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LNG输运和储存系统的多相流计算工具
概述
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，从而造成管道和储罐的损坏。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，试验研究成本太大，因此通过数值模拟分析接收站预冷过程很有必要。
由于在卸船时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。
为了克服预冷过程中温降速率不确定的困难，本工具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。
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解决方案
主要技术挑战
· 管道尺寸长，跨度大，需要考虑预冷过程中LNG的相变，模拟出气液两相的分布
· 实际操作时间长（数天时间完成操作），瞬态计算周期计算量大，需要使用大时间步长，缩短瞬态计算时间
· 储罐喷淋需要考虑雾化液滴的快速蒸发、喷淋液滴的直径、喷射范围、喷射速度等预冷效果的影响
· 槽车、再冷凝器、高压泵等设备结构特征需要精确考虑
· 多相流的CFD计算本身难度高，对人员的要求较高，需要有较深的专业背景和应用经验
解决方案
· 开发LNG系统专用计算工具软件，实现计算域快速建模、基于向导和模板设置，提供材料库和载荷工况库
· 针对管道流场特点，对管道网格进行合理布局，降低网格数量，但不降低计算精度
· 用ANSYS fluent 蒸发/冷凝模型计算LNG在管道中的相变；用expert命令调用高级多相流界面求解模型LNG和BOG的分界面；用壳层方式铺设管道壁面层，让用户能够更加灵活方便地定义管道壁面材料厚度等参数
· 计算储罐喷淋，考查喷雾颗粒大小、喷射速率、喷射角度对冷凝效果的影响，UDF模型模拟槽车多点位的喷淋
图1. 多相流计算工具包含的多模块
图2. 多相流计算工具的操作界面
结论
· 采用创建DM最新的管道建模技术，创建了基于LNG超长输送管道和大型储罐自动化的几何生成方案，图纸校对只需校对坐标点数据，修改迅速实现对复杂管道图纸建模迅速、修改快速
· 基于LNG超长输送管道和大型储罐的流场特点，创建了适合多组分气体，多相流传质传热的网格生成方案
· 模拟实现控制多相流、多组分气体计算的收敛性和稳定性
· 对各个关键设备预冷，得到了符合物理过程的精确的模型选用，模拟结果符合实验操作预期
· 得到不同进液量下，管道壁面的温降数据，吻合实验数据
· 得到管道中LNG和BOG多相流的分布，得到大型储罐壁面的温降数据
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客户价值
· 对LNG输运和储存系统设备的任意位置温降速率，多相流分布，压力流速等进行精确模拟
· 基于ANSYS系统的软件二次开发。该软件包可用于多种结构的LNG输运和储存系统预冷仿真计算
· 该软件包界面灵活，充分空间让用户自定义设置。准确预测多种LNG输运和储存系统液冷和多相流输送计算。
· 单个任务的计算周期能够在一天左右完成，适合工程设计的计算周期需要
· 为LNG接收站的设计及工艺过程的改进提供指导和参考
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典型应用
LNG储运和储存系统的多相流计算工具在中海油某LNG接收站进行了应用，计算了长距离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了模拟，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
预冷过程中管道和储罐的温度变化与管道中的多相流分布
LNG预冷中实验和模拟结果对比与槽车中温度变化
冷凝器温度和组分变化与高压泵温度和组分变化