基于Python的大型LNG全容储罐预冷仿真分析系统开发

张宝和 田广胜 冯建周 黄志新 张 昊 高欣宇

1. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300461;2. 安世亚太科技股份有限公司, 北京 100025

0 前言

LNG储罐预冷是确保LNG接收站顺利投产试运行的关键工序,通过预冷使常温储罐达到温度较低的工作状态,防止低温LNG突然进入常温储罐引起储罐急剧大幅度收缩,造成储罐的损坏。为了确保LNG接收站的顺利投运,避免发生意外,必须进行预冷效果的分析校核[1-11]。然而预冷模拟试验研究的成本太高,因此通过仿真软件对储罐预冷过程进行数值模拟分析是良好途径。近年来,随着计算机计算能力的提高,数值模拟已在石油化工等行业广泛应用。但由于仿真分析具有一定技术门槛,既需要技术人员具备行业基础,也需要积累相关仿真分析经验,对仿真软件操作更是要求较高[12-17]。

本文基于Python语言开发出大型LNG全容罐预冷仿真分析系统,该系统将预冷相关的技术、行业经验与仿真流程封装成模板,使用者仅需输入相应参数,程序模板自动执行仿真计算,即可得到预冷的仿真结果。大型LNG全容储罐预冷仿真分析系统既可以利用通用软件的所有功能,又可以按照预冷仿真分析需求进行客户化定制,形成预冷仿真专业软件,降低仿真使用门槛,缩短预冷效果的分析校核时间和周期,提升LNG全容储罐预冷效率和预冷可靠性。

1 ANSYS Workbench框架及Fluent软件平台简介

仿真软件二次开发是客户化定制开发的过程,聚焦各行业的专业需求,利用通用商业仿真软件提供的软件编程接口(Application Programming Interface，API),将相关的软件操作、理论知识和经验规范封装成专业仿真模板[18-19]。

本文的仿真软件二次开发,是基于Python语言在ANSYS Workbench框架下,对Fluent软件平台进行的二次开发。

1.1 ANSYS Workbench框架

ANSYS Workbench框架是设计仿真集成环境,提供了开放的框架结构,可以集成多物理场组件应用程序,涵盖仿真过程的各个阶段,包括仿真分析过程、数据共享传递、设计探索优化及工程数据管理等阶段。

ANSYS Workbench框架提供了统一的工程分析工作环境,集成了DM、WB meshing、Fluent、CFD-Post等软件。应用框架完全脚本化和参数化,可以通过脚本化和参数化来驱动在ANSYS Workbench框架下的组件应用程序实现仿真软件二次开发。

1.2 ANSYS Fluent平台软件

ANSYS Fluent平台软件是目前广泛使用的商用CFD软件,涵盖各种物理建模功能,可对工业应用中的流动、湍流、热交换和各类反应进行建模。Fluent具有良好的二次开发接口,提供了TUI和Scheme脚本功能,可以编写脚本文件,实现预冷仿真过程中涉及的湍流模型、DPM多相流模型、边界条件和温控曲线监控等参数的自动设置。

2 大型LNG全容储罐预冷仿真分析系统的基本架构

大型LNG全容储罐预冷仿真分析系统是以储罐预冷领域相关技术储备为依托,借助ANSYS Workbench框架及Fluent平台软件[20-21],建立的一套计算误差小、精度高且适合于多类型LNG全容罐的仿真模拟软件,可以提高LNG预冷效率和预冷可靠性。该软件采用跨平台QT界面框架在Windows系统开发,可以在Windows7和Windows10等操作系统上使用。

根据大型LNG全容储罐预冷仿真分析流程需要,该系统需在ANSYS Workbench框架基础上进行开发,共分为储罐参数化建模及网格生成模块、预冷仿真分析模块、仿真资源管理模块和系统基础框架模块4个模块。ANSYS Workbench框架见图1。

图1 ANSYS Workbench框架图Fig.1 ANSYS Workbench framework

2.1 储罐参数化建模及网格生成模块

采用ANSYS Workbench框架下DM前处理模块,基于其历史特征树的参数化建模功能,实现大型LNG全容储罐参数化模型的快速生成。根据后续预冷仿真分析需要,对储罐对应几何位置创建边界命名,用于后续的边界条件设置。采用Workbench Meshing模块对几何划分高质量的六面体核心网格,提供网格单元尺寸输入,并保证在LNG储罐内部六面体为主要填充网格,最后通过Python脚本驱动ANSYS Workbench,实现自动输出网格文件(*.msh)。

2.2 预冷仿真分析模块

采用ANSYS Workbench框架下Fluent计算模块,读入网格自动划分模块生成网格,将LNG预冷仿真分析中所用DPM模型、湍流模型、设置流程、边界条件设置等,转换为Fluent可调用的Scheme脚本代码,然后将脚本封装成仿真分析模块,最后提供定制化界面输入仿真条件从而调用仿真分析模块,可实现自动加载设置到LNG储罐模型,然后提交给求解器进行数值求解。

2.3 仿真资源管理模块

仿真资源主要包括仿真数据和过程数据。仿真数据包括界面输入的保温层材料、监控点和工况参数等数据；过程数据包括前处理阶段生成的几何、网格和计算产生的Case & Data及监控点的温度速度。

2.4 系统基础框架模块

采用QT图形界面框架开发,集成ANSYS Workbench框架、几何自动处理模块、网格自动划分模块、仿真分析模块、后处理及报告模块和仿真数据库,是系统运行的基础,提供一个统一的、无缝集成的及简单定制化用户界面。根据用户界面的设置,后台驱动ANSYS Workbench自动搭建仿真流程,并驱动流程工况之间数据传递;系统对软件运行所需的所有输入输出数据和功能模块进行统一组织、管理。软件功能见图2。

图2 软件功能图Fig.2 Software function

3 LNG全容储罐预冷仿真分析系统应用

开发后的LNG全容储罐预冷仿真分析系统界面简洁,使用流程简单。只需进行几何参数输入、仿真参数设置、边界条件定义、温度监控点定义、喷淋参数定义、初始参数设置、计算求解设置等步骤,即可完成LNG全容储罐预冷仿真分析,分析效率大大提高。

以天津某LNG接收站项目16×104m3LNG储罐为例,演示LNG全容储罐预冷仿真分析系统的应用过程，其储罐结构见图3。

图3 天津某LNG接收站储罐结构图Fig.3 Schematic diagram of tank structure of Tianjin LNG terminal

3.1 几何参数输入

根据LNG储罐图纸中几何尺寸,在界面“几何建模参数”中输入参数,如储罐高度、储罐半径、铝吊顶高度、穹顶半径、铝吊顶半径、出口定位、出口偏转角、出口半径等。

3.2 仿真参数设置

在界面“仿真参数设置”中指定“网格尺寸”和“计算求解核数”,对于多核处理器电脑,可以增加求解核数来提高计算速度。

LNG储罐中工艺参数定义包括保温材料定义、温度监控点定义、边界条件定义、喷淋参数定义和初始化参数定义。软件流程见图4。

图4 软件流程图Fig.4 Software flowchart

3.3 边界条件定义

边界条件定义中包括对LNG储罐壁面温度、保温层材料定义等,通过单击“点击定义边界条件”即可打开定义界面,见图5。

1)边界条件定义界面中,在左侧列表中选中对应的壁面位置,即可设置相应的壁面热边界条件,例如选择wall-cylinder壁面,可以设置壁面的温度,管理保温层材料。

2)增加保温层数,可添加新的保温层材料,然后在新添加行中选择材料名称和输入壁面厚度。减小保温层数,会删除最后一行数据。

3)点击“上移”或者“下移”按钮,可以对保温层材料所在位置进行编辑,序号越小表示材料越靠近容器壁面。

图5 边界条件定义图Fig.5 Boundary conditions

4)点击“应用”按钮对当前选中的wall-cylinder壁面参数进行应用更改。

3.4 温度监控点定义

储罐底部温度传感器位置分布见图6,预冷过程中在储罐底部布置10个温度传感器,实时监测预冷过程中的温度变化曲线。根据该项目LNG储罐预冷过程,其预冷时间50 h后储罐底部温度从室温降到-159.4 ℃。

图6 储罐底部温度传感器位置分布图Fig.6 Location distribution of temperature sensor at thebottom of storage tank

通过单击按钮“点击定义监控点”打开“温度监控点定义”对话框,根据现场布置的温度传感器位置参数定义温度监控点,实现在Fluent预冷仿真中监控对应点的温度变化曲线。

3.5 喷淋参数定义

喷淋高度、喷淋半径、液滴直径、LNG温度等参数可以直接在界面中“喷淋参数设置”组中直接定义。

点击“内外喷嘴参数设置”按钮,可以打开喷嘴参数设置界面;按照几何示意图,对内外喷嘴的起始角、间隔角、喷射角度和喷射速度等参数进行设置,然后确定保存设置,关闭窗口。

3.6 初始参数设置

对该项目LNG全容储罐的初始温度、初始表压、氮气充填的比例和喷淋流量进行设置。

3.7 计算求解设置

在界面“计算求解”组中,对求解参数进行设置,输入迭代计算步数、瞬态时间步长、最大迭代步数和自动保存步数。

所有几何模型参数、仿真参数和计算求解参数设置完成后,点击“仿真计算”按钮,开始参数建模、网格划分和仿真设置。自动设置Fluent中预冷仿真参数界面见图7。

系统会自动完成参数建模、网格划分过程,最后自动调用Fluent软件,完成仿真参数设置,点击Fluent界面的“Calculate”按钮开始仿真计算。

3.8 预冷仿真结果对比

通过CFD模拟分析,可以得到各监控点的温度数据,选择位置差异较大的2308-A监测点和2308-H监测点进行对比分析,见图8。通过实际预冷过程监测温降曲线与模拟结果进行对比,可以分析出模拟结果和实际预冷结果较为吻合,最大误差为9 ℃,相对误差为5%,在工程可接受误差范围内。对比结果表明通过LNG全容储罐预冷仿真分析系统设置和计算的CFD模拟结果可靠。

图7 自动设置Fluent中预冷仿真参数界面图Fig.7 Automatic setting of pre-cooling simulation parameters in Fluent

a)2308-A监测点a)Monitoring point 2308-A

b)2308-H监测点b)Monitoring point 2308-H

4 结论

本文基于Python语言,在ANSYS Workbench平台及Fluent大型流体分析软件基础上,进行了大型LNG全容储罐预冷仿真分析系统开发。开发出了一套计算误差小、精度高且适合于多类型LNG全容储罐的仿真模拟软件,软件采用跨平台QT界面框架在Windows系统开发,编译后可以在Windows和Linux等操作系统上使用。

大型LNG全容储罐预冷仿真分析系统包括储罐参数化建模及网格生成模块、预冷仿真分析模块、仿真资源管理模块和系统基础框架模块4个模块。开发后的LNG预冷仿真分析系统降低了仿真使用门槛,缩短了预冷效果的分析校核时间和周期,提升了LNG预冷效率和预冷可靠性。通过与实际工程计算案例的对比,表明了LNG预冷分析系统的准确性,具有工程应用的价值和前景。