大型LNG儲罐儲液翻滾特性的多階段研究

王　萍，彭文山，曹學(xué)文，王　慶，靳學(xué)堂.勝利油田森諾勝利工程有限公司，山東東營 57000.中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東青島 66580

大型LNG儲罐儲液翻滾特性的多階段研究

王萍1，彭文山2，曹學(xué)文2，王慶2，靳學(xué)堂2
1.勝利油田森諾勝利工程有限公司，山東東營 257000
2.中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東青島 266580

一般認(rèn)為相鄰兩層LNG間密度差大于0.5 kg/m3、溫度差大于0.2℃就會引起LNG翻滾，導(dǎo)致大量LNG快速蒸發(fā)，罐內(nèi)壓力急劇升高影響存儲安全，不僅浪費資源且造成極大安全隱患。在罐內(nèi)LNG液體已經(jīng)形成分層且可引發(fā)翻滾的基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件建立罐內(nèi)LNG翻滾過程中氣相空間數(shù)值計算模型。得出主要結(jié)論如下：（1）儲罐內(nèi)LNG分層后翻滾過程可以分為四個過程：界面擾動階段、擾動發(fā)展階段、劇烈翻滾增壓階段和平穩(wěn)恢復(fù)階段；（2）儲罐內(nèi)LNG發(fā)生翻滾時，罐內(nèi)LNG迅速蒸發(fā)，罐內(nèi)壓力急劇上升至儲罐最大工作壓力時，安全泄放閥打開泄放氣體以防止罐內(nèi)超壓；（3）研究表明16萬m3儲罐充滿率為70%、上層重質(zhì)LNG厚度為1 m、LNG分層間密度差為1 kg/m3時，翻滾發(fā)生時的平均蒸發(fā)速率是靜態(tài)蒸發(fā)速率的32.3倍，安全泄放閥在翻滾發(fā)生約16 h后打開泄壓。

LNG儲罐；分層與翻滾；翻滾特性；速度；壓力

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及環(huán)保要求的提高，液化天然氣作為一種無色、無味、無毒、無腐蝕性的清潔能源在國內(nèi)應(yīng)用越來越廣泛［1］。LNG儲罐是LNG接收站的核心設(shè)備也是LNG存儲的主要設(shè)備［2-3］。LNG在罐內(nèi)存儲過程中受到外部熱源的侵?jǐn)_而發(fā)生靜態(tài)蒸發(fā)，LNG受熱蒸發(fā)罐內(nèi)壓力升高，影響儲罐的安全存儲；上層LNG液體中沸點較低的組分（如氮、甲烷等）優(yōu)先吸熱蒸發(fā)［4-5］，形成上下兩層或多層的密度、溫度等不同的LNG分層；新舊LNG的混裝也會引起罐內(nèi)LNG分層。當(dāng)相鄰兩層LNG之間的密度差、溫度差達(dá)到一定值則會導(dǎo)致其翻滾［6-7］，并大量快速蒸發(fā)［8］，造成極大的安全威脅和經(jīng)濟損失。

本文以16萬m3LNG儲罐為例，在罐內(nèi)LNG已經(jīng)分層且會發(fā)生翻滾的基礎(chǔ)上，建立LNG翻滾過程中氣相部分?jǐn)?shù)值模型，利用Fluent軟件進行計算，研究翻滾過程中氣相空間運動規(guī)律和壓力變化規(guī)律。這是首次建立LNG儲罐內(nèi)儲液翻滾時氣相空間的研究模型，對罐內(nèi)的翻滾過程進行分階段分析，對罐內(nèi)翻滾過程中的壓力變化進行研究，為生產(chǎn)中的翻滾預(yù)防提供理論支持。

1　模型建立

1.1物理模型

以16萬m3LNG儲罐為原型，建立密閉大型LNG儲罐分層與翻滾的物理模型，對翻滾過程中氣相空間運動規(guī)律和壓力變化進行研究。LNG儲罐內(nèi)的LNG液體發(fā)生分層是儲罐翻滾的必要條件。圖1所示為儲罐內(nèi)的LNG液體已發(fā)生分層與翻滾。

圖1　L NG儲罐分層與翻滾示意

當(dāng)兩層LNG之間的密度差、溫度差達(dá)到一定值時，下層LNG與上層LNG之間發(fā)生劇烈的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象。下層LNG上升到頂面，由于壓力的降低使得其成為過熱飽和液體，蓄積的能量急劇釋放，LNG蒸發(fā)產(chǎn)生大量的BOG氣體，儲罐內(nèi)的壓力急劇上升，罐內(nèi)發(fā)生翻滾現(xiàn)象。

1.2假設(shè)條件

根據(jù)所研究的內(nèi)容，進行了以下的假設(shè)：

（1）以16萬m3大型LNG儲罐為例，建立三維模型，直徑取80 m，忽略內(nèi)罐壁厚。

（2）儲罐的漏熱已經(jīng)造成了LNG液體分層，分層形式為上重下輕結(jié)構(gòu)。

（3）LNG儲罐與外界環(huán)境之間的熱交換全部用于液相蒸發(fā)和溫度提升。

（4）儲罐內(nèi)液相、氣相部分的溫度是均勻的。

（5）整個儲罐的內(nèi)部空間分為三部分：氣相部分、液相主體部分和氣液交界面部分，其中氣液交界面部分只考慮其存在而忽略其厚度。

1.3數(shù)學(xué)模型

建立儲罐內(nèi)部翻滾的數(shù)學(xué)計算模型。

（1） 氣相空間質(zhì)量守恒方程：

式中：τ為時間，s；ρg為氣相密度，kg/m3；vg為氣相體積，m3；Gw為單位時間儲罐內(nèi)壁凝結(jié)的氣體質(zhì)量，kg/s；Gf為單位時間氣液界面上凝結(jié)的氣體質(zhì)量，kg/s。

（2） 氣相空間能量守恒方程：

式中：hg為飽和氣體焓，J/kg；αwg為氣相空間與儲罐內(nèi)壁間對流換熱系數(shù)，J/（m2·K）；Fwg為氣相空間與儲罐內(nèi)壁接觸面積，m2；Twg為氣相空間壁面溫度，K；Ts為儲罐內(nèi)壓力對應(yīng)的飽和溫度，K；hs為飽和溫度Ts對應(yīng)的飽和氣體焓，J/kg；αf為氣相空間與氣液界面對流換熱系數(shù)，J/（m2·K）；Ff為氣液界面面積，m2；Tg為氣相空間溫度，K。

（3）氣相空間內(nèi)壁面單位時間氣體冷凝質(zhì)量：

本文的研究假設(shè)氣相空間的氣體溫度均勻一致，氣液界面只考慮其存在而忽略其厚度，則可以認(rèn)為在氣相空間的儲罐壁面上氣體冷凝量是均勻的，則氣相空間儲罐壁面單位時間氣體冷凝質(zhì)量為：

式中：λs為氣體冷凝膜導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；δ為氣體冷凝膜的厚度，m；γs為飽和溫度Ts對應(yīng)的氣化潛熱，J/kg。

（4）氣液界面單位時間氣體冷凝質(zhì)量：

式中：Tl為液相溫度，K；λl為液相導(dǎo)熱系數(shù)，W/ （m·K）；Cpl為液相比熱容，J/（kg·K）；ρs為飽和溫度Ts對應(yīng)的氣相密度，kg/m3；ρl為液相密度，kg/m3。

（5） 液相質(zhì)量守恒方程：

式中：vl為液相體積，m3。

（6） 液相能量守恒方程：

式中：hl為液體焓，J/kg；αw l為液相與壁面間對流換熱系數(shù)，J/（m2·K）；Fw l為液相與儲罐內(nèi)壁接觸面積，m2；Tw l為液相壁面溫度，K。

（7） 體積守恒方程：

式中：V為儲罐總?cè)莘e，m3。

（8） 氣體狀態(tài)方程：

式中：P為儲罐內(nèi)壓力，Pa。

1.4模擬計算

本文采用計算流體動力學(xué)方法（Computational Fluid Dynamics，CFD）建立大型LNG儲罐內(nèi)分層與翻滾模型。針對大型LNG儲罐內(nèi)LNG液體在分層形成之后的翻滾過程進行數(shù)值模擬，模擬時選用壓力基（Pressure-Based）求解器以及瞬態(tài)（Transient）模型，模擬選用mixture模型、k-ε方程，儲罐頂部設(shè)為pressure-out類型，其他邊界條件設(shè)為wall類型。在模型的設(shè)置中，相間作用選擇 evaporation-condensation模型。

依據(jù)以上的物理模型、數(shù)學(xué)模型以及數(shù)值計算方法的分析，利用Fluent軟件進行模型的求解。儲罐初始充滿率為70%，初始壓力為101.325 kPa，罐頂出口背壓為130.325 kPa；罐內(nèi)液相主體為輕質(zhì)LNG，其上層覆蓋1 m厚重質(zhì)LNG，氣相空間的初始時刻充滿甲烷。研究采用的介質(zhì)物性見表1。

選用三維數(shù)值模擬，在計算區(qū)域中采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目為2 193 457。圖2 為LNG儲罐的網(wǎng)格劃分圖。

表1　L NG和甲烷物性

圖2　L NG儲罐網(wǎng)格劃分

2　結(jié)果分析

LNG儲罐內(nèi)液體發(fā)生分層后，其密度差、溫度差達(dá)到一定值時罐內(nèi)會發(fā)生LNG層間的翻滾。通過對整個過程的模擬研究分析，罐內(nèi)的翻滾過程可以分為四個階段：界面擾動階段、擾動發(fā)展階段、劇烈翻滾增壓階段和平穩(wěn)恢復(fù)階段。利用三維模型研究LNG儲罐分層與翻滾的氣相空間運動規(guī)律及壓力變化規(guī)律，以下取儲罐中心剖面進行結(jié)果分析。

2.1界面擾動階段

圖3為儲罐內(nèi)LNG液相在分層后發(fā)生翻滾時界面擾動階段速度云圖。

從圖3（a）可以看出，儲罐內(nèi)的翻滾現(xiàn)象從罐壁開始，這是因為壁面無滑移，且罐壁與外界環(huán)境之間存在熱交換，分層界面首先在壁面處發(fā)生彎曲開始翻滾。從圖3（b）可以看出LNG分層間的翻滾現(xiàn)象由罐壁向罐中心發(fā)展，最大速度出現(xiàn)在氣液交界面處，這是因為LNG層間翻滾而蒸發(fā)大量氣體，氣液交界面處是蒸發(fā)氣體的發(fā)源地，因而此處的氣體速度最大。從圖3（b）、（c）、（d）可以看出，在罐中心處的氣相速度較小，形成一個旋渦，且以中心軸線為分界；兩側(cè)速度方向相反，背向而行。這是由于罐內(nèi)LNG層間翻滾的發(fā)生是由罐壁向罐中心發(fā)展的，在氣液交界面處貼近液相的一層氣體速度方向是由罐壁到罐中心，兩側(cè)氣體在罐中心相遇且相互沖撞排斥，由于對稱性使得氣體在罐中心處向上運動。儲罐頂部壓力較大，罐中心兩側(cè)的氣體向上運動一定距離后方向改變，返回罐壁方向。這樣在液相上方，罐中心兩側(cè)各自形成一個氣體旋渦。

圖3　L NG儲罐內(nèi)翻滾時界面擾動階段速度云圖（單位：m/s）

2.2擾動發(fā)展階段

圖4為儲罐內(nèi)翻滾的擾動發(fā)展階段的速度云圖。

從圖4可以看出，儲罐內(nèi)氣體的最大速度呈現(xiàn)增長趨勢，從圖4（a）中的1.44 m/s增加到圖4（d）中的1.78 m/s。由于儲罐內(nèi)翻滾的發(fā)生，大量的LNG蒸發(fā)成為氣體，使得儲罐內(nèi)氣體速度呈現(xiàn)增長趨勢。從圖中可以明顯看出，儲罐內(nèi)的氣體由氣液界面向罐頂方向擴展，氣體速度及波動范圍越來越大。這也說明，儲罐內(nèi)的翻滾處于擾動發(fā)展階段時，不僅表現(xiàn)在氣體速度的增長，也表現(xiàn)在速度波動范圍的增大趨勢。從圖4中還可看出，氣體旋渦在罐中心處兩側(cè)反向氣體的作用下，氣體旋渦向罐壁方向運動。

2.3劇烈增壓階段

圖5為儲罐內(nèi)翻滾的劇烈增壓階段的速度云圖。

從圖5可以看出，氣體旋渦中心處具有最大的氣相速度。在氣體旋渦由罐中心向罐壁運動以及由罐壁向罐中心運動的過程中，氣體具有的最大速度，比氣體旋渦與儲罐罐壁碰撞以及兩氣旋在罐中心處碰撞的速度要大。

在氣體旋渦由罐中心向罐壁運動以及由罐壁向罐中心運動的過程中，氣體具有的最大速度約為1.1 m/s；在氣體旋渦與罐壁碰撞以及兩氣旋在罐中心處碰撞過程中，氣體具有的最大速度約為0.7 m/s。這是由于氣旋與罐壁之間的作用以及氣旋碰撞的相互作用，使得氣旋速度降低。

圖6為儲罐內(nèi)翻滾劇烈增壓階段的另外一次碰撞循環(huán)過程。

從圖6（a）可以看出，在氣液界面上方的氣相空間里，儲罐中心軸線兩側(cè)的氣體旋渦均由罐中心向罐壁方向運動，與罐壁碰撞后，部分氣體沿罐壁向上運動至儲罐頂部，剩余氣體上下翻滾形成旋渦，旋渦的旋轉(zhuǎn)方向不改變。從圖6（b）可知，罐壁的碰撞作用使氣體旋渦整體運動方向改變，由罐壁返回罐中心。圖6（c）顯示的是儲罐中心處的氣體由罐頂向下運動，并在中心兩側(cè)再次形成氣體旋渦，但旋渦的旋轉(zhuǎn)方向與碰撞之前相反。圖6（d）顯示的是氣體旋渦在儲罐的中心碰撞中，由于相互作用力的作用，使得氣體旋渦整體改變運動方向，再次向儲罐的罐壁移動。LNG儲罐內(nèi)液相之間的密度差、溫度差，以及儲罐與外界環(huán)境之間的熱交換為翻滾中氣體的蒸發(fā)提供了氣旋持續(xù)運動的動力。這正是儲罐內(nèi)的劇烈翻滾增壓階段。

圖4　L NG儲罐內(nèi)翻滾時擾動發(fā)展階段速度云圖（單位：m/s）

圖5　L NG儲罐翻滾時劇烈增壓階段速度云圖（單位：m/s）

圖6　L NG儲罐翻滾時劇烈增壓階段速度云圖（單位：m/s）

2.4平穩(wěn)恢復(fù)階段

當(dāng)LNG儲罐內(nèi)液相之間的密度差、溫度差消除后，儲罐與外界環(huán)境之間熱交換時儲罐處于靜態(tài)蒸發(fā)狀態(tài)。儲罐內(nèi)的LNG翻滾逐漸減弱直至平穩(wěn)，此時為翻滾的平穩(wěn)恢復(fù)階段，儲罐內(nèi)的LNG翻滾現(xiàn)象結(jié)束。

2.5罐內(nèi)壓力研究

通過對LNG儲罐儲液分層與翻滾的模擬，對儲罐氣液界面上方氣相的壓力進行密切關(guān)注，可以得到儲罐內(nèi)氣相的壓力隨時間變化的規(guī)律。該模擬的監(jiān)測點為儲罐中心頂端的壓力出口處。圖7為氣相出口處的壓力隨時間的變化曲線。

從圖7可以看出，儲罐氣相出口處的壓力隨時間呈現(xiàn)增長趨勢，且增長速度越來越快，即儲罐內(nèi)發(fā)生翻滾，大量LNG急劇蒸發(fā)，儲罐內(nèi)壓力迅速增長。從圖中標(biāo)注的虛線處可以推算，在分層發(fā)生翻滾到罐內(nèi)壓力達(dá)到儲罐的最大工作壓力（表壓29 kPa），時間經(jīng)歷約16 h。即從儲罐內(nèi)發(fā)生分層與翻滾到罐內(nèi)壓力達(dá)到儲罐的最大工作壓力共經(jīng)歷約16 h，此時儲罐的安全泄放閥打開，釋放儲罐內(nèi)過多的氣體，維持儲罐的安全。

圖7　L NG儲罐翻滾時罐氣相空間壓力變化曲線

通過計算，該工況下的儲罐罐內(nèi)壓力增長率約為1.81 kPa/h，這與文獻(xiàn)［9］中的數(shù)據(jù)比較，約為該工況下靜態(tài)日蒸發(fā)時的罐內(nèi)壓力增長率0.056 kPa/h的32.3倍。分層平衡被破壞后的LNG出現(xiàn)翻滾沸騰狀態(tài)，其蒸發(fā)量可達(dá)到靜態(tài)蒸發(fā)量的10～50倍甚至更高。

3　結(jié)論

翻滾過程是一種急劇的相變過程，對整個氣相空間的氣相運動和壓力變化影響巨大，嚴(yán)重威脅儲罐的安全存儲。對翻滾過程中氣相空間運動規(guī)律和壓力變化的研究，得出如下主要結(jié)論：

（1）儲罐內(nèi)分層發(fā)生后，翻滾過程可以分為四個階段：界面擾動階段、擾動發(fā)展階段、劇烈翻滾增壓階段和平穩(wěn)恢復(fù)階段。

（2）當(dāng)儲罐內(nèi)發(fā)生翻滾時，罐內(nèi)LNG迅速蒸發(fā)，罐內(nèi)壓力急劇上升，罐內(nèi)壓力達(dá)到儲罐的最大工作壓力時，儲罐的安全泄放閥打開，防止罐內(nèi)超壓。

（3）翻滾發(fā)生時，LNG的蒸發(fā)速率是正常情況下的10～50倍甚至上百倍，對于本文的研究，16萬m3儲罐充滿率為70%、在上層重質(zhì)LNG厚度為1 m、LNG分層間密度差為1 kg/m3時，其翻滾的平均蒸發(fā)速率是正常情況下的32.3倍，儲罐的安全泄放閥在翻滾發(fā)生約16 h時打開。

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國家自然科學(xué)基金（51274232）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（13CX06074A）資助。

Multi-stage Studyon Rolling Characteristics ofL iquid in L arge L NGStorage Tank

WANG Ping1，PENG Wenshan2，CAO Xuewen2，WANG Qing2，JIN Xuetang2
1.ShengliOilfield Sennuo ShengliEngineering Co.，Ltd.，Dongying 257100，China
2.College of Pipeline and CivilEngineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China

It's generally believed that the rolling of liquid in LNG storage tank happens as the density difference of two adjacent layers of LNG gets greater than 0.5 kg/m3and the temperature difference gets greater than 0.2℃.Large amounts of LNG evaporate quickly，which raises the pressure in the tank and shortens the secure storage time，even may lead to stratification and rolling causing massive evaporation of LNG.This phenomenon is not only a waste of resources but also a potential safety hazard.On the basis of condition that LNG liquid in the tank has already become layered and has the possibility for rolling，this paper uses Fluent software to establish numerical model for gas phase space in the rolling process of LNG in the tank.The main results are as follows：（1） Following the stratification，the process of rolling can be divided into four periods：occurrence of interfacial disturbance，development of disturbance，violent rolling with increasing pressure and smooth recovery.（2） The rolling inside the tank makes LNG evaporate at a high speed which sharply increases the pressure in the tank.When the pressure reaches the maximum working pressure of tank，the relief valve would open to release the excessive gas in case of overpressure.（3） For the conditions that the volume of tank is 160 000 m3，the filling rate is 70%，thickness of top heavy LNG is 1 m and the density difference in stratified layers is 1 kg/m3，the average evaporation rate is 32.3 times as high compared to the normal case，and the relief valve would open about 16 h later after the beginning of rolling.

LNG storage tank；stratification and rolling；rolling characteristics；velocity；pressure

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.01.004

王萍（1989-），女，山東德州人，2015年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運專業(yè)，碩士，主要從事大型LNG儲罐干燥置換、分層與翻滾以及海管完整性等方面的研究。

Email：wangpflyhigh@126.com

2015-11-18