LNG儲(chǔ)罐貧富液混裝過(guò)程的動(dòng)態(tài)研究

付俊濤

中國(guó)石化天然氣分公司

近年來(lái)，隨著我國(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，管網(wǎng)及接收站等基礎(chǔ)設(shè)施加快了建設(shè)，生產(chǎn)和消費(fèi)規(guī)模不斷擴(kuò)大，我國(guó)已成為全球天然氣第三大消費(fèi)國(guó)及進(jìn)口國(guó)。2018年，我國(guó)天然氣表觀消費(fèi)量約為2 800×108m3，同比增長(zhǎng)17%；其中凈進(jìn)口天然氣約1 210×108m3，占全國(guó)總消費(fèi)量43%，同比增加約35%；而進(jìn)口液化天然氣（LNG）達(dá)到5 378×108t（折合753×108m3），占進(jìn)口天然氣總量的62%，占全國(guó)總消費(fèi)量27%。根據(jù)國(guó)家相關(guān)部門預(yù)測(cè)，我國(guó)天然氣需求將長(zhǎng)期保持快速增長(zhǎng)，2019年預(yù)計(jì)天然氣需求量達(dá)到3 100×108m3，2025年天然氣需求將達(dá)到4 500×108m3。在國(guó)產(chǎn)氣及進(jìn)口管道氣增量有限的情況下，LNG將成為未來(lái)主要資源供給，而LNG 接收站作為接卸LNG 的主要設(shè)施，將在未來(lái)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

截至2019年4月底，我國(guó)已建成21座LNG 接收站，接收能力達(dá)到8 875×104t/a，LNG 儲(chǔ)罐罐容達(dá)到910×104m3。隨著LNG 進(jìn)口量的不斷增加，同一個(gè)LNG 接收站接卸不同氣質(zhì)LNG 資源的可能性逐步增大，尤其是LNG 現(xiàn)貨資源，不同產(chǎn)地，LNG 組分不同，密度差異大。而目前LNG 接收站普遍建設(shè)有2～4個(gè)16×104～20×104m3的LNG 儲(chǔ)罐，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多種LNG 資源的分卸、分儲(chǔ)，因此不可避免地需要在同一儲(chǔ)罐進(jìn)行不同氣質(zhì)LNG 接卸和儲(chǔ)存。當(dāng)兩種氣質(zhì)密度存在較大差異時(shí)，若不采取合理的接卸和儲(chǔ)存方式，則會(huì)造成LNG 分層，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生翻滾[1]，引發(fā)安全事故。1971年8月21日，意大利SNAMLNG 輸配站發(fā)生事故，由于密度大、溫度高的LNG 從儲(chǔ)罐底部注入，發(fā)生分層引發(fā)翻滾，在1.25 h的翻滾中，136 t LNG氣化跑出儲(chǔ)罐，高峰時(shí)蒸發(fā)率為正常的100倍[2]。因此有必要研究LNG 儲(chǔ)罐貧液（密度低）和富液（密度高）混合的儲(chǔ)存方式。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的某LNG接收站的貧富液接卸和儲(chǔ)存情況，采用數(shù)值模擬方式，動(dòng)態(tài)研究了貧富液在混裝過(guò)程中分層情況，并給出混裝的操作建議，對(duì)LNG 接收站實(shí)現(xiàn)貧富液混裝和安全平穩(wěn)生產(chǎn)具有重要意義。

曲順利等[3]建立了LNG 儲(chǔ)罐的翻滾模型，并利用Fluent 軟件，通過(guò)模擬儲(chǔ)罐的翻滾過(guò)程研究了儲(chǔ)罐的初始密度差、分層高度、儲(chǔ)罐罐容對(duì)LNG 翻滾的影響。孫福濤等[4]建立了大型LNG 儲(chǔ)罐分層及翻滾模型，考慮LNG 多組分、變物性的特點(diǎn)，研究了分層破壞的機(jī)理及分層溫差、分層高度、漏熱量和漏熱位置對(duì)翻滾劇烈程度的影響。KOYAMA等[5]利用CFD 模型動(dòng)態(tài)研究了儲(chǔ)罐介質(zhì)填充過(guò)程的分層現(xiàn)象。

1 某LNG工程項(xiàng)目概況

本文選取的LNG 工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)接收能力為600×104t/a，建設(shè)有1座8×104～26.6×104m3LNG泊位，4座16×104m3LNG 儲(chǔ)罐，氣化能力為2 700×104m3/d。項(xiàng)目于2011年6月開工建設(shè)，2014年11月建成投產(chǎn)。該接收站主要接卸長(zhǎng)協(xié)資源，其中200×104t來(lái)自于巴布亞新幾內(nèi)亞（PNG，甲烷摩爾分?jǐn)?shù)為87%左右，其余主要為乙烷和丙烷，稱為富液），剩余長(zhǎng)協(xié)來(lái)自于澳大利亞（APLNG，甲烷摩爾分?jǐn)?shù)為99.85%），此外隨著下游市場(chǎng)需求增加，現(xiàn)貨接卸量（典型組成，甲烷摩爾分?jǐn)?shù)為92.41%）也逐步增多，表1為典型資源主要組分參數(shù)。正常情況下，利用2臺(tái)儲(chǔ)罐儲(chǔ)存富液，2臺(tái)儲(chǔ)罐接卸貧液。在接卸現(xiàn)貨時(shí)，則需要根據(jù)儲(chǔ)罐情況進(jìn)行混合儲(chǔ)存，另外在一些極端情況下（例如長(zhǎng)協(xié)資源不能按期到貨時(shí)），也需要對(duì)兩種密度差較大的貧富液資源進(jìn)行混合儲(chǔ)存。在此情況下，則需要掌握在不同資源混合過(guò)程中LNG 密度變化及分層情況，從而選取合理的混合方式，以確保接收站安全平穩(wěn)運(yùn)行。

表1 典型資源主要組分參數(shù)Tab.1 Main component parameters of typical resources

2 建立貧富液混裝的動(dòng)態(tài)模型

翻滾是LNG 儲(chǔ)存過(guò)程中特有的現(xiàn)象，防止LNG 在儲(chǔ)存中出現(xiàn)翻滾的關(guān)鍵是要防止儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG出現(xiàn)分層，盡可能保持儲(chǔ)罐內(nèi)不同位置尤其是不同高度處液化天然氣的密度均勻。LNG接收站卸船時(shí)，因不同資源地組分不同，以及接收站內(nèi)儲(chǔ)罐數(shù)量及容積受限等因素的影響，不可避免地要面臨LNG 資源的接卸和混裝，此時(shí)需根據(jù)來(lái)料LNG 和儲(chǔ)罐LNG 密度差異及相關(guān)因素選取合適的充裝方式，從而有效地防止分層。一般情況下，LNG儲(chǔ)罐有兩種卸料方式：儲(chǔ)罐頂部卸料和底部卸料（圖1）。罐頂進(jìn)料即LNG 直接由罐頂注入內(nèi)罐；罐底進(jìn)料即LNG經(jīng)罐頂后進(jìn)入罐內(nèi)立式導(dǎo)管到達(dá)底部。

圖1 LNG儲(chǔ)罐卸料方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of unloading way of LNG storage tank

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用二維數(shù)值模擬方法[1-5]對(duì)LNG 卸船混裝過(guò)程的動(dòng)態(tài)演化進(jìn)行研究，模擬不同充裝方式下的LNG混合情況。

連續(xù)性方程為

其中：

動(dòng)量方程為

能量方程為

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；α為體積分?jǐn)?shù)；為矢量速度，m/s；h為流體焓，J/kg；SM為動(dòng)量源，kg/(m2·s2)；?P是張量函數(shù)；Q為單位體積的相間傳熱量，W/m3；S為熱源，W/m3；T為溫度，K；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；λ為綜合傳熱系數(shù)；n=2，指來(lái)料LNG 和儲(chǔ)罐LNG 兩種流體。

2.2 物理模型

通過(guò)Fluent 軟件[6-11]模擬LNG 儲(chǔ)罐的不同進(jìn)料方式，從而選擇合適的卸貨方式，防止儲(chǔ)罐內(nèi)分層及翻滾現(xiàn)象的發(fā)生。將LNG 儲(chǔ)罐簡(jiǎn)化，建立卸船充裝模型：

（1）儲(chǔ)罐容積16×104m3，直徑為80 m，進(jìn)口管徑為1 m，忽略儲(chǔ)罐壁面厚度。

（2）假設(shè)LNG 儲(chǔ)罐充裝前整個(gè)內(nèi)部LNG 分布均勻，模擬過(guò)程中只考慮卸船充裝時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)流體混合情況，不考慮相變。

（3）模擬過(guò)程中不考慮傳熱的影響。

利用ICEM 軟件，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2和圖3所示。Fluent 多相流模型采用mixture 模型，紊流方程采用k-ε方程，設(shè)置質(zhì)量進(jìn)口邊界條件，壁面設(shè)置成絕熱，出口邊界為outlet vent（在此使用這個(gè)方法來(lái)維持系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量平衡，同時(shí)減少自由邊界的計(jì)算量）。來(lái)料LNG 和儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 組分參數(shù)根據(jù)接收站典型資源確定，如表2所示，其中富液密度約為470 kg/m3，貧液密度為420 kg/m3。

圖2 儲(chǔ)罐底部充裝模型Fig.2 Filling model of tank bottom

圖3 儲(chǔ)罐頂部充裝模型Fig.3 Filling model of tank top

表2 LNG組分參數(shù)表Tab.2 Component parameters of LNG

為了分析兩種不同流體混合時(shí)溫度的影響，導(dǎo)入自定義UDF如式（6）

式中：ρ為流體密度；T為溫度；a、b為自定義因數(shù)。

2.3 邊界條件和初始條件

對(duì)側(cè)壁和底部壁面的邊界條件規(guī)定如下：

（1）速度ux均為無(wú)滑移條件。

（2）對(duì)于S，

（3）對(duì)于湍流動(dòng)能k，

對(duì)LNG 儲(chǔ)罐卸船充裝模型的初始條件設(shè)置如下：

（1）儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 作為一個(gè)整體密度，其初始密度值設(shè)為定值。

（2）對(duì)于流體的初始速度，垂直于進(jìn)口方向速度為0。

3 卸船混裝過(guò)程動(dòng)態(tài)演化分析

一般情況下，在卸料之前LNG 儲(chǔ)罐需要降低一定液位，從而滿足卸料需求。考慮儲(chǔ)罐初始液位和儲(chǔ)罐內(nèi)蒸發(fā)氣（Boil-Off Gas，BOG）對(duì)卸船充裝的影響，在儲(chǔ)罐內(nèi)有一部分液相空間和一部分氣相空間時(shí)進(jìn)行充裝混合，模擬罐頂充裝和罐底充裝兩種情況下貧液和富液的混合動(dòng)態(tài)變化。

3.1 罐底充裝動(dòng)態(tài)演化

3.1.1 富液充裝過(guò)程

模擬流程的參數(shù)為：船上的LNG 為富液，接收站儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG 為貧液，卸船之前儲(chǔ)罐液面高度為15 m，卸船時(shí)選擇罐底進(jìn)料方式。模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 富液從底部注入與貧液混合時(shí)儲(chǔ)罐密度云圖Fig.4 Density cloud picture of storage tank when rich fluid is injected form the bottom and mixed with poor fluid

通過(guò)圖4可以看出，當(dāng)采用底部卸料方式卸載富液時(shí)，初期富液和罐內(nèi)貧液在卸料口有一定程度混合，同時(shí)受儲(chǔ)罐內(nèi)原有BOG 影響儲(chǔ)罐的液位有一定的波動(dòng)；隨著卸載量不斷增多，充裝的富液將在儲(chǔ)罐底部堆積，在儲(chǔ)罐底部形成較明顯的分層，在卸料口附近整個(gè)LNG 液層有一定的混合。針對(duì)該分層，隨著時(shí)間積累，如果不能及時(shí)控制將會(huì)出現(xiàn)LNG翻滾等情況。

3.1.2 貧液充裝過(guò)程

模擬流程的參數(shù)為：船上的LNG 為貧液，接收站儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG 為富液，卸船之初液面高度為15 m，卸船時(shí)選擇罐底進(jìn)料方式。模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 貧液從底部注入與富液混合時(shí)儲(chǔ)罐密度云圖Fig.5 Density cloud picture of storage tank when poor fluid is injected from the bottom and mixed with rich fluid

通過(guò)圖5可以看出，當(dāng)采用底部卸料方式卸載貧液時(shí)，初期充裝的LNG 比儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG 密度小，BOG的存在對(duì)氣液分界面影響較大，分界面波動(dòng)幅度比貧液儲(chǔ)罐充裝富液時(shí)的波動(dòng)幅度大，在兩種流體混合過(guò)程中會(huì)夾帶部分BOG，充裝的貧液在浮力和相間摩擦作用下與儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 逐漸混合，此時(shí)不會(huì)形成分層；隨著卸船量增大，來(lái)料LNG 與儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 混合均勻，未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，從而避免LNG翻滾現(xiàn)象發(fā)生，保證儲(chǔ)罐安全高效運(yùn)行。

3.2 罐頂充裝動(dòng)態(tài)演化

3.2.1 富液充裝過(guò)程

模擬流程的參數(shù)為：船上的LNG 為富液，接收站儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG 為貧液，卸船之初液面高度為15 m，卸船時(shí)選擇罐頂進(jìn)料方式。模擬結(jié)果如圖6所示。

通過(guò)圖6可以看出，卸船之初儲(chǔ)罐存在部分氣相空間，充裝的LNG 比儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG 密度大，充裝的LNG 與儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 逐漸混合，從卸料口附近向遠(yuǎn)端擴(kuò)散，此時(shí)不會(huì)形成分層；隨著卸料量增多，來(lái)料LNG 與儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 混合均勻，從而避免LNG翻滾現(xiàn)象發(fā)生，保證儲(chǔ)罐安全高效運(yùn)行。

圖6 富液從頂部注入與貧液混合時(shí)儲(chǔ)罐密度云圖Fig.6 Density cloud picture of storage tank when rich fluid is injected from the top and mixed with poor fluid

3.2.2 貧液充裝過(guò)程

模擬流程的參數(shù)為：船上的LNG 為貧液，接收站儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG 為富液，卸船之初液面高度為15 m，卸船時(shí)選擇罐頂進(jìn)料方式。模擬結(jié)果如圖7。

卸船選用罐頂充裝方式，在儲(chǔ)罐內(nèi)BOG 氣體的影響下，氣液分界面不斷波動(dòng)，充裝的LNG 依然浮在儲(chǔ)罐頂部，與儲(chǔ)罐原有LNG 形成明顯分層；同時(shí)，通過(guò)圖6和圖7可以看出，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)存在部分氣相空間，選擇罐頂充裝方式時(shí)，卸船時(shí)均會(huì)有部分高溫氣體伴隨來(lái)液流體進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)原有液體中，由于氣體溫度較高，可能會(huì)導(dǎo)致大量BOG 蒸發(fā)，進(jìn)而造成儲(chǔ)罐壓力升高，因此，卸船時(shí)在罐底充裝具有可行性的條件下，應(yīng)盡量選擇罐底充注方式。

儲(chǔ)罐頂部充裝時(shí)BOG 氣體的存在對(duì)卸船混裝時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)氣液分界面的波動(dòng)影響較??；儲(chǔ)罐底部充裝時(shí)氣相空間對(duì)分界面波動(dòng)影響較大，且儲(chǔ)罐內(nèi)液相初始液位越高，氣相空間對(duì)混裝時(shí)液面波動(dòng)影響越大。

圖7 貧液從頂部注入與富液混合時(shí)儲(chǔ)罐密度云圖Fig.7 Density cloud picture of storage tank when poor fluid is injected from the top and mixed with rich fluid

3.3 儲(chǔ)罐內(nèi)LNG分層翻滾的預(yù)防及消除措施

3.3.1 LNG分層的預(yù)防和檢測(cè)

分層是LNG 儲(chǔ)存過(guò)程中特有的現(xiàn)象，是引發(fā)翻滾的前提，消除了分層就能避免翻滾的發(fā)生。LNG的分層分為密度分層和溫度分層兩類，無(wú)論哪一類分層都可以引起翻滾現(xiàn)象，因此，在實(shí)際操作過(guò)程中如何檢測(cè)LNG 分層非常重要。一般采用下列方法檢測(cè)分層情況：

（1）在儲(chǔ)罐的承液部位沿豎向每1.5 m 安裝溫度測(cè)量裝置進(jìn)行溫度監(jiān)控。一般情況下，當(dāng)分層液體之間的溫差大于0.2 K，即認(rèn)為發(fā)生了分層；當(dāng)溫差高達(dá)-14 ℃左右時(shí)，就有可能出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象。

（2）在儲(chǔ)罐的承液部位沿豎向每1.5 m 安裝密度測(cè)量裝置進(jìn)行密度監(jiān)控。一般情況下，當(dāng)分層液體之間的密度差大于0.5 kg/m3時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了分層；一般當(dāng)密度差達(dá)5 kg/m3時(shí)，就要采用循環(huán)的方法來(lái)消除密度差。

（3）監(jiān)測(cè)LNG 的蒸發(fā)速度。LNG 分層會(huì)抑制LNG的蒸發(fā)速度，使得翻滾前的蒸發(fā)速度比通常情況下低。采用壓力表監(jiān)測(cè)罐內(nèi)壓力時(shí)，大氣壓的變化會(huì)影響對(duì)LNG 蒸發(fā)速度的監(jiān)測(cè)，可以采用絕對(duì)壓力監(jiān)測(cè)或記錄大氣壓的變化。

3.3.2 消除分層的方法

通過(guò)對(duì)儲(chǔ)罐貧富液混裝研究，可采取以下措施盡量避免分層：

（1）條件允許情況下，對(duì)不同密度的LNG 分開儲(chǔ)存。將不同產(chǎn)地、不同氣源的LNG 盡可能儲(chǔ)存于不同的LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)，避免因密度差而引起的分層，盡量使一個(gè)儲(chǔ)罐僅用來(lái)儲(chǔ)存同一來(lái)源的LNG，控制其組成的變化范圍。

（2）在儲(chǔ)罐內(nèi)安裝一定的循環(huán)裝置，例如潛液循環(huán)泵、攪拌器等，充分?jǐn)嚢杷泄嗳雰?chǔ)罐的LNG，消除密度差，防止LNG的分層。一般采用循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)（用LNG 泵由儲(chǔ)罐下部到上部打回流）的方法來(lái)使儲(chǔ)罐中的組分充分混合。

（3）采用混合噴管，為使新安裝的LNG 與罐內(nèi)不同密度的剩余液體充分混合，可在罐底加充裝噴嘴，同時(shí)要求噴嘴噴出的液體能夠達(dá)到液面，并確保在湍流噴射擾動(dòng)下有足夠長(zhǎng)的時(shí)間使兩種液體混合均勻。經(jīng)噴嘴進(jìn)罐的LNG 量至少為儲(chǔ)罐內(nèi)剩余液體量的10倍。

（4）使用多孔管充裝。采用沿管長(zhǎng)方向有多個(gè)噴嘴的立管將LNG 裝入儲(chǔ)罐內(nèi)，使進(jìn)入儲(chǔ)罐的液體與罐內(nèi)原有的液體均勻混合，從而避免分層。

3.3.3 儲(chǔ)罐充裝操作的優(yōu)化

利用儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)時(shí)提供的頂部卸料管和底部卸料管，當(dāng)接卸的LNG 密度與儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG 密度不同時(shí)，采用合理的卸料方法，不同密度的LNG 將自動(dòng)混合，不會(huì)產(chǎn)生明顯的分層，進(jìn)而極大地降低了翻滾發(fā)生的概率。通過(guò)模擬和理論分析，在卸船混裝時(shí)充裝方式如下：

（1）當(dāng)來(lái)船LNG 為貧液時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 為富液，可不考慮儲(chǔ)罐初始液位和充裝高度因素的影響，卸船時(shí)應(yīng)選擇罐底充裝方式。

（2）當(dāng)來(lái)船LNG 為貧液時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 為貧液，兩種流體性質(zhì)相似，不需考慮儲(chǔ)罐初始液位和充裝高度因素的影響，卸船時(shí)應(yīng)選擇罐底充裝方式。

（3）當(dāng)來(lái)船LNG 為富液時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 為富液，兩種流體性質(zhì)相似，可不考慮儲(chǔ)罐初始液位和充裝高度因素的影響，卸船時(shí)應(yīng)選擇罐底充裝方式。

（4）當(dāng)來(lái)船LNG 為富液時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 為貧液，若充裝高度小于3 m，可不考慮儲(chǔ)罐初始液位影響，卸船時(shí)應(yīng)選擇罐底充裝方式。

（5）當(dāng)來(lái)船LNG 為富液時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 為貧液，若充裝高度大于3 m，儲(chǔ)罐內(nèi)初始液位小于2 m，可不考慮儲(chǔ)罐初始液位影響，卸船時(shí)應(yīng)選擇罐底充裝方式。

（6）當(dāng)來(lái)船LNG 為富液時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 為貧液，若充裝高度大于3 m，儲(chǔ)罐內(nèi)初始液位大于2 m，為了避免分層和翻滾現(xiàn)象的發(fā)生，卸船時(shí)應(yīng)選擇罐頂充裝方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的某LNG 接收站的貧富液接卸和儲(chǔ)存情況，采用數(shù)值模擬方式，建立LNG 混裝過(guò)程的CFD 數(shù)值模型，動(dòng)態(tài)研究了貧富液在混裝過(guò)程中分層情況，分析了不同充裝方式下儲(chǔ)罐混合演化過(guò)程，并給出混裝的操作建議。當(dāng)充裝LNG比儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 密度小時(shí)，可以選擇儲(chǔ)罐底部充裝的方式從而使兩種流體混合均勻，避免充裝過(guò)程中分層和翻滾現(xiàn)象的發(fā)生；當(dāng)充裝LNG 比儲(chǔ)罐內(nèi)LNG密度大時(shí)，可以選擇儲(chǔ)罐頂部充裝的方式。同時(shí)提出了在儲(chǔ)罐內(nèi)可安裝一定的循環(huán)裝置，采用混合噴管及使用多孔管充裝等模式，做到盡量避免分層或?qū)Ψ謱雍蟮囊后w充分?jǐn)嚢?，從而確保接收站生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行。