０．０５／．ａｎ铝层的６．３／ａｎ厚的涤纶薄膜与

０．０１

５ｒａｍ厚的玻璃丝网纸组成的多层隔热体，其有效热导率可

由下式表示：

石油大学（华东）硕＋论文

第二章ＬＮＧ储运容器结翅壅型丝堕垫壁墼堕塑

树筒川…Ⅳ２／掣－－／＇１．１Ｘ１０－１３趾酵趔

（２—３）

实验表明，不同组合形式的多层隔热的层密度对比热流有较大的影响，图２－１９示出几种典型多层隔热体的层密度与比热流

的关系，图中的最小热流的层密度Ⅳ是多层隔热体未被压缩时

的层密度，即最佳层密度。

４、多层厚度对多层隔热性能的影响

一般地晚，在层密度相同的情况下，比热流并不随层数的增

大而单调下降，而是在某一层数下达到最小值。随后，随着层

数的增加，热流量反而增大了，图２．２０所示出的传热量Ｑ与层数ｎ之间的实验数据也说明这一结果。这种情况说明多层绝热

的辐射屏数不是越多越好。这似乎与建立在辐射传热占优势基

础上的高真空多层隔热的基本理论互相矛盾，实际上，只要深

入分析多层隔热中的其他传热，就不难解开这个难题。

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图２－￡［霉毯照博的饕酥悖搏量与层彀豹奖舔

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石油大学（华东）硕士论文第二章ＬＮＧ储运容器结构类型及隔热性能比较

如果多层隔热的比热流以ｑ表示。则有：

俐，弧圯＝屯孚＝乃＋九＋胁孕（２－ｔ）

式中：辐射流：

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固体传导热流：

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残余气体传导热流：

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沼，，

上述式中，≈、ｋ、丸，分别表示多层隔热中的有效辐射热

导率、有效气体热导率和有效固体热导率；占为隔热层总的厚

由上述各式可知，在层密度一定的情况下，有效辐射热导率九，只是温度的函数，在没有外加压缩负荷的情况下，有效固体

导热系数％也应为常数。因此屏数（厚度）的增加不可能使厶

和ｋ增大，看来只有ｋ的增大才使砧增加。这是由于随着厚

度增加，多层层间的抽气阻力增大、加上多层材料放气率高，

故层间的压强比绝热空间的压强高５０～１００倍之多，而使ｋ增

大。因此，在实际使用中，人们总是选择比热流刚趋稳定时的厚度为最佳总厚度。

５、边界温度对多层绝热性能的影响

在式（２－２）和式（２－３）中，可以看出多层绝热的性能与

石油大学（华东）硕士论文第二章ＬＮＧ储运容器结构类型及隔热性能比较

边界温度Ｔ１、Ｔ２有关。多层绝热体的热导率，用一般式可表示

为：

Ａｅ＝ｎＮ２

ｂ寸

（２．８）

令其一阶导数等于零，则

幽。／ｄＮ＝２口万一６／防）２＝０

便得到最佳层密度丙：

（２．９）

丙＝（６／２ｄ）怕

由此得到多层隔热体的热导率为

（２．１０）

屯＝口每ｒ＋兰：１．８９ａＩ／３ｂ２／３

Ⅳ

体，

（２．１Ｉ）

对于由双面渡铝的涤纶薄膜与玻璃纤维纸组成的多层隔热

ａ＝３．６５ｘ１０－１３ｆ墨妄互］，６＝１．１×ｌｏ－１３亿＋瓦地２＋碍），代

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入上式便可以得到：

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（２。１２）

石油大学（华东）硕士论文第二章ＬＮＧ储运容器结构类型及隔热丝墼！！塑

对于内层界面温度为２０Ｋ和７７ｋ，在最佳层密度下，有效热导率与外壁界面温度（即热壁温度）的函数关系如图２－２１所示，从中可以看出，在最佳层密度下，辐射热是多层隔热中主要传热途径，其有效热导率九与冷、热壁温度，特别是与热壁温度关系极大。当热壁温度从３００Ｋ降至７７Ｋ，其有效热导率将降低９５．４％。反之，若热壁温度不变，冷壁温度由７７Ｋ降低到２０Ｋ，其有效热导率将降低１８％；降为４Ｋ时，其有效热导率降低了２２％，从中可以看出，冷壁温度的影响不明显。当Ｌ≥互时，其有效热导率与热壁温度的关系为：允～ｒ扪。

图２—２２中给出了稳态法所得的结果，以也为纵坐标，以瓴＋ｔ炮２＋野）为横坐标，其结果符合直线关系，直线的倾角随着层密度的增加而减小，由此可以计算出屏的平均发射率。利用多层隔热的有效热导率与温度的关系，同样还可以估算出不同边界温度时的隔热效率。

６、压缩负荷及其他的因素影响

多层绝热体在制作和使用过程中，均会产生一定的压缩负荷，如缠绕时的拉紧力，多层隔热体内自身的重量，支承物的压缩以及不正确设计而引起的局部压缩力等，由于机械负荷的增力，增大了接触点的面积，另外也增加了单位体积中的纤维数，这些因素均导致了多层隔热有效热导率的增大。图２．２３给出了多层隔热的比热流与压缩负荷的关系。这是四种典型的多层隔热，从图中可以看出波纹壮单面渡铝的多层隔热型能受压缩负荷的影响最为敏感，故这种材料虽有较低的堆积密度而不被经常采用。

石油大学（华东）硕士论文第二章ＬＮＧ储运容器结构类型及隔热性能比较

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图２－２３多愿绝热的圮熟漉芍曦嫡孰错的甍黎

根据一些实验数，可以得出如下的许多层隔热的有效热导率与压缩负荷的经验关系式：

以＝ｋｐｐｏ４５（２－１３）

式中：ｋｐ一一隔热结构常数；ｐ一一压缩负荷，当Ｐ以Ｍｐａ为单位，以一一以∥／ｍ・足）为单位时，七。＝２．３。

多层隔热有效热导率与隔热体重的纤维密度Ｐ的关系为：

２

Ｐ＝ｋｐｐ２（２．１４）

式中：≈。一一系数，取决于隔热结构，其值在（０．５～１．２）×１０—５范围内。

将式（２－１３）和式（２－１４）合并成一个方程，就可以表示出有效热导率与机械压力及密度的关系。对于玻璃纤维材料，有如下的表达式：

丸＝ｏ．１２ｘ１０４以【Ｄ（１一肌扫】１／２（２．１５）

石油大学（华东）硕士论文第二章ＬＮＧ储运容器结构娄型及隔热性能比较

式中：九一一纤维材料的热导率，单位为州ｗ／妇・Ｋ）；Ｄ一一纤维的直径，单位为，ａｍ；ｐ～一压力，单位为Ｍｐａ；ｍ一一孔隙率。

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图２－２４锻前囊空事墙薏热的舒艘摭话牢‘ｉＩｌ‘端债幛柏盖笨ｔ怦甜链檀２９３—９姚）

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对于一些多层隔热的有效热导率与压缩负荷的关系示于图２—２４中。压缩负荷与密度的关系示于图２—２５中。除机械负荷之外，杂质的影响也大，如隔热空间中的水分等，它不仅影响真空度，而冷凝后形成的霜层等又会影响发射率。

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雎庸塞，瑶・ｍ。图２—２５哦端扭旖与宙虞的黉蕞

石油大学（华东）硕士论文第二章ＬＮＧ储运容器结构类型及熙整丝！！！堕２．４本章结论

本章介绍了ＬＮＧ储运容器结构类型以及各种隔热结构，分析了每种隔热结构的优劣以及使用条件，在此基础上，详细分析了影响隔热层隔热效率的各种因素。通过分析得到：

１）堆积隔热中，热传导主要是指固体传导和气体传导。他们的热流量约占这类隔热结构中总热流量的９０％左右。所以，影响其隔热效果的因素主要是：隔热材料和隔热结构中的气体种类。

２）真空隔热结构中，漏入低温区的热量主要是辐射热，其次是小量的剩余气体导热以及固体构件的导热。影响该类隔热结构隔热效率的主要因素为：真空壁面的辐射率大小；真空隔热空间中真空度的高低：固体构件导热系数的大小。

３）影响真空多孔绝热性能的因素较多，主要有：隔热层中气体的种类与压强、材料的密度、颗粒的直径对热导率的影响、金属粉末添加剂的种类和数量。

４）多层隔热种的传热比较复杂，影响其性能的因素较多：多层材料的种类及其组合方式、真空度、层密度、温度、机械负荷及其他因素。

石油大学（华东）硕士论文第三章温度场变化对液化天然气状态的影响

第３章温度场变化对液化天然气状态的影响

储罐中温度场的变化会导致储罐中液化天然气的状态发生变化，不仅导致ＢＯＧ的产生，而且会引起许多安全隐患，本文将讨论储罐中液化天然气的状态变化规律以及预防措置。

３．１储罐中液化天然气的状态及预防分层的方法

１、自发混合

液化天然气罐中可能出现分层或者层化单元，单元内液体的密度是均匀的，但是底层的密度与顶层的密度不同。

因此，罐热传导、层与层之间的热量和物质的交换及液体表面的蒸发等因素使各层之间能量趋于均匀，并最终混合，这种自发混合通常称为涡旋。如果底部层液体在一定的压力下是过热状态，可能会引起蒸发率的突然升高。

在有些情况下，这种突然的、大规模的蒸发可引起罐中压力的突然升高，并开启安全阀，造成大量天然气放空，白白损失。如果储罐容量太小，可能损坏储罐的内壁。

２罐中液化天然气的分层机理

液化天然气是一种多组分混合物，其温度和组分的变化会引起密度的变化，不同密度的ＬＮＧ在储存时可能会因密度差异而发生分层现象。根据引起密度差异的原因的不同，可以把分层分为两种：充注引起的分层和由于氮优先蒸发引起的自发分层。

（１）由充注引起的分层

当已经装有液化天然气的储罐继续灌装不同密度的液化天然气时，可能出现两种液体不混合的现象，从而导致分层。如果密度较大的液体在罐的底部，则这种分层是稳定的。当灌装是从罐底部分进行的，并且灌入的液体密度大于已经存于罐内液体的密度时：或者从顶部灌装，而且所装密度小于管内液体密度时，都会出现这种分层现象。观察表明；分层发生后，层与层相对稳

兰塑查堂！兰奎！堡主堡兰墨三童塑鏖垄壅竺翌塑些垄茎墨鉴查盟！！盟定。在液体中出现各自独立的自然对流循环（如图３一ｌ所示）。物质和能量的交换通过层与层之间的交界面对流进行。

４０

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图３—１ＬＮＧ储槽内分层后形成相互独立的自然循环

ＬＮＧ是低温液体，故在贮存过程中，热量不可避免地从贮槽周壁及底壁渗入。被顶层吸收的热量一部分通过气体的蒸发散去，其余部分则被该层液体吸收，使该层液体的温度升高：而底层吸收的热量则只能通过与顶层之间的界面传给顶层液体，这时就有可能发生两种情况：（１）两液层之间的温度差异较小，通过界面传递的热量小于液体吸收的热量，底层液体被加热；（２）两液层之间的温差较大，通过界面传递的热量大于液体吸收的热量，底层液体被冷却。图３—２示意了这两种情况下两液层的温度和密度随时问的变化。两种情况下，顶层液体的温度都升高，密度也随时间而增加，在情况（１）时，底层温度增加较快，密度降低，当上下层密度近似相等时，分层界面消失，发生涡旋和液层的混合；在情况（２）时，底层液体的温度降低，发生涡旋和液层混合的时间就要推迟到顶层液体的密度也增加到与底层液层密度近似相等之时。

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图３－２：液层温度与密度随时间的变化巳勺－蒜匕｝“岬

当两个单元的液体密度大体相等时，交界面消失，两层混合。这种混合的速度非常快，称为涡旋，并且经常伴随储罐中液化天然气蒸发率的突然升高。

由于ＬＮＧ是一种低温液体，贮存时一般处于过热状态，内部积聚了大量的热量，液层的迅速混合加快了液体内流动，为积聚的热量通过表面蒸发提供了条件，所以ＬＮＧ发生涡旋时，往往同时伴随有表面蒸发率的骤增，并表现在贮槽内压力骤升和蒸汽流量的大幅度增加。

涡旋形成的机理比较复杂，综合有关涡旋研究认为：（１）贮槽周壁形成边界层，底层边界层密度降低后上升穿透上边界层，并与之混合上升到液面：（２）分层面之间受到扰动形成动态不稳定，产生液体波，液体波的产生有利于混合；（３）分层液体之间存在一中间层，中间层可能影响混合过程。研究认为：涡旋是一种起因于热过程的热不稳定性现象，这种热不稳定性是由密度变化引起的，其产生的必要条件是分层界面受到扰动。有关涡旋的实验研究也证实了这一结论。

ＬＮＧ贮槽可分为三种基本类型：基本负荷型出口暂存贮槽、高峰负荷型贮槽及终端装置。这３种贮槽都可能发生分层而引起涡旋，但各有其特点。基本负荷型出口暂存贮槽，用于液体设备靠近天然气源，其特点为：液体在贮槽中贮存时间较短，ＬＮＧ组分相对稳定，液化后至贮槽的充注速度较快，ＬＮＧ含氮量较低。高峰负荷型贮槽用于调节高峰负荷以及为冬季供应燃料，其特点为：液体在贮槽中停留的时间较长，ＬＮＧ组分相对较稳定，液化

石油大学（华东）硕士论文第三章温度场变化对逛些墨笙皇坚查塑墅堕后至贮槽的充注速度较慢。ＬＮＧ含氮量高低不等。终端装置一般用于接受ＬＮＧ船等运输的ＬＮＧ，亦可用于调峰目的。其特点为：液体在贮槽中停留的时间长短不一，ＬＮＧ组分变化范围较大，充满速度或高或低，ＬＮＧ含氮量高低不等。

（２）由于氨优先蒸发引起的自发分层

有研究表明：对含氮量较高的ＬＮＧ，即使初始状态下混合良好，由于氮的大量存在也会引起液体的自动分层。其形成机理解释如下：贮槽内混合良好的ＬＮＧ在漏热的作用下会沿贮槽内壁面形成向上的边界层流动，边界层中液体由于吸热温度升高，密度降低，当流动到达气液自由表面时，发生蒸发，液体温度降低。当ＬＮＧ含氮量较低时，甲烷蒸发量较大，液体密度变大回流到贮槽底部，在贮槽内形成如图３—３的自然对流循环。

但是对含氮量较高的ＬＮＧ，由于边界层流动到达气液自由表面时氮比甲烷优先蒸发，蒸发后液体的密度降低，会停留在气液自由表面上，经过一段时间后就在气液表面上形成一个较薄轻质顶层，这样初始混和均匀的液体也发生了分层。虽然这种轻质顶层很薄，但它的存在限制了其下液体通过蒸发来散发热量，引起下面的液体因散热不足而使其温度升高，形成与图３．２相似的情况，并最终导致涡旋。并且，在发生涡旋后，如果液体的含氨量仍较高，还会再次发生涡旋直至液体的含氮量降低到１％以下。

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图３－３ＬＮＧ贮槽内自然对流循环图３．２预防液化天然气分层的方法

石油大学（华东）硕士论文第三章温度场变化对液化天然气状态的影响

在灌装期间使用液化天然气混合装置或采用恰当的灌装程序可以避免分层。

（１）分层的探测与消除

可以通过测量ＬＮＧ贮槽内垂直方向上的温度和密度来确定是否存在分层，一般情况下当分层液体之间的温差大于Ｏ．２Ｋ，密度差大于０．５ｋｇ／ｍ３时，即认为发生了分层。为了探测分层，不少公司专门研制了用于ＬＮＧ贮槽的分层探测器，如美国科学仪器公司研制的Ｍｏｄｅｌ６２８０ＬＴＤ—ＭＰ型，可测量液面高度、温度、密度等，测量由微机控制，并能进行数据处理，判断是否存在分层。

探测到确已形成分层后，可采用内部搅拌或输出部分液体的方法来消除分层。为防止分层和涡旋，ＬＮＧ贮槽内一般都设计了一个专门的搅拌器，但内部搅拌会引起蒸发量的增加。实践证明，快速输出部分液体是一种较好的消除分层的方法。

（２）选择正确的充注方法

根据需装卸的ＬＮＧ与贮槽中原有的ＬＮＧ密度的差异，『Ｆ确选择充注方法，可有效地防止分层。

１）使用混合喷嘴进行灌装

为使新装入的液化天然气同罐中不同密度的剩余液体充分混合，在灌装期间可以在罐底加上喷射口，并保证满足以下两个条件：

喷射的液体必须能够达到液面，

罐中全部液化天然气必须保证在湍流喷射扰动下有足够长的时间进行混合。

通常，混合的标准是喷嘴射入液化天然气量至少是储罐中剩余量的１０倍。

２）利用混合喷嘴再循环

将离心真空泵浸入到储罐中，抽出储罐中的液化天然气，这样可使储罐中分层的液化天然气均匀。抽出的液化天然气再次形成液体射流，如图３—４所示，通过安装在罐底部的一个或多个喷嘴喷射进入储罐中，使两种不同的液体混合均匀。

石油大学（华东）硕士论文第三章温度场变！堕塑些墨鉴兰坚查！竺里

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图３—４液体射流的混合锥体／

３）通过多孔管（鹤管）进行罐装

在罐装过程中，采用沿着管线长度方向有多个喷嘴的多孔管将液化天然气装入储罐中，可以大大减少分层的可能性。这样，进入储罐的液体与罐内原有的液体均匀混合。液化天然气储罐中需要永久安装此喷嘴以防止罐中蒸发率过度上升。

图３－５多喷嘴装管

４）通过注入气体混合

对低溶性气体——氢气和氦气一一所做的实验表明，注入气体可以减少储罐中液化天然气的分层。若用可溶性气体如天然气和氮气效果不明显。不过，从蒸发率来说气体射流并不是防止储罐中液化天然气分层的有效可行方式。

（３）分别储存

这是防止分层的较好方法，即将不同密度的ＬＮＧ贮存于不同的ＬＮＧ贮槽中，但这需要多个贮槽，而且操作不够灵活。（４）涡旋的处理

石油大学（华东）硕士论文第三章塑宴援壅些翌塑些墨签冬鉴查塑墅堕

采取上述措施后，仍可能发生涡旋，必须采取下列措施来确保贮槽安全、经济地运行：

提高贮槽放空阀排放容量；

提高蒸汽处理能力；

初建贮槽时，提高设计压力与运行压力之比值。

３．３减少泄漏影响的预防措旌

这些措施的目的在于：通过限制气体云的扩张，并移走任何可能的引燃源，从而防止气体云的点燃。

１、ＬＮＧ储罐间的距离

美国防火协会标准ＮＦＰＡ５９Ａ对ＬＮＧ储罐之间及储罐至区域边界之间的距离进行规定，见表３—１。

表３—１ＬＮＧ储罐之间的最小距离

最小距离（ｍ）单个储罐容积（ｍ３）

从储罐至区域边界

＜０．５０

０．５０～１．９０

１．９０—７．６０

７．６０～５６．８

５６．８～１１４相邻储罐之间无要求１．Ｏ１．５１．５无要求３．Ｏ４．６７．６１５．０

２３，Ｏ１．５ｎ４—２６５

＞２６５Ｏ．２５（ｍ＋Ｄ２、但不小于１．５ｍＯ．７倍储罐直径

但小于３０ｍ

ＬＮＧ储罐与办公室、车间等距离应在１５ｍ以上。

２、ＬＮＧ储罐及管路系统的净化贮罐和管路系统在首次充注ＬＮＣ之前，或贮罐需要进行内

石油大学（华东）硕士论文第三章里度场变塑堕垡墨鉴皇坚查竺墅堕部检修停止使用以后，需要对贮罐进行净化处理。净化的目的是要用惰性气体将贮罐内和管路系统中的空气或天然气置换出来（处理后的贮罐，人员不能进入，如要迸入修理，还需另作处理），避免形成天然气与空气的混合物，因为天然气在空气的含量达到５．３％～１０％时，即成为可燃气体。首次充注之前，贮罐内的含氧量必须按照有关要求使之低于燃烧限。

这种净化处理也称“惰化”。惰化用的气体通常采用氮气或二氧化碳，氮气可以通过空气低温液化分离或变压吸附等方法制取。

３、ＬＮＧ贮罐的允许充注量

通常，ＬＮＧ贮罐设计有～个最高液位限，贮罐内的液位不得超过此限，液位一旦超过最高液位限，液体将从溢出管排出，这是不希望出现的情况６因此，在充注ＬＮＧ时，应考虑到液体受热后的体积将会膨胀而出现液位超高的情况，需要根据充注时液体的具体情况来确定，如果充注的ＬＮＧ相对于储存压力来说，是已经膨胀了的ＬＮＧ，则可以充注到最高液位，反之则应留有适当的空间给液体膨胀。美国ＮＦＰＡ５９Ａ标准给出了确定ＬＮＧ充注量的图表（见图３－６）。操作人员可根据贮罐排放阀设定的工作压力和充注时气相空间的压力来确定允许的实际充注量。

石油大学（华东）硕士论文第三章温度场变化对液化天然气状态的影响

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图３－６实际允许的ＬＮＧ充注量

例：如贮罐最大的工作压力为６５ｐｓｉｇ，安全阀的工作压力也为６５Ｐｓｉｇ，充注时气相空间的压力为２０ｐｓｉｇ，根据图表可查出充注量为９４．３％，这是防止ＬＮＧ溢出的最大充注量。

４、贮罐压力控制

ＬＮＧ贮罐的内部压力需要控制在允许的范围之内，罐内压力过高或出现负压对贮罐都是潜在的危险。影响贮罐压力的因素很多，诸如热量进入引起液体的蒸发、充注期间液体的闪蒸、大气压下降或错误操作，都可能引起罐内压力上升。另外，在非常快的速度进行排液或抽气、充注的液体温度较低时，有可能使罐内形成负压。

ＬＮＧ贮罐应具有罐内压力的控制装置。使罐内的压力在允许范围之内。除此之外，贮罐还必须有足够的压力安全阀和真空安全阀。真空安全阀能感受当地的大气压，以判断罐内是否

石油大学（华东）硕士论文第三章温度场变化对液化天然气状态的影响出现真空。前者防止贮罐超压，后者预防贮罐出现负压。ＬＮＧ贮罐的压力安全阀和真空安全阀与罐体之间还需设置有一个手动开关的截止阀，以便安全阀的检修。安全排气装置还应充分考虑在火灾情况下如何进行安全排放。

当贮罐暴露在火灾情况下，由于火焰使贮罐的环境温度骤增，传人罐内的热量也大增，如果绝热层不会损坏，最小热流按下式计算：

。Ｈ＝１１９６．４Ｃ１Ａｏ８２＋Ｈ。

式中：（３～１）

Ｈ一一总热流，ｋＪ／ｈ

ｃｌ一一绝热层的热导率，ｗ／ｍ２，Ｋ（Ｃｌ，值随温度而增加，可使用

－１６２－＋９０５℃范围内的平均值）

Ａ一一暴露的总面积，ｍ２

Ｈ。一一在最高的环境温度下液体得到的总热量，ｋＪ／ｈ

如果绝热系统在火灾情况下可能溶化、变质或移动，绝热效果下降，传给ＬＮＧ的热量将更多。这就要求根据绝热层损失的程度予以特定的考虑，如果只损失部分绝热材料，热量的传递可按下式估算：

Ｈ＝（４６５８－２７６Ｃ２）∥８２‘Ｈ。（３—２）

在这种情况下，Ｃ２的值应该是．１６２—３８６Ｃ范围内的平均值。安全排放装置所需的排放能力应按下式计算：

Ｑ＝（４９．５ＨＬ４Ｔ／面）／Ｌ

Ｈ～一总热流，ｋＪ／ｈＬ～一贮存液体的汽化潜热。ｋＪ／奴（３－－３）式：Ｑ一一所需要的空气流最，ｍ３／ｈ（在１５．５＂Ｃ、１０１．３５ｋＰａ条件下）

石油大学（华东）硕士论文第三章温度场变化对液化天然气状态的影响

Ｔ一一安全阀进口处气体的绝对温度，Ｋ

Ｍ一一气体的分子量

对于双层壁结构的贮罐，为了防止内罐损坏时ＬＮＧ漏泄至内外罐之间的绝热空间，外罐也必须设置有足够的安全排气装置。排气通道的截面积需要根据贮罐容量来确定，ＮＦＰＡ５９Ａ规定不得少于Ｏ．００３４ｅｍ３／ｋｇ，但不超过２０００ｃｍ３。外罐安全排放装置的工作压力，不得超过外罐的设计内压和内罐的设计外压中的任何一个压力。

在实际的工作应用中，还存在大量的有关设计、制造、操作、控制和火灾预防等方面的安全问题，需要遵照有关的标准进行设计、制造和运行。

３．４本章结论

本章详细论述了液化天然气在储罐中的状态，以及影响储存状态的因素，给出了预防液化天然气在储罐内分层和泄漏的措施。主要结论有：

１）液化天然气在罐内储存时，由于温度场的影响和密度的变化，导致充注引起的分层和由于氮优先蒸发引起的自发分层。

２）在灌装期间使用液化天然气混合装置或采用恰当的灌装程序可以避免分层。

３）为了减少液化天然气泄漏影响，可以从ＬＮＧ储罐间的距离、控制贮罐压力、ＬＮＧ贮罐的允许充注量以及ＬＮＧ储罐及管路系统的净化等方面考虑。

石油大学（华东）硕士论文第四章液化天然气储罐温度场模拟

第４章液化天然气储罐温度场模拟

在低温储运设备中，由于液罐构件上的温差所造成的热应力，是设计和应用中必须重视的问题。因此低温状态下的传热分析和温度场计算，对设备的安全性和经济性是必要的和有意义的。本文主要针对在低温条件下的传热问题建立数学模型，从质量、动量和能量守恒定律着手推导出热传导方程偏微分方程和积分方程，但在初始条件下求解这样的方程是比较困难的。目前通常采用有限差分法、有限元法和边界元法进行数值计算。这里，我们主要论述稳定场有限元法和边界元法，并以低温液罐的鞍座为例，计算它们的温度场。

４．１数学模型的建立及求解

１、半回温度场的积分万程

在没有相对运动的介质中，由于温度的梯度引起介质之间能量传递，即热传导对某一截面的热流密度：

一七（器）

由能量守恒方程，可得二维热传导偏微分方程：ｍ，，

印百ａＴ＝Ｖ・∽ｒ）＋吼

在直角坐标系中可表示：（４—２）

七（窘芬卜一∥署

式中：Ｔ一温度；ｔ一时间；Ｑ一介质密度，

４ｌ汁ｓ，ｃ一比热，ｑｖ

石油大学（华东）硕士论文第四章液化天然墨堡蟥温堙！塑！型一单位容积热产生率。

把区域划分成Ｅ个有限大小的三角形单元和ｎ个节点，取插值函数Ｔ＝Ｔ（ｘ，Ｙ．ｔ，Ｔｌ。Ｔ２，…，Ｔｎ）和权函数％＝等，并利用ＧａｕＳＳ公式及边界ｒ上方向余弦关系，方程（４－１）可转化成：

若＝町ｔ、（ａ缸Ｗｉａ缸Ｔ＋鲁茜］一吼彬＋肛彬詈１蛳一４七彬丽０Ｔｄｒ＝。

（ｉ＝ｌ，２，３…ｎ）（４．４）

（４．４）式是平面温度场的积分方程。

２、积分方程的离散化数值解

对整个区域Ｄ上采用网格划分，即把Ｄ域划分成Ｅ个单元，ｎ个节点，那么积分计算就可在每个单元ｅ中进行。如果ｅ是边界单元，只有整体边界的一部分ｒｃ，所以曲线不是封闭的；如果ｅ是内部单元，不具备边界蓝线，这样曲线积分不存在。每单元具有Ｐ个离散节点，

计算后，最后合成总体方程：则式（４．４）有Ｐ种计算，每个单元

罢：壹芸：０（４－５）强智越

由于有限元法是一种离散化方法，它把所求温度场表示在区域Ｄ上无穷多个点的未知函数Ｔ的问题离散成求解Ｅ个单元上ｎ个节点上的Ｔ。的近似值，丽对每个单元内任一点的Ｔ值可以通过插值公式用节点上的温度表示。有限元法它的优点就是它的网格和节点的划分具有任意性，这样对复杂的区域和边界问题带来适应性和灵活性，对划分单元常见的有二类，一类是单纯形单元，它的形函数是常数或线性函数，该单元的顶点作

石油火学（华东）硕士论文第四章液化天然气储罐温度场模拟为节点，例如，三角形三节点单元，四边形四节点单元。另～类是复纯形单元，它的形函数往往是ｘ，Ｙ二次或二次以上的多项式，它的节点数大于单元的顶点，例如，三角形六节点，十节点；四边形八节点单元。

在传热计算中，单纯形单元的三角形单元应用较普遍，但在温度变化较剧烈的部位，可局部采用复纯形单元。这样可达到少分割、精度高的要求。温度场计算，首先对温度插入函数，然后进行变分计算。无论是三角形单元、四边形单元，ｎ个节点的温度偏导数等：ｏ，便可得到ｎ个线性方程组，简写成为：

ＯｌＰ

ｋ帆＋ＩＮｈ７～７，＝｛Ｐ｝ｒ（４—６）

式中：系数矩阵隧】为温度刚度矩阵；ＩＮ】为非稳态变温矩阵：｛Ｔ）。为未知温度列向量。娶为温度对时间变化率的列向量，｛Ｐ）ｔ为已知项组成的列向量。下标ｔ表示ｔ时刻的值。

解线性方程组即可得到１１个节点的温度值。对于稳态温度场，＿ＯＴ：０。这样：

ｋ弦｝＝∽

４．２液化天然气储罐数值模拟

４。２。Ｉ采用Ｄｅｓｉｇｎｓｐａｃｅ模拟储气槽温度场

１、结构尺寸

某液化天然气储气槽，三层结构，内层为不锈钢，外层为低合金钢，中间填珠光砂并抽真空，内层内径２６００毫米，壁厚ｌＯ毫米，外层外径３２００毫米，壁厚１０毫米，高１００００毫米，４３（４－７）

石油大学（华东）硕士论文第四章液化天然气储罐温度场模拟两头为椭圆形封头。容器有上进液口、下进液口、出液口、气相口，开口位于容器的下封头。将储气槽简化为圆柱形储罐，不考虑接口的损失。由于储气槽为轴对称结构，取１度圆弧进行分析计算。如图４—１所示。

相关几何参数如下：

筒外径：３２００毫米

总壁厚：３００毫米

不锈钢层壁厚：１０毫米

低合金钢层壁厚：１０毫米

珠光砂层壁厚：２８０毫米

图４一ｌ：１度圆弧储气槽结构示意图

导热系数：

不锈钢：；１２，２Ｗ／ｍ．℃

珠光砂；Ｏ．０２１Ｗ／ｍ．℃

１６Ｍｍ４９。８Ｗｅｒｅ．℃

边界条件：

外界温度；取三个外界温度，４０℃，２５４Ｃ，ＩＯ。Ｃ

内径温度：一１６０℃

２、有限元网格划分

石油大学（华衷）硕士论文第四章液化天然气储罐温度场模拟

采用的单元由程序自动完成。网格如图４—２所示

图４．２：有限元网格图

３、计算结果分析

图４—３～４－５分别为外界温度４０＂Ｃ、２５＂Ｃｇｌ１０＂Ｃ时的计算结果。

图４—３：外界温度为４０＂Ｃ时的分布情况