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泄露時(shí)熱保護(hù)角對LNG外罐溫度場的影響

文檔作者：萬成亮孫建剛王振清崔利富李想文檔來源： 1．河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院 2．大連民族大學(xué)土木工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年11月18日
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56 低溫建筑技術(shù) 2015年第11期(總第209期)
DOI：10．13905／j．cnki．a(chǎn)wjz．2015．11．020
泄露時(shí)熱保護(hù)角對LNG外罐溫度場的影響
萬成亮 ， 孫建剛 ， 王振清 ， 崔利富。， 李想
(1．河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院， 鄭州450001； 2．大連民族大學(xué)土木工程學(xué)院， 遼寧大連116600)
【摘要】 為研究熱保護(hù)角在泄露工況下對LNG外罐溫度場的影響，以l6萬m’LNG預(yù)應(yīng)力混凝土全容式
儲罐為研究對象，借助有限元軟件ANSYS下的FLUENT建立了儲罐的保溫層和外罐壁二維平面模型，考慮儲罐內(nèi)
液體動(dòng)態(tài)泄露過程中和泄露完成后超低溫液體對混凝土外罐的影響，對儲罐的溫度場進(jìn)行模擬分析。分析表明，
受熱保護(hù)角作用的混凝土外罐高度越低，溫度變化越緩慢。不同工況受熱保護(hù)角作用的混凝土外罐溫度場在前
期差異明顯，但是隨著時(shí)間的推移，受影響混凝土外罐溫度場趨于相同。
【關(guān)鍵詞】溫度場；動(dòng)態(tài)泄露；熱保護(hù)角；溫度梯度；LNG外罐
【中圖分類號】TU311．41 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 B 【文章編號】 1001—6864(2015)11—0056—03
LNG全容罐由一個(gè)鋼制內(nèi)罐和一個(gè)混凝土外罐
組成。一旦內(nèi)罐出現(xiàn)局部破裂，泄露的低溫液體主要
影響混凝土外罐壁，使外罐內(nèi)壁面與外壁面之間形成
溫差，進(jìn)而產(chǎn)生溫度應(yīng)力以及液體自身重力等不利荷
載 。為減小溫度應(yīng)力的產(chǎn)生，工程中在靠近外罐
底部的位置布置了泡沫玻璃磚構(gòu)成的熱保護(hù)角(TCP)
． 使得液體無法與外罐壁直接接觸，只能通過TCP進(jìn)
行熱傳導(dǎo)從而保護(hù)外罐壁。因此研究TCP在不同動(dòng)
態(tài)泄露工況下對外罐溫度場的影響并找出溫度場變
化規(guī)律對儲罐的安全防護(hù)有重要幫助。
1 全容LNG儲罐的參數(shù)
采用16×10 m 全容式LNG儲罐。外罐壁厚
0．8m，罐壁高38．55m，外罐壁內(nèi)側(cè)中心直徑82m；儲液
高度34．26m，內(nèi)罐與外罐壁間隔lm，內(nèi)罐壁中心直徑
為80m㈨。
保溫層從主容器外側(cè)至外罐壁內(nèi)側(cè)依次為玻璃
纖維毯、膨脹珍珠巖、熱保護(hù)邊角為高度5m的泡沫玻
璃磚，外罐壁為預(yù)應(yīng)力混凝土，罐體的徑向剖面及材
料的熱物理特性見表1及圖1[3 3。
表1 罐壁材料熱物理參數(shù)
外壁面外表面保持為對流邊界條件，表面對流傳
熱系數(shù)為25W／(m ·K)，罐壁周向外表面及高度方
向外表面均為絕熱邊界條件。
[基金項(xiàng)目] 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278089)
l2
、
I 1
I
／ 4
．＼ 目 ln
∞
n
~)．34mI 10．15m I＼3
1．玻璃纖維毯；2膨脹珍珠巖；3．泡沫玻璃磚；4．預(yù)應(yīng)力混凝土
圖1 罐徑向幾何尺寸
2 泄露工況仿真參數(shù)
對LNG泄漏時(shí)外罐壁溫度場進(jìn)行模擬，建模的內(nèi)
容包括出現(xiàn)泄露孑L的內(nèi)罐壁、保溫層和外罐壁預(yù)應(yīng)力
混凝土；外罐外表面與空氣進(jìn)行對流換熱，環(huán)境溫度
為24~C，預(yù)應(yīng)力混凝土熱傳導(dǎo)系數(shù)為2．326 W／m·K，
LNG相關(guān)參數(shù) ：溫度為一162℃ ；密度為424 ks／
m ；比熱為4000J／kg·K；熱傳導(dǎo)系數(shù)為0．0687 W／m
· K；粘度為1．37 X 10～kg／In·s。
3 創(chuàng)建模型與模型驗(yàn)證
仿真所用模型用ANSYS 15自帶的Geometry創(chuàng)建
實(shí)體模型，進(jìn)入Mesh中劃分網(wǎng)格，而后導(dǎo)入Fluent對
保溫層采用多孔介質(zhì)模型中進(jìn)行計(jì)算。使用文7中的
流量泄露公式用UDF編程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)泄露模擬。用編
程實(shí)現(xiàn)高度檢測功能測出保溫層中液體高度h，用公
式計(jì)算出內(nèi)罐流出液體后的高度日。將此數(shù)值代人公
式不停迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)泄露工況的模擬。
試驗(yàn)證明相同泄露時(shí)間兩個(gè)tJ,~L的泄露量與當(dāng)

58 低溫建筑技術(shù) 2015年第11期(總第209期)
在厚度方向起作用，當(dāng)泄露孔高度過高時(shí)在高度方向
同樣作用明顯。受其保護(hù)的混凝土外罐高度越低，溫
度變化越緩慢。
泄露600h四種工況如圖8一圖11所示，此時(shí)溫度
場基本相同。說明泄露孔高度和面積等不同所造成
的差異主要集中在前期，而到了后期將要達(dá)到平衡時(shí)
各個(gè)位置溫度相差不大。不同工況條件下受熱保護(hù)
角作用的混凝土外罐溫度場變化在前期差異明顯，但
隨著時(shí)間推移，受影響混凝土外罐溫度場趨于相同。
(3) 熱保護(hù)角作用分析。不同工況條件下，混
凝土外壁面雖達(dá)到最低值時(shí)間有所不同，但最低值大
小相差不大。外罐外壁面各高度溫度相差不大，不能
很好的說明TCP的作用。因此要考證TCP的影響，對
外罐壁底部中間位置溫度變化曲線進(jìn)行分析。
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時(shí)間，II
圖12 工況1各高度溫度時(shí)程曲線
高4m
高15m
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圖l3 工況2各高度溫度時(shí)程曲線
薹 一r?～??～一 二罐底? 葛2 一： 高4m
lo0 200 300 40o S00 600
時(shí)間，ll
圖l4 工況3各高度溫度時(shí)程曲線
由圖12～圖15可知，在熱保護(hù)角的作用下外罐
壁中部溫度下降有明顯減小，保護(hù)作用明顯。四種工
況不受熱保護(hù)角作用的外罐壁中部溫度在達(dá)到最小
值時(shí)所用時(shí)間和數(shù)值大小差異明顯。但受熱保護(hù)角
作用的外罐壁則規(guī)律明顯。相同泄露孔面積條件下，
泄露孑L高度越高，受熱保護(hù)角作用外罐壁溫度變化越
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贈 。
一10
l00 200 300 4OO 50o 6o0
時(shí)間，ll
圖l5 工況4各高度溫度時(shí)程曲線
高4m
高15m
小，其達(dá)到最小值所用時(shí)間越長。相同泄露孔高度條
件下，孔洞面積越大，受熱保護(hù)角作用外罐壁溫度變
化越小，其達(dá)到最小值所用時(shí)間越長。
5 結(jié)語
(1) 熱保護(hù)角的保護(hù)功能不只在厚度方向起作
用，當(dāng)泄露孔高度過高時(shí)在高度方向同樣作用明顯。
受其保護(hù)的混凝土外罐高度越低，溫度變化越緩慢。
(2) 不同工況條件下受熱保護(hù)角作用的混凝土
外罐溫度場變化在前期差異明顯，但是隨著時(shí)間的推
移，受影響混凝土外罐溫度場趨于相同。
(3) 相同泄露孔面積條件下，泄露孔高度越高，
受熱保護(hù)角作用外罐壁溫度變化越小，其達(dá)到最小值
所用時(shí)間越長。相同泄露孔高度條件下，孔洞面積越
大，受熱保護(hù)角作用外罐壁溫度變化越小，其達(dá)到最
小值所用時(shí)間越長。
參考文獻(xiàn)
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[J]．油氣運(yùn)輸，2012，31(10)：777—779．
[收稿日期】2015—07—22
[作者簡介] 萬成亮(1988一)，男，河南固始人，碩士研究生，
從事防災(zāi)減災(zāi)工程研究。
【通訊作者] 孫建剛(1959一)，男，黑龍江安達(dá)人，教授，博導(dǎo)
生導(dǎo)師，從事防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程研究。
、醚贈

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