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预冷是确保LNG接收站顺利投产试运行的重点工作,通过预冷使常温的LNG输送管道和储罐达到温度较低工作状态,防止低温LNG 突然进入常温管道和储罐引起局部管道和储罐急剧大幅收缩造成管道和储罐损坏。为了确保LNG 接收站的顺利运行,避免发生意外,预冷效果的分析校核是必需的,由于试验研究的成本太大,通过数值模拟分析接收站预冷过程很有必要。
在卸船时LNG进人储罐导致罐内LNG体积变化会产生大量的蒸发气(BOG)。为了维持储罐压力的稳定,必须处理掉过量的BOG。因此,动态计算装卸时产生的BOG、储罐静置状态下的BOG量,管道静置状态下温升的变化都对接收站的日常设计操作有重要指导作用。
LNG输运和储存系统的多相流计算工具能够实现计算域的快速建模、基于向导和模板的计算设置,提供材料库和载荷工况库。在快速建模的基础上,能够计算长距离LNG输运管道的预冷;计算LNG相变产生的BOG以及气液两相流输运;计算大容量LNG储罐的喷淋、LNG储罐壁面温降、两相流分布;计算LNG输运和存储设备如槽车、再冷凝器、高压泵等LNG相变,动态BOG生成。
针对大型LNG储罐,尤其是复杂超大容积LNG全容储罐,基于ANSYS平台开发了专用的LNG储罐全三维建模与仿真分析系统,实现了LNG全容储罐快速精确建模、高效计算与结果校核。
LNG储罐仿真分析系统的优势体现在:
- 全三维整体建模。模型可包括内外罐以及钢筋、液体、保冷层、穹顶、吊顶、桩基础以及其他附属结构,可考虑桩土相互作用以及各部分结构之间的直接耦合作用。
- 全参数化自动建模。基于模板的结构参数和计算参数描述以及(可交互)全自动建模。
- 面向设计需求、基于规范的载荷工况定义与工况计算。可考虑温度场、预应力、恒载、活载、风载、雪载、LNG液压、设计正负压、气压试验、水压试验、泄露、地震、爆炸、冲击、火灾等各种工况,进行静力、动力、稳定性计算,并按照规范和设计要求进行SLS(适用性极限状态)及ULS(最限状态)荷载组合与评估。
- 面向设计需求的结果呈现与校核。包括液面晃动、混凝土与钢结构的内力(弯矩、剪力、轴力)与应力、穹顶屈曲载荷、裂缝宽度、结构变形、基础沉降等,可按照图片、曲线、动画、数据等形式输出计算结果,并自动生成计算报告。
- 非线性校核计算。抗外物冲击、储罐结构失效与断裂破坏分析,基础极限承载力分析等。
- 结构优化设计。基于全参数化模型与力学计算实现结构参数敏感性分析与优化设计。
LNG储运和储存系统的多相流计算工具在中海油某LNG接收站的应用,计算长距离LNG输运管道的预冷过程,并针对LNG相变产生的BOG以及气液两相流输运进行模拟,另外计算了大容量LNG储罐的喷淋、LNG储罐壁面温降、两相流分布情况。同时对LNG输运和存储设备(槽车、再冷凝器、高压泵等)的LNG相变、动态BOG生成进行了模拟计算,计算结果与试用进行比对吻合较好。
LNG管道、储罐和再冷凝器的网格
LNG管道气冷过程中气体组分分布与管道中的多相流分布
LNG预冷中实验和CFD模拟结果对比与储罐喷洒过程中温度分布