液化天然气密度(【论文精选】大型LNG储罐翻滚两分层和三分层模型模拟)

液化天然气密度

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作者：步勇成，王娜，赵晓丹

第一作者单位：山东建筑大学摘自《煤气与热力》2019年4月刊
1 概述LNG在常压储罐中是在常压、-162 ℃低温的条件下储存的，主要的成分是甲烷，其次乙烷、丙烷及氮（N2）等。当向已经存有LNG的储罐中再次充注新的LNG时，由于后注入LNG和原有LNG密度不同，将会导致分层的发生。LNG的主要成分中，氮组分的沸点最低，但其相对分子质量比甲烷大［1-2］。因此，在储存过程中，随着储罐侧壁与底部的不断漏热，致使储罐内温度不断升高，存在于下层LNG中的氮组分将优先蒸发，气体不断从储罐底层向上层移动，进而使得下层LNG密度变小，产生分层现象。储罐中LNG发生分层后，各层液体间维持相对稳定的状态，LNG分层后储罐内的自然对流循环见图1，在分界面处发生质能交换。上层的LNG密度较小，轻组分的沸点也较低，液体在吸收环境漏热和从下部传递的热量后，经过蒸发吸热带走其中一部分热量，从而使上层密度持续加大。下层的LNG吸收环境漏热向上层液体传递，密度逐渐减小。在整个传递过程中，当上层与下层的密度接近时，两分层液体混合，下层液体中还未蒸发的LNG将吸热而加速蒸发，对流循环加剧，储罐内原本密度不同的两分层LNG发生翻滚，在翻滚过程中伴随着大量BOG产生，不断积聚的气体使得储罐内压力不断增大，从而有可能引发储罐安全事故［3-5］。图1 LNG分层后储罐内的自然对流循环
本文拟利用FLUENT对储罐内的速度场、密度场进行模拟，对LNG的翻滚特性进行分析，得到LNG储罐翻滚的临界值。2 模型建立①物理模型建立对大型LNG储罐内的分层和翻滚的物理模型简化如下。a.选取16×104m3大型LNG储罐，直径取80 m，忽略内罐壁厚，建立两分层二维模型及三分层二维模型。b.本文研究的是已经分层后的LNG储罐内速度场和密度场的变化情况，不分析造成分层的原因和过程，假设模拟开始时分层已经产生。c.不考虑气相部分，只对液相部分进行研究。d.模拟不考虑传热。e.设LNG的流动符合牛顿内摩擦定律，不考虑流动耗散和黏性耗散。模拟中采用的LNG物性参数见表1。表1中标准焓是在压力为101.325 kPa、温度为111 K条件下。表1 LNG物性参数出于对计算量和网格质量的考虑，在计算区域中网格划分成为结构化网格，两分层翻滚模型网格总数为16 000，三分层翻滚模型网格总数为24 000，网格划分见图2。图2 网格划分
②数学模型的建立基于Boussinesq假设，通过处理可以得到大型LNG储罐的分层与翻滚的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分方程等。3 LNG翻滚的数值模拟
a.三分层工况模拟分析三分层翻滚模拟中各层密度随时间的变化见图3，三分层分界面速度随时间的变化见图4。图3 三分层翻滚模拟中各层密度随时间的变化
图4 三分层分界面速度随时间的变化
由图3、4可以看出，初始80 s内，重力作用还未打破各层间的分界面，层内还没开始混合，各层内的密度几乎保持不变，分界面上的速度近乎为0。80～150 s，因为各层间的密度存在着差异，在重力作用下各层开始混合，挤压分界面，各层密度发生剧烈变化。150～200 s，中下层之间先进行混合再与上层混合，所以下分界面的速度略高于上分界面，这一阶段各层密度变化剧烈，分界面速度达到最大值。200～600 s，三分层间的液体仍在混合翻滚，但在前期剧烈混合后，三分层间的密度差变小，混合的动力减小，翻滚的剧烈程度降低，各层密度变化减小，分界面速度减慢。600 s后，混合基本结束，新的分层形成，储罐内液体重回稳定状态，各层密度变化很小，稳定后相邻层液体的密度差缩小，上层密度低，上中层的密度差约0.6 kg/m3，与下层密度相比，中层密度低于下层密度，中下层密度差约为0.5 kg/m3，总体呈现上轻下重的结构。b.分层数目对翻滚的影响两分层与三分层分界面速度随时间变化的比较见图5。图5 两分层与三分层分界面速度随时间变化的比较
由图5可以看出，三分层发生翻滚的时间比两分层稍早，三分层下分界面的最大速度约为0.15 m/s，上分界面的最大速度约为0.12 m/s，两分层分界面最大速度约为0.095 m/s，三分层的两个分界面速度均高于两分层，三分层翻滚更剧烈。三分层结构的翻滚一直持续到600 s后才逐渐平稳，两分层结构的翻滚在300 s后基本停止。经过比较可知：在容积直径相同的储罐条件下，密度差相同的三分层翻滚程度比两分层剧烈，且翻滚达到稳定的持续时间更长。③不同分层高度对翻滚的影响a.相同密度差下同分层高度的影响为了研究不同分层高度对翻滚的影响，设储罐中两分层的初始密度差为1 kg/m3，上下层密度分别为425 kg/m3、424 kg/m3，取其分层高度分别为l m、2 m、3 m进行数值模拟，两分层不同分层高度分界面速度随时间变化见图6。图6 两分层不同分层高度分界面速度随时间变化
由图6可以看出，密度差及其他条件相同的情况下，分层高度越大，翻滚开始的时间越晚，整个翻滚过程持续的时间越长；分层高度越小，翻滚开始的时间越早，整个翻滚过程持续的时间越短。b.不同分层高度下临界密度差的变化当LNG储罐内相邻两分层的密度差达到某一密度差时，翻滚持续时间不随密度差的增大而发生变化，该密度差称为临界密度差。为了研究不同分层高度对临界密度差的影响，取分层高度分别为l m、2 m、3 m进行数值模拟，设两分层的初始密度差分别为1 kg/m3、1.5 kg/m3、2 kg/m3、3 kg/m3、4 kg/m3、5 kg/m3、8 kg/m3。不同分层高度下翻滚持续时间随密度差的变化见图7。图7 不同分层高度下翻滚持续时间随密度差的变化
由图7可以发现，分层高度为1 m时，翻滚持续时间短，临界密度差为3 kg/m3；分层高度为2 m时，翻滚持续时间加长，临界密度差为4 kg/m3；分层高度为3 m时，临界密度差为5 kg/m3。临界密度差随分层高度增大而增大。4 LNG分层翻滚的预防措施通过模拟不同初始密度差下的两分层翻滚过程，发现在初始密度差小于临界密度差时，储罐内的翻滚持续时间长；初始密度差大于临界密度差时，翻滚持续时间不再缩短。结合已发生过的LNG翻滚事故和对LNG翻滚机理的研究，在实际的生产操作中可采用以下措施对LNG翻滚进行预防。①不同产地的LNG分别储存。由于密度差是造成翻滚的最重要因素，不同气源地的LNG组成和密度都存在不同，所以在储存时可将不同产地的LNG分别储存，减少因密度差不同产生分层，避免翻滚现象产生。这个方法对储罐数量较多的LNG接收站较便于操作。②采用正确的充装方式。当槽车中的LNG密度大于储罐内的LNG密度时，选择从顶部进行充装；当槽车中的LNG密度小于储罐内的LNG密度时，选择从底部进行充装。该种充装方式，能使新进LNG与原有的LNG充分混合，避免或者延缓分层的发生。③采用混合喷嘴及多孔管等设备进行充装，使液体混合得更均匀，利用搅拌器和潜液泵等设备，定期开启，通过搅拌和循环罐内液体，保持罐内的液体密度均匀一致，预防和消除分层的产生。5 结论①上、中、下分层密度分别为425 kg/m3、424 kg/m3、423 kg/m3时，分析三分层各层密度及分界面速度的变化，对比两分层与三分层分界面速度随时间变化。两分层高度分别为1 m、2 m、3 m时，分析不同分层高度分界面速度随时间变化及临界密度差的变化。②上、中、下分层密度分别为425 kg/m3、424 kg/m3、423 kg/m3时，各层LNG密度经过剧烈变化，600 s后，混合基本结束，新的分层形成，储罐内液体重回稳定状态，相邻层液体的密度差缩小，上中层的密度差约0.6 kg/m3，中下层密度差约为0.5 kg/m3，总体呈现上轻下重的结构。③在相同的储罐条件下，密度差相同的三分层上分界面速度、下分界面速度均大于两分层分界面速度，三分层翻滚程度比两分层剧烈，翻滚持续时间更长。④对于两分层模型，分层高度分别为1 m、2 m、3 m时，密度差及其他条件相同的情况下，分层高度越大，翻滚开始时间越晚，翻滚持续时间越长。⑤对两分层模型，不同分层高度下，随着层间密度差的增大，翻滚持续时间先减小，然后在层间密度差达到临界密度差后，趋于不变。两分层高度分别为1 m、2 m、3 m时，临界密度差分别为3 kg/m3、4 kg/m3、5 kg/m3。临界密度差随分层高度增大而增大。
参考文献：
［1］乔国发，李玉星，张孔明，等.我国液化天然气工业的现状及发展前景［J］.油气储运，2005，24（3）：1-4.［2］ZELLOUF Y，PORTANNIER B. First step in optimizing LNG storages for offshore terminals［J］. Journal of Natural Gas Science & Engineering，2011，3（5）：582-590.［3］金春旭，潘振，陈保东，等.液化天然气储罐翻滚事故分析［J］.当代化工，2014（10）：2065-2067.［4］张成伟，吕国锋，庄芳. LNG储罐中液化气翻滚原因及预防［J］.石油工程建设，2011，37（6）：66-68.［5］宋斌杰，石玉美，汪荣顺.国外低温液体无损储存的研究进展［J］.低温与超导，2007，35（6）：469-473.［6］王鹏，王全国，党文义，等.大型LNG储罐翻滚事故放空气扩散后果模拟［J］.中国安全生产科学技术，2014（11）：174-179.［7］赵晓丹，张增刚. LNG储罐中储液分层密度差对翻滚的影响［J］.煤气与热力，2018，38（12）：B18-B21.

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