LNG卸料管线预冷过程数值模拟

朱校春（中海油福建漳州天然气有限责任公司，福建 漳州 363122）



LNG卸料管线预冷过程数值模拟

朱校春
（中海油福建漳州天然气有限责任公司，福建 漳州 363122）

摘要：国内对液化天然气（LNG）接收站初次预冷速度的控制经验相对缺乏。因此，为防止低温LNG预冷导致的管道的损坏，需在预冷前对设定的预冷操作程序进行预冷效果的分析校核。本文提出了基于计算流体力学（CFD）的LNG管道预冷分析方法。通过建立三维LNG卸料管道数值计算模型，根据国内某LNG接收站项目设计管道预冷操作程序，进行冷却过程的动态模拟计算，结果显示按预设冷却程序操作，LNG卸料管道降温速度可以维持在10℃/h范围内，满足预冷安全要求。另模拟计算结果与实际接收站预冷过程的现场测量数据进行了对比，CFD计算值与实测值比较相对误差可控制在7%以内，证明CFD预冷过程模拟完全可以用于接收站预冷程序合理性的判断和校核计算。

关键词：LNG卸料管道; 预冷方案; 数值模拟

第一作者及联系人：朱校春（1967—），男，高级工程师，主要从事天然气、LNG等方面的工程技术研究开发。E-mail zhuxch@cnooc.com.cn。

近年来，国内煤炭作为主要能源供应所带来的环境问题日趋严重，城市大气污染加重且为人们所关注。为此，各地政府部门对清洁能源的支持力度不断加大。天然气作为一种优质、高效、方便的清洁能源和化工原料[1]，资源储量巨大，是可靠的环保型替代能源。但国内石油天然气资源的储量有限，现在的产量与实际需求量相比仍有较大的缺口。因此，中国需要大力发展液化天然气（LNG）产业，在很大程度上可弥补石油资源不足、逐步提高我国环境质量[2]。

截止2014年，国内已建成LNG接收站11座，总接收能力达3450万吨/年。另有18座接收站正在建设或规划阶段。2014年国内LNG进口量1989.07万吨，相比2013年增长10.33%。可见，国内对LNG在国内一次能源消费中已经开始扮演重要的角色。天然气这一优质洁净的能源在中国具有广阔的市场前景。

一般LNG接收站建成后所有LNG管道和设备均处于常温状态，投入正常生产运行前，接收站调试期间必须对管道进行预冷，使常温的LNG输送管道和储罐温度降低至−120℃以下。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，从而造成管道和储罐的损坏[3]。为了确保LNG 接收站管道预冷方案的安全性，避免发生管道降温破坏，预冷效果的校核是必需进行的分析过程。但工程中如果通过试验进行预冷效果验证的成本太高。目前，国内一般通过建立一维或二维管道模型编程计算的方法进行校核[4-6]。但其与实际项目执行参数存在一定偏差，计算结果的准确性尚未得到验证。

近年来随着计算流体动力学（CFD）的发展和不断完善，基于CFD的模拟在石化行业已有广泛应用，其分析结果的可靠程度也得到了实际工程的验证。因此，通过数值模拟分析接收站预冷过程成为节约成本的有效方法。本文将建立三维管道模型，按照某国内接收站项目的预冷操作程序对降温过程进行模拟计算，结果与接收站预冷过程的测量数据进行对比，继而论证LNG管道预冷三维CFD数值模拟分析的准确性。

1 预冷管道建模

1.1 数学模型

管道的预冷是一个非定常流动与传热问题，描述这一问题的流体力学方程组可表示如式(1)～式(3)。

连续性方程

动量方程

能量方程

式中，V为速度矢量；ρ为密度；T为温度场；g为重力加速度；P为压力；μ为动力黏性系数；cp为比热容；τ为时间；k为流体传热系数[7]。

1.2 物理建模

管道出口的温度未知，且温度随长度方向变化，无法对管道和氮气进行简单的传热衡算。因此，需要借助软件对整个预冷过程的模拟。通过软件二次开发的方法搭建动态工艺模型和单相、两相流流体流动与传热模型，对接收站生产运营优化提供技术支持。本文预冷过程模拟选择用大型通用有限元软件ANSYS进行。

物理建模：预冷涉及的主要管段为LNG卸料管线、码头与卸料臂相连的卸料支管、LNG储罐。管道全三维结构建模，主要管道及保温层尺寸见表1。

对LNG预冷管道模型建模如图1所示，管道上温度测点布置见图2。

表1 主要LNG管线尺寸

图1 管线及储罐预冷计算模型

图2 管线测温点布置

2 冷却程序

LNG接收站预冷方式主要有蒸发气（BOG）+ LNG预冷和液氮预冷这两种方式。本项目选用BOG+LNG预冷的方案。由于预冷开始时的管道温度较高，先用LNG运输船内的BOG进行初冷却，然后再由LNG进入进行最终冷却，模拟过程中也将采用相同的冷却程序作为计算条件。

从码头LNG运输船来的BOG和LNG依次经过卸料臂、卸料管线到达LNG储罐，最终汇聚至火炬排放。原管道内填充气体为氮气。根据LNG管道预冷操作程序，预冷过程分为两个阶段。

第一阶段：BOG流量、温度随时间逐渐增加，冷却时间为30h，最终冷却BOG温度为−140℃，完成后静置6h。冷却程序中通入的BOG温度和流量如图3所示。

图3 BOG冷却流量温度曲线

第二阶段，从卸料臂通入LNG预冷，LNG经过1117.6mm卸料主管，914mm立管后进入LNG储罐。LNG总通入时间为14h，LNG通入温度为−158℃。冷却期间LNG通入的累计流量随时间变化关系如图4所示。

图4 LNG冷却期间累计流量

3 计算条件设定

初始管道内设有常温氮气充压保护。

流动边界条件：LNG卸料管道码头段直接连接LNG运输船，设定流量入口条件，计算流量与图3、图4中冷却流量设计一致。LNG进入储罐接近常压（10kPa），设定压力边界条件。

换热边界条件：中间卸料管道以自然对流考虑与外界的换热，按表1定义保温层厚度，聚氨酯材料导热系数设定为0.022W/(m·℃)。计算过程BOG、LNG流量和温度均按图3、图4的约束条件作为用户自定义函数嵌入。环境温度取20℃，忽略太阳辐射热负荷。

管道网格划分采用规则六面体网格。由于管道长度大，生成网格数量多，所需模拟计算的时间长，为控制计算的收敛性适当调节动量松弛因子，时间步长设为4s。为简化计算，忽略太阳辐射对管道的加热量。

4 计算结果对比分析

第一阶段BOG冷却期间各测温点温度的模拟结果与试验真实测量结果对比如图5所示。

从图5中可以看出，随离入口距离增大，温度响应时间（初始状态至开始温降的时间）越长。1h冷却时仅LNG入口管道有温降。随着预冷时间加长，LNG卸料管道开始顺序降温。气冷时间36h后（气冷结束时），温度降低到−130～−140℃之间。为保证管道的温降速率不超过10℃/h，在实际操作中，需要密切关注BOG流量温度，避免温降过快导致热应力太大损伤管道。

在与试验数据对比上，管道壁面温降趋势和实验结果完全一致。随着通入NG的量增多，管道壁面温度逐渐降低，在NG通入结束，管道壁面温度降低到−140℃左右。测温点实验数据和模拟数据吻合良好，部分结果与实验结果重合，模拟结果和实验结果的最大误差约7%，平均误差3%。

第二阶段进入管道预冷阶段，各测温点的温度随时间变化过程见图6。

实验数据和模拟结果对比。

（1）模拟数据和实验数据趋势完全一致。在管道液冷初期，模拟结果显示出了因为LNG通入量小，管道和外界热传导造成管道升温。

（2）随着通入量增加，管道温度逐渐下降到了LNG进口温度为−158℃。

（3）模拟数据显示的管道降温速率，略微快于实验数据的管道降温速率。模拟结果和实验结果的最大误差在6%，平均误差2%。

5 误差分析

对LNG卸料管道的预冷模拟结果与实测值尚有一定的误差，最大误差6%～7%，平均误差约2%，在数值模拟计算的允许误差范围内。分析造成误差的原因如下。

图5 第一阶段冷却LNG卸料管道各测温点温度随时间变化曲线

（1）多组分LNG计算误差。与模拟工况不同，实际LNG产品为多组分流体，实际预冷过程中冷却介质的组分也是变化的，会造成部分物性变化。另外，物性计算公式的与实际流体也存在一定的差异，导致实际温度与计算值有一定偏差。

图6 第二阶段冷却LNG卸料管道各测温点温度随时间变化曲线

（2）太阳辐射。本文计算中没有考虑太阳辐射因素，只是考虑了外界空气对管道的自然换热。在实际情况下，太阳辐射会为管道增加热源，造成管道温度略高。

（3）实验测量误差。由于实验测量条件和测量工具的限制，测试温度和实际温度值可能存在一定的测量误差。

6 结 论

本文通过采用三维有限元数值模拟计算的手段对LNG卸料管道预冷过程进行计算，其计算精度高，分析结果与实际值偏差较小，最大误差可以控制在6%～7%，完全能够满足指导前期预冷方案设计及校核性判断分析的要求。同时，通过不同工况模拟计算过程中也对预冷程序给出一些优化建议，如开始冷却时应注意控制冷流体流量、防止降温过快、造成管道的应力集中等。

参 考 文 献

[1] 王维标. 天然气及LNG工业的行业现状及展望[J]. 通用机械，2009（4）：42-45.

[2] 李青平，林越玲. 中国LNG资源及市场预测[EB/OL]. [2008-09-06]. http：//www.egas.cn/lwen/ljy/200809/2008.html.

[3] 卢超，耑锐，易冲冲，等. BOG气体对LNG输送管道预冷的数值模拟[J]. 低温工程，2012，190（6）：51-56.

[4] 严俊伟，李兆慈，赵多. LNG低温管道预冷过程数值模拟[J]. 低温与超导，2014（9）：10-14.

[5] 贾士栋，吕俊，邓青. 浙江LNG接收站卸料管线BOG预冷模拟研究[J]. 天然气工业，2013（3）：84-88.

[6] 余红梅，李兆慈，孙恒. 水平管道预冷过程研究[J]. 低温与特气，2007，27（6）：16-21.

[7] 杨世明，陶文铨. 传热学[M]. 北京：高等教育出版社，1998： 135-137.

研究开发

Numerical simulation of LNG unloading pipeline pre-cooling process

ZHU Xiaochun
（Zhangzhou LNG Project Team of CNOOC Gas & Power Group，Zhangzhou 363122，Fujian，China）

Abstract：Domestic LNG receiving terminal lack of cooling speed control experience. In order to prevent damage caused by cryogenic LNG suddenly flowing into unloading pipeline，verification of the effect of the pre-cooling operation procedure must be carried out before pre-cooling operation. A computational fluid dynamics (CFD) based analysis method is proposed in this paper. A 3D CFD model is built based on a domestic LNG receiving terminal project pre-cooling procedure，and dynamic simulation is carried out for checking the pre-cooling process. The cooling rate of LNG unloading pipe can be maintained within 10℃/h，and meet the pre-cooling safety requirement. The CFD calculation results are compared with actual measurements on site. The accuracy of numerical simulation for pre-cooling could be within 7% of test data. which proves that CFD calculation method can be used in confirming the rationality of LNG receiving terminal's pre-cooling procedure and checking calculation.

Key words：LNG unloading pipeline; pre-cooling program; numerical simulation

收稿日期：2015-07-27；修改稿日期：2015-09-26。

中图分类号：TE 821

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）02–0383–06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.007