LNG大型低温储罐稳态传热模拟与分析
稳态传热仿真实验报告
稳态传热仿真实验报告
本实验旨在通过稳态传热仿真来研究热量在不同材料中的传导。
在实验中我们选择了三种不同的材料：铜、铝和钢，并通过对其进行传热仿真来比较它们的热传导特性。
实验过程中，我们首先准备了三种不同材料的试样，并确保其表面光洁平整。
然后，我们将试样放置在一个稳定的环境中，其中一侧与高温热源接触，另一侧与低温环境接触。
接下来，我们使用有限元软件（如ANSYS等）对试样进行稳态传热仿真。
在仿真过程中，我们根据试样的物理特性和边界条件输入相关参数。
然后，仿真软件根据传热方程和材料性质进行计算，并给出稳态下的温度分布。
通过可视化软件，我们能够清楚地观察到热量在试样中的传导路径和分布情况。
实验结果显示，铜材料在传热方面表现最优，其传导热量较高，温度分布均匀。
而铝材料传热性能较差，温度分布不均匀。
钢材料在这方面介于两者之间。
这些结果与我们对材料的物理特性的基本了解吻合，即不同材料的导热系数不同，从而影响了传热性能。
通过本次实验，我们深入了解了稳态传热的原理和仿真方法，并得出了不同材料传热特性的比较结果。
这对于我们选择合适的材料应用于不同传热场景具有重要的参考价值。
此外，本实验也展示了仿真方法在研究和优化传热过程中的广泛应用前景。
LNG大型低温储罐热防护系统分析
全 容 积 式储 罐 由一 个 钢 制 内罐 及 一 个 预 应 力 混凝 土 外 罐 组 成 。 内罐 用 于 存储 Ｌ ＮＧ液 体 ，外 罐 用来存 储Ｌ ＮＧ液 体 蒸 发 气 。为 避 免 内 罐 泄 漏 使 Ｌ Ｎ Ｇ 液体与混凝土外罐接触，Ｌ ＮＧ 储罐 内外罐之 间设立 一套热 防 护系 统 （ Ｔ Ｐ Ｓ ），其 结构 主要 由环
性；
热 防 护 系 统 与 混 凝 土 外 罐 之 间 充 满 保 冷 材 料 ， 其 厚 度 Ｘｐ 设计应满 足Ｌ ＮＧ储 罐 保 冷 防 护 要 求 ，其设 计 高 度ｈ 取 决于 温度 分 布 和 刚性 拐 角 的变 形 能 力 ，按 照Ｅ Ｎ １ ４ ６ ２ ０ 标 准 ，底 板 厚度 不应 小 于５
ＬＮＧ项 目 ， 中 石 化 总 公 司 也在 青 岛 、江 苏 、天 津及 我 国西部 、 中部地 区等 地建 设
Ｌ ＮＧ项 目 。Ｌ ＮＧ储 罐 作 为 Ｌ ＮＧ接 收 站 的 核 心 设 备 之 其 安 全 平 稳运 行 是 整个 Ｌ ＮＧ接 收 站和 在 建 的Ｌ ＮＧ 储 罐 结构 多采 用 全容 积 式 储 罐 这 一 结 构形 式 ，该储 罐 由
Ｔ Ｃ Ｐ 系统的结构、选材及稳定性校核等方面展开分 析研 究 ，探 求热 防护 系统 的有 效设 计方法 。 １ 全容积式储罐热 防护系统结构简介
１ ． １ 热 防护 系统 结构 组成
板 、简体、绝热材料及底板四部分 组成 ，具体结
构 如 图１ 所示 。
作者简介 ：王美波 （ １ ９ ８ ２ 一），男，天津人，硕士研究生， 机械
１ ． ２ Ｌ ＮＧ储 罐热 防护 系统 选材 由于 Ｌ ＮＧ为温 度 约一 １ ６ ５ ℃ 的 超 低温 液 体 ，因
储罐温度作用的仿真分析
储罐温度作用的仿真分析郝进锋;高建华;刘桂德;李想;隋明【摘要】介绍了一座15万m3大型储罐的结构、材料及基本参数,运用有限元原理,借助数值仿真软件ADINA,对低温及重力共同作用下的储罐进行了应力分析,获得了储罐在不同温度作用下各层壁板的应力分布情况,并根据应力分析结果对储罐进行了强度校核.结果表明:储罐自重和温度共同作用下均符合强度条件,为储液罐的安全过冬提供了理论依据.%A 150000 m3 large tank structure, materials and basic parameters were introduced. Based on finite element theory, the wall stress distribution of tank under the action of low temperature and weight was obtained by the numerical simulation software ADINA, and the tank' s strength was checked according to the stress analysis results. The results showed that, tank under the action of low temperature and weight meet the requirements of strength, and it provides a theoretical basis for the safety of the liquid storage tanks in winter.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2012(034)011【总页数】3页(P74-76)【关键词】储罐;应力分析;数值模拟;ADINA;温度作用【作者】郝进锋;高建华;刘桂德;李想;隋明【作者单位】东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;四川工商职业技术学院,四川都江堰611800【正文语种】中文【中图分类】TU249.9位于大庆市某油库的一15万m3的双盘浮顶油罐，采用全钢结构，由大庆油田工程有限公司设计。
大型立式低温LNG储罐的结构设计和强度研究
大型立式低温LNG储罐的结构设计和强度研究发布时间：2021-01-28T13:53:37.627Z 来源：《科学与技术》2020年第28期作者：王高峰[导读] 文章主要是分析了LNG低温储罐的发展来由，王高峰天圜工程有限公司，湖北武汉 433074摘要：文章主要是分析了LNG低温储罐的发展来由，在此基础上讲解了大型立式低温LNG储罐结构的设计要求最后探讨了大型立式低温LNG储罐结构设计和强度分析，望能为有关人员提供到一定的帮助和参考。
关键字：LNG；立式低温LNG储罐；结构设计 1前言大型立式低温夜华天然气LNG储罐是能够运输和储存LNG的重要设备，其的占地面积较小且投入成本低，已被广泛应用。
低温LNG储罐的结构设计、强度等都会直接影响到储罐的整体性能，为此应当重视到其的结构和强度分析，有关人员在设计的过程中应当考虑的更为全面。
2 LNG低温储罐发展来由当前国内环境污染的问题日益突出、天然气价格改革加快实施和“十三五”规划的临近，大力推进天然气发展。
天然气作为一种低污染、高效、清洁的能源，越来越受到人们的重视。
它可以拯救生命。
未来，天然气的发展将迎来一个历史性转折点，特别是在工业、人口等通常不需要生产的地区。
因此，要解决这种不平衡，不仅要解决运输问题，还要解决经济和仓储问题，当天然气冷却到-162度时会在正常压力下由气体变为液体，称为液化天然气液化气天然气是天然气的600倍。
它具有高效、经济的特点，广泛应用于大型低温设备中仓库。
3大型立式低温LNG储罐结构设计要求 3.1足够大的温度范围液化天然气（LNG）是一种超低温液态天然气，在储存和存储过程中必须保持低温。
输送的天然气的沸点是-160°C，最高室温约为60°C，温度范围储罐的容积应为-170-60°C。
在低温下，压缩LNG体积仅为原始体积的1/625，并且蒸发压力较高，因此，大型立式低温LNG储罐必须能够承受更大的压力，通常都会在1.5至30KPa的范围内。
一文详解LNG常压低温储罐，你想知道的都在这！
⼀⽂详解LNG常压低温储罐，你想知道的都在这！LNG低温储罐有哪些特殊要求？1. 耐低温常压下液化天然⽓的沸点为-160℃。
LNG选择低温常压储存⽅式，将天然⽓的温度降到沸点以下，使储液罐的操作压⼒稍⾼于常压，与⾼压常温储存⽅式相⽐，可以⼤⼤降低罐壁厚度，提⾼安全性能。
因此，LNG要求储液罐体具有良好的耐低温性能和优异的保冷性能。
2. 安全要求⾼由于罐内储存的是低温液体，储罐⼀旦出现意外，冷藏的液体会⼤量挥发，⽓化量⼤约是原来冷藏状态下的300倍，在⼤⽓中形成会⾃动引爆的⽓团。
因此，API、BS等规范都要求储罐采⽤双层壁结构，运⽤封拦理念，在第⼀层罐体泄漏时，第⼆层罐体可对泄漏液体与蒸发⽓实现完全封拦，确保储存安全。
3. 材料特殊内罐壁要求耐低温，⼀般选⽤9Ni钢或铝合⾦等材料，外罐壁为预应⼒钢筋混凝⼟。
4. 保温措施严格由于罐内外温差最⾼可达200℃，要使罐内温度保持在-160℃，罐体就要具有良好的保冷性能，在内罐和外罐之间填充⾼性能的保冷材料。
罐底保冷材料还要有⾜够的承压性能。
5. 抗震性能好⼀般建筑物的抗震要求是在规定地震荷载下裂⽽不倒。
为确保储罐在意外荷载作⽤下的安全，储罐必须具有良好的抗震性能。
对LNG储罐则要求在规定地震荷载下不倒也不裂。
因次，选择的建造场地⼀般要避开地震断裂带，在施⼯前要对储罐做抗震试验，分析动态条件下储罐的结构性能，确保在给定地震烈度下罐体不损坏。
6. 施⼯要求严格储罐焊缝必须进⾏100%磁粉检测(MT)及100%真空⽓密检测(VBT)。
要严格选择保冷材料，施⼯中应遵循规定的程序。
为防⽌混凝⼟出现裂纹，均采⽤后张拉预应⼒施⼯，对罐壁垂直度控制⼗分严格。
混凝⼟外罐顶应具备较⾼的抗压、抗拉能⼒，能抵御⼀般坠落物的击打。
由于罐底混凝⼟较厚，浇注时要控制⽔化温度，防⽌因温度应⼒产⽣的开裂。
LNG低温储罐的构件特点？1. 内罐壁内罐壁是低温储罐的主要构件，由耐低温、具有较好机械性能的钢板焊接⽽成，⼀般选⽤A5372级、A516 Gr.60、Gr18Ni9、ASME的304等特种钢材。
LNG低温储罐介绍
1、LNG低温储罐结构LNG低温储罐一般分为立式储罐和卧式储罐，其原理结构基本一致，现我以卧式储罐为例给大家讲解下其结构以及使用常识。
低温储罐为双层结构，内胆储存低温液体，承受介质的压力和低温，内胆的材料采用耐低温奥氏体不锈钢板材（0Cr18Ni9）；外壳为内胆的保护层，与内胆之间保持一定间距，形成绝热空间，承受内胆和介质的重力负载以及绝热层的真空负压。
外壳不接触低温，采用容器钢制作。
绝热层大多填充珠光砂，抽高真空。
低温储罐蒸发量一般不高于百分之零点二。
内容器在气相管路上设计有安全阀在超压时起到保护储罐的作用。
在超压情况下，安全阀打开，其作用是放散由绝热层和支撑正常的漏热损失导致的压力上升或真空遭破坏后以及在失火条件下的加速漏热导致的压力上升。
外壳在超压条件下的保护是通过爆破装置来实现的。
如果内胆发生泄漏（导致夹套压力超高），爆破装置将打开泄压。
万一爆破装置发生泄漏将导致真空破坏，这时可以发现储罐外壳出现“发汗”和结霜现象。
当然，在与罐体连接的管道末端出现的结霜或凝水现象是正常的。
另外储罐所有的管阀件都设置在储罐的一端。
LNG低温储罐管路一般有：上进液管路（上进液管路在储罐内部并不是一根单一的管口而是像淋浴一样的花洒分布，这样设计有助于卸车时及时将储罐内部产生的B O G 液化使储罐压力降低以及保证储罐内部均匀预冷）、下进液管路、出液管路、气相管路（气相管路又分为B O G管路和E A G放空管路）、溢流口管路、上液位管（连接储罐液位计H端以及储罐压力表入口端）、下液位管（连接储罐液位计L端）。
2、储罐增压原理1、储罐增压：低温储罐的出液以储罐的静压差以及气相压力为动力。
在储罐液位下降速度较快的时候，储罐内部气相空间增压，导致储罐内部压力下降。
因此此时需向储罐内部补充气体，以维持储罐内部压力不变，才能满足其工艺需求。
储罐增压所需设备有：储罐增压器（空温式汽化器）、管路、阀门（阀门可安装紧急切断阀通过PLC程序控制自动开关也可安装降压调节阀待储罐压力低于设定值时自动打开，高于设定值时自动关闭）。
LNG 储罐低温绝热性能的研究
图1 不同容量的LNG储罐甲烷含量与BOG日蒸发率的关系图2 纵坐标截取值的线性拟合
是每种材料最高温度表面的温度，是最低温度表面的温度：
式中，
图3 等效传热示意图
其中，为太阳辐射；为对流传热；为考虑的对流系数；为罐顶材料的吸收率。
为进入混凝土层的热量；是通过容器壁和罐体底部的热量；度；为罐顶和绝缘层之间的温度；
和分别为混凝土层和绝热层的热传导率。
储罐罐顶的表面温度：
为管道的长度；为环境温度；
为绝缘材料的传导率。
为
对于计算通过装卸泵进入的热量，传热过程的计算
为通过泵传递给为每的蒸发率和温度的改变不会影响
蒸发率增大时，从
（a）整体结构 （b）动力部分结构
图1 皮带式抽油机整体及动力部分结构示意图
三相异步电机经减速器后，将动力输出至下链轮从而驱动链轮及传动链的转动，由于皮带式抽油机传动链条始终保持同一方向转动，为了实现井下抽油杆及其配套工具的往复运动，采用了曲拐与滑车架相结合的机械式换向结构，图2所示为机械换向结构示意图。
曲拐头部与传动链相连接，相当于传动链条的一个特殊链节，始终与传动链条保持运动且保持相对静止，曲拐圆轴部
的成本的比较提供了基础。
全容式LNG储罐罐体温度场计算及分析
0前言由于国内天然气需求量的增加 , 船运进口 LNG 数量也随之增加 , 与之相配套的 LNG 接收站建设迅速发展。
国内沿海地区大批 LNG 接收站已经建成或正在建设之中 [1]。
LNG 储罐是接收站最重要的设备 , 属常压、超低温大型烃类储罐 , 全容式储罐是目前普遍采用的罐型。
一般情况下 , LNG 常压储存 , 储存温度为 -162℃。
由于储罐内部与环境存在巨大温差 , 而且大型 LNG 储罐的罐底与罐壁、罐顶与罐壁处的连接处结构较为复杂 , 形成温度梯度产生热应力 , 在低温部位影响储罐的机械性能 [2]。
对大型全容式 LNG 储罐的温度场进行计算对储罐的设计有重要意义。
国内对 LNG 储存设施温度场的研究集中在 LNG 船和小型 LNG 储罐上 , 对LNG 大中型储罐的温度场研究较少。
冯武文等人对 LNG 船船体温度分布作了详细研究 [3]; 上海交通大学对低温容器的热力研究较多 ; 杨敏之等人利用有限元法和边界元法计算液化气船低温液罐鞍座的温度场 [4]; 汪顺华等人采用数值差分法求解出低温储罐绝热层内部温度变化规律 [5]; 邱林等人对 LNG 船遇冷过程前后液货舱内气体温度分布进行了计算 [6]。
在国外 , Chen Q S 等人对 LNG 加气站中 LNG 低温储罐内的温度和压力变化进行了分析 [7]; Boukeffa D 等人以一个液氮容器颈管为研究对象 , 对颈管壁的温度场进行了研究实验测量和数值计算 [8]; Khemis O 等人对低温容器传热进行了实验研究 [9]。
1全容式 LNG 储罐基本结构目前我国正在建设和已投入使用的大型 LNG 储罐全容式 LNG 储罐罐体温度场计算及分析李海润 1徐嘉爽 1李兆慈 21.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司, 四川成都 6100412.中国石油大学 (北京 , 北京102249摘要 :全容式 LNG 储罐是目前国内 LNG 接收站普遍采用的罐型 , LNG 储罐储存低温液体 , 内外温差大 , 罐体结构复杂 , 温度场分布对储罐的结构设计影响大。
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材料名 玻璃纤维毯 膨胀珍珠岩 泡沫玻璃砖 预应力混凝土
表 1 LNG 储罐绝热材料热物理参数
密度/kg/m3 导热系数/W/(mK) 比热容/J/(kgK)
16
0.03838
792
760
0.0391
753.74
2180
0.05592
837.49
2500
2.326
837.21
1 引言 LNG 储罐主要用于 LNG 液化工厂或者接收终端来贮存液化天然气[1]，与常规石化储罐相
比，LNG 储罐内的工质贮存温度可达-165℃，为了保证其正常工作，LNG 储罐必须要配置良 好的绝热系统。EN14620[2]中规定“LNG 储罐的绝热并非贮存系统的辅助部分，而是必备的构 件，储罐在没有合理的设计、安装及维护的绝热系统时不能投入运行”。LNG 在存储过程中 会因罐体的热损失而蒸发，根据对 BOG 气体的处理工艺要求，要通过绝热系统控制其蒸发率 在一定范围内，一般大型 LNG 储罐的日蒸发率在 0.05%左右。LNG 储罐的许多结构部件，如 混凝土外罐内衬等某些钢制构要避免低温的影响，同时罐体外部要防止温度过低而使得水蒸 气结露或结冰，同时罐底的低温会引起土壤的冻胀，破坏储罐的基础，所有这些都对 LNG 储罐的绝热设计提出了较高的要求。
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2 2
2010 年度优秀科技论文评选活动入围作品
图 2 16 万方全容罐几何尺寸
图 3 有限元模型网格划分
2.2 计算模型及边界条件 按照文献[5]简化后的无内热源二维稳态导热直角坐标系下的控制微分方程为：
(λ T ) (λ T ) 0 x x y y
经过有限元计算所得的整个罐体的总热损失为 200kW，由此可求出日蒸发率为 0.044%， 满足 LNG 大型低温储罐的日蒸发率要求。
整个罐体的温度分布情况见图 1 中 a)。由图可见，储罐的外罐壁温度均维持在 30℃以 上，因此可以避免外部的结露或结冰。罐壁、罐顶和罐底的大部分温度分布基本均匀，但在 罐底边角和罐顶边角处的温度变化却不规则，见图 b)、c）由于这些部位存在不同的绝热材 料和其他结构件，因此要对这些位置进行特别的考察，从而补充理论计算的结果，为设计提 供支持。
常数，Ti 为表面 i 的绝对温度。
边界条件做如下设定：当地罐外空气露点温度为 28℃，罐外对流换热的室外空气温度 分别考虑在太阳辐射作用下的罐壁、罐顶和罐底的日平均等效环境温度；表面传热系数按照 文献[5]中的实验公式进行计算。吊顶的玻璃纤维毯和罐顶内衬及珍珠岩之间为辐射换热；内 罐外表面始终保持在-165℃；罐体轴线处为绝热边界条件。
LNG 储罐从结构上可分为单容罐、双容罐、全容罐和薄膜罐，不同类型的 LNG 储罐的绝 热系统各有区别，其中 LNG 全容罐有两层流体承载层，在内罐泄漏时能保证密封性，因此具 有占地面积小，可靠性和安全性高的优势，在世界范围内得到了广泛的应用，图 1 是 LNG 全容罐的一种结构形式。LNG 储罐的绝热设计一般按照正常操作下的当地夏季最不利工况进 行设计，通过控制热损失以满足工艺对日蒸发率的要求，但由于 LNG 储罐对绝热的特殊要求， 设计完成时有必要对整个罐体的传热特性进行分析， EN14620[3]中也规定用有限元（FEM） 计算以提供绝热设计的补充资料。本文即根据此要求对 LNG 全容罐进行了稳态传热模拟，并 通过计算结果对储罐的结构和绝热系统进行了分析。
（1）
辐射换热公式按照 ANSYS 帮助文档中给出：
N
i 1
δ ji εi
Fji
1
εi
εi
1 Ai
Qi
N i 1
δ ji
Fji
ζTi 4
（2）
式中，T 为温度；λ 为导热系数；N 为辐射表面的数量， δ ji 为 Kronecker 数， εi 为有
效的表面发射率，Fji 为辐射角系数，Ai 为表面积，Qi 为表面热损失，ζ 为 Stefan-Boltzmann
2 模型及计算方法 2.1 储罐的几何模型
以容积为 160000m3 的 LNG 全容罐作为研究对象，罐体的结构和具体尺寸见图 2。罐壁采 用膨胀珍珠岩绝热，罐底采用泡沫玻璃砖绝热，罐顶采用玻璃纤维毯绝热。绝热材料的热物 理特性取自文献[4],见表 1。文中分别考察罐壁及罐壁底部边角的径向，轴线处罐顶及罐顶边 角的高度方向，轴线处罐底及罐底边角的高度方向的传热情况。
利用有限元计算软件 ANSYS 10.0 按照图 2 几何尺寸建立二维模型进行网格划分[6]，得 到单元总数为 36603，节点总数为 114086，划分完成的局部有限元网格见图 3。
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3 计算结果 3.1 罐体
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1 主容器 3 底部绝热 4 基础 5 基础加热系统 6 弹性密封垫 7 悬浮吊顶 10 混凝土罐顶 11 预应力混凝土外罐 12 预应力混凝土外罐的内部绝热
图 1 LNG 全容罐结构[2]
2010 年度优秀科技论文评选活动入围作品
LNG 大型低温储稳态传热模拟与分析
海洋石油工程股份有限公司 天津 300451 魏会东 周美珍 张艳春 苏娟
摘要：基于 LNG 大型低温储罐的结构及绝热设计的特殊要求，利用有限元方法分析了储罐的 传热特性，计算了总的热损失从而得到日蒸发率，并校核了外罐的外壁面温度是否满足不结 露/结冰的要求，同时得到了罐壁、罐顶和罐底的温度场，指出了边角部位的传热特性。 关键词：LNG 储罐绝热 传热特性 有限元
a）
b)
c) 图 4 LNG 储罐温度分布
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温度/℃ 温度/℃
2010 年度优秀科技论文评选活动入围作品
3.2 罐壁
50 0
-50 -100 -150 -200
39.9 40.2 40.5 40.8 41.1 41.4 41.7