CN103942399B - 一种浮式液化天然气平台液化过程的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮式液化天然气平台液化过程的仿真方法，采用建立天然气液化系统中的固体结构3D模型和气液两相流3D模型，将计算的得到的固体结构初始状态，作为边界条件加载到气液两相流初始状态中，然后通过瞬态流固耦合方法对整个天然气液化系统进行计算，获得浮式平台天然气液化过程的动态仿真计算结果；该方法能够同时模拟天然气液化系统在海洋平台晃动作用下气液两相液体相变、流动过程，可对现有天然气液化工艺和设备进行分析、优化，使其适应海洋平台晃动大、空间有限、安全性要求高等特点。

Description

一种浮式液化天然气平台液化过程的仿真方法

技术领域

本发明涉及天然气液化领域，尤其涉及一种浮式液化天然气平台液化过程的仿真方法。

背景技术

天然气液化过程是浮式液化天然气平台生产的关键过程之一，对现有天然气液化工艺和设备进行分析、优化，使其适应海洋平台晃动大、空间有限、安全性要求高等特点，一直是制约浮式液化天然气平台低成本、高效、稳定运行的关键问题。因此对该问题的研究，成为液化天然气研究领域中极为关键且重要的研究课题。

浮式液化天然气平台液化系统一般采用深冷液化该工艺方法，将天然气温度降到-162℃以下，使其转变为液态。该过程热、流变化剧烈，且系统工作在晃动剧烈的海洋平台上，传统实验方法与化工流程仿真分析不能有效加载动态影响因素，只能通过分析固体结构的动态响应和经验方法对液化过程进行定性分析。因此本发明提出一种浮式液化天然气平台液化过程的仿真方法，针对浮式平台的特点，动态地、可视化地描述浮式平台天然气液化过程，对浮式平台液化系统的优化设计具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种浮式液化天然气平台液化过程的仿真方法，提高了天然气液化仿真建模的效率，以解决现有技术不能加载浮式平台晃动、无法动态描述天然气液化过程的诸多不足。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明浮式液化天然气平台液化过程的仿真方法包括以下几个步骤：

步骤1：建立天然气气源各组分的材料属性数据库；

步骤2：建立天然气液化系统中的固体结构3D模型；

步骤3：建立天然气液化系统包含固体结构、天然气气液两相流、闲置空间的三种实体区域母体3D模型，并在所述母体3D模型基础上对步骤2的固体结构3D模型进行计算，分离出所述天然气液化系统中的气液两相流3D模型；

步骤4：对步骤2中所述固体结构3D模型进行网格化处理，获得所述固体结构3D模型的网格化离散模型；

步骤5：对步骤3中所述气液两相流3D模型进行网格化处理，获得所述气液两相流3D模型的网格化离散模型；

步骤6：基于步骤4得到的固体结构网格化离散模型，导入海洋平台的振动信号，对液化系统的固体结构进行振动响应、形变计算，得到固体结构的初始状态；

步骤7：基于步骤5得到的气液两相流网格化离散模型，对天然气气液两相流传热、相变行为进行稳态计算，获得所述气液两相流各组分的比例、温度、压力、流动分布的初始状态；

步骤8：将步骤6得到的固体结构初始状态，作为边界条件加载到步骤7得到的气液两相流初试状态中，然后通过瞬态流固耦合方法(FSI Model)对整个天然气液化系统进行计算，获得浮式平台天然气液化过程的动态仿真计算结果。

步骤9：采用流体后处理软件对仿真结果进行分析，加载瞬态分析结果，采用天然气各组分气相与液相的体积分数动态地观测天然气组分变化，并且利用云图、视频再现浮式平台天然气的液化过程中温度、压力、流动状态的变化。

进一步地，所述步骤3中，以天然气液化系统进口、出口为最外边界层，建立包含固体结构、天然气气液两相流、闲置空间三种实体区域的母体3D模型，在该母体3D模型基础上对所述的固体结构3D模型进行三维求差计算，计算结果中气液两相流与闲置空间相互独立，手动去除闲置空间获得气液两相流3D模型。

进一步地，所述步骤8中瞬态流固耦合方法的耦合参数包括：温度、压力、振动信号、固体形变量。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明建立的描述浮式平台天然气液化过程的仿真模型，采用将固体结构和气液两相流耦合，加载振动、形变因素等对天然气系统进行计算，揭示了浮式平台液化系统中天然气的运动规律，动态地、可视化地描述天然气液化过程；为设计出适用于浮式平台的天然气液化系统提供依据，使得浮式液化天然气平台液化系统在仿真模型建立、参数分析以及优化设计等方面提供综合性的创新思路，从而推进低成本、高效、稳定运行的浮式天然气液化系统的发展。

附图说明：

图1为本发明浮式液化天然气平台液化过程仿真建模流程图；

图2为液态天然气出口速度随时间变化云图；

图3为液态天然气出口平均速度随时间变化曲线；

图4为流体区域中心位置两个截面的温度分布云图；

图5为流体流线分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明浮式液化天然气平台液化过程仿真方法具体过程包括以下步骤：

步骤1：建立天然气气源各组分的材料属性数据库

基于Peng Dobinson数据库，采用二元均相混合物方法(Homogeneous BinaryMixture)进行同一物质的相变过程，根据气源情况调整模型入口的材料体积分数。由于天然气是多种物质混合，随气源地理位置、采集条件变化，因此需要在ANSYS-CFX中建立常规天然气各组成材料的气相与液相属性数据库，根据实际情况调用。

步骤2：建立天然气液化系统中的固体结构3D模型

采用UG9.0三维建模软件，根据天然气液化系统的结构图纸建立天然气液化系统的固体结构3D模型，保存为.IGES格式的文件以便在ANSYS中导入。

步骤3：建立天然气液化系统包含固体结构、天然气气液两相流、闲置空间的三种实体区域的母体3D模型，并在所述母体3D模型基础上对步骤2的固体结构3D模型进行计算，分离出所述天然气液化系统中的气液两相流3D模型。

以天然气液化系统的进口、出口作为最外边界层，建立包含固体结构、天然气气液两相流、闲置空间三种实体区域的母体3D模型，在该母体3D模型基础上对所述的固体结构3D模型进行三维求差计算，分离出液化系统中气液两相流3D模型，计算结果中气液两相流与闲置空间相互独立，手动去除闲置空间得到气液两相流3D模型。

步骤4：对步骤2中所述固体结构3D模型进行网格化处理，获得所述固体结构3D模型的网格化离散模型

采用ANSYS-Mesh软件进行全局网格化计算，类型为固体Solid，获得固体结构3D模型的网格化离散模型。

步骤5：对步骤3中所述气液两相流3D模型进行网格化处理，获得所述气液两相流3D模型的网格化离散模型

采用ANSYS-Mesh软件进行全局网格化计算，类型为流体Fluid，获得所述气液两相流3D模型的网格化离散模型。

步骤6：基于步骤4得到的固体结构网格化离散模型，在ANSYS-Mechanical中加载海洋平台的振动信号，为了计算方便，可对该振动信号进行简化处理，本实施中采用正弦信号：

F(t)＝F₀*sin(ωt)

模拟平台振动，其中F₀表示振动力大小，ω表示振动角频率，采用直接频率响应分析方法，通过求解整个模型的阻尼耦合方程，得出各频率对于外载荷的响应，分析得到复位移、速度、加速度、约束力、单元力等参数，得到固体结构形变、运动参数的初始状态。

步骤7：基于步骤5得到的气液两相流网格化离散模型，在有限元软件ANSYS-CFX中，将天然气作为混合物材料，设置所含甲烷、乙烷、丙烷等多种物质的摩尔分数、入口压力与温度、壁面换热系数(或壁面温度)、出口压力，然后对流体区域进行稳态流体热、动力学计算，热力学模型选用均相模型(Homogeneous Model)，获得所述气液两相流各组分摩尔分数，温度、压力分布的初始状态。

步骤8：将步骤6得到的固体结构的初始状态，作为边界条件加载到步骤7得到的气液两相流初始状态中，通过瞬态流固耦合方法对整个天然气液化系统进行仿真计算，耦合参数包括温度、压力、振动、固体形变量；并且采用两相流自由液面模型描述液化过程中闪蒸、气穴、自由液面等两相流流动行为，得到浮式平台天然气液化过程的动态仿真计算结果，包括从流体区域入口到出口之间流体温度、压力、混合物摩尔组分等参数随时间变化的情况，保存为1个.res结果文件和多个.trn瞬态结果文件以便于进行仿真结果的后处理。

步骤9：采用ANSYS-CFD POST后处理软件对仿真结果进行分析，通过天然气各组分气相与液相的体积分数对液化结果进行量化描述。如需与实验或传统化工流程仿真结果进行对比，可将物质a的体积分数通过以下公式转化为摩尔分数：

$M_a=\frac{{\mathrm{\ρ}}_a\×V_a}{\mathrm{Mra}}$

ρ_a为物质a的密度，V_a为体积分数，Mra为相对分子量。

如图2-4所示，通过出口位置各组分的速度情况随时间变化的动态云图和变化曲线、以及温度分布云图等参数的后处理展示气液两相流计算结果；

如图5所示，通过流线图后处理方法对流动过程进行分析，动态描述浮式平台天然气液化过程。

Claims (3)

1.一种浮式液化天然气平台液化过程的仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：建立天然气气源各组分的材料属性数据库；

步骤2：建立天然气液化系统中的固体结构3D模型；

步骤3：建立天然气液化系统包含固体结构、天然气气液两相流、闲置空间三种实体区域母体3D模型，并在所述母体3D模型基础上对所述的固体结构3D模型进行计算，分离出所述天然气液化系统中的气液两相流3D模型；

步骤4：对步骤2中所述固体结构3D模型进行网格化处理，获得所述固体结构3D模型的网格化离散模型；

步骤5：对步骤3中所述气液两相流3D模型进行网格化处理，获得所述气液两相流3D模型的网格化离散模型；

步骤6：基于步骤4得到的固体结构3D模型的网格化离散模型，导入海洋平台的振动信号，对所述天然气液化系统的固体结构进行振动响应、形变计算，获得固体结构的初始状态；

步骤7：基于步骤5得到的气液两相流3D模型的网格化离散模型，对天然气气液两相流传热、相变行为进行稳态计算，获得所述气液两相流各组分的比例、温度、压力、流动分布的初始状态；

步骤8：将步骤6得到的所述的固体结构初始状态，作为边界条件加载到步骤7得到的所述的气液两相流初始状态中，然后通过瞬态流固耦合方法对整个天然气液化系统进行计算，获得浮式平台天然气液化过程的动态仿真计算结果；

步骤9：采用流体后处理软件对仿真结果进行分析，加载瞬态分析结果，采用天然气各组分气相与液相的体积分数动态地观测天然气组分变化，并且利用云图、视频再现浮式平台天然气的液化过程中温度、压力、流动状态的变化。

2.根据权利要求1所述的浮式液化天然气平台液化过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤3中，以天然气液化系统进口、出口为最外边界层，建立包含固体结构、天然气气液两相流、闲置空间三种实体区域的母体3D模型，在该母体3D模型基础上对所述的固体结构3D模型进行三维求差计算，计算结果中气液两相流与闲置空间相互独立，去除闲置空间获得气液两相流3D模型。

3.根据权利要求1所述的浮式液化天然气平台液化过程的仿真方法，其特征在于：所述步骤8中瞬态流固耦合方法的耦合参数包括：温度、压力、振动信号、固体形变量。