大型LNG储罐储液翻滚特性的多阶段研究

王　萍，彭文山，曹学文，王　庆，靳学堂.胜利油田森诺胜利工程有限公司，山东东营 57000.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛 66580

大型LNG储罐储液翻滚特性的多阶段研究

王萍1，彭文山2，曹学文2，王庆2，靳学堂2
1.胜利油田森诺胜利工程有限公司，山东东营 257000
2.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛 266580

一般认为相邻两层LNG间密度差大于0.5 kg/m3、温度差大于0.2℃就会引起LNG翻滚，导致大量LNG快速蒸发，罐内压力急剧升高影响存储安全，不仅浪费资源且造成极大安全隐患。在罐内LNG液体已经形成分层且可引发翻滚的基础上，利用Fluent软件建立罐内LNG翻滚过程中气相空间数值计算模型。得出主要结论如下：（1）储罐内LNG分层后翻滚过程可以分为四个过程：界面扰动阶段、扰动发展阶段、剧烈翻滚增压阶段和平稳恢复阶段；（2）储罐内LNG发生翻滚时，罐内LNG迅速蒸发，罐内压力急剧上升至储罐最大工作压力时，安全泄放阀打开泄放气体以防止罐内超压；（3）研究表明16万m3储罐充满率为70%、上层重质LNG厚度为1 m、LNG分层间密度差为1 kg/m3时，翻滚发生时的平均蒸发速率是静态蒸发速率的32.3倍，安全泄放阀在翻滚发生约16 h后打开泄压。

LNG储罐；分层与翻滚；翻滚特性；速度；压力

随着国家能源结构的调整以及环保要求的提高，液化天然气作为一种无色、无味、无毒、无腐蚀性的清洁能源在国内应用越来越广泛［1］。LNG储罐是LNG接收站的核心设备也是LNG存储的主要设备［2-3］。LNG在罐内存储过程中受到外部热源的侵扰而发生静态蒸发，LNG受热蒸发罐内压力升高，影响储罐的安全存储；上层LNG液体中沸点较低的组分（如氮、甲烷等）优先吸热蒸发［4-5］，形成上下两层或多层的密度、温度等不同的LNG分层；新旧LNG的混装也会引起罐内LNG分层。当相邻两层LNG之间的密度差、温度差达到一定值则会导致其翻滚［6-7］，并大量快速蒸发［8］，造成极大的安全威胁和经济损失。

本文以16万m3LNG储罐为例，在罐内LNG已经分层且会发生翻滚的基础上，建立LNG翻滚过程中气相部分数值模型，利用Fluent软件进行计算，研究翻滚过程中气相空间运动规律和压力变化规律。这是首次建立LNG储罐内储液翻滚时气相空间的研究模型，对罐内的翻滚过程进行分阶段分析，对罐内翻滚过程中的压力变化进行研究，为生产中的翻滚预防提供理论支持。

1　模型建立

1.1物理模型

以16万m3LNG储罐为原型，建立密闭大型LNG储罐分层与翻滚的物理模型，对翻滚过程中气相空间运动规律和压力变化进行研究。LNG储罐内的LNG液体发生分层是储罐翻滚的必要条件。图1所示为储罐内的LNG液体已发生分层与翻滚。

图1　L NG储罐分层与翻滚示意

当两层LNG之间的密度差、温度差达到一定值时，下层LNG与上层LNG之间发生剧烈的传热传质现象。下层LNG上升到顶面，由于压力的降低使得其成为过热饱和液体，蓄积的能量急剧释放，LNG蒸发产生大量的BOG气体，储罐内的压力急剧上升，罐内发生翻滚现象。

1.2假设条件

根据所研究的内容，进行了以下的假设：

（1）以16万m3大型LNG储罐为例，建立三维模型，直径取80 m，忽略内罐壁厚。

（2）储罐的漏热已经造成了LNG液体分层，分层形式为上重下轻结构。

（3）LNG储罐与外界环境之间的热交换全部用于液相蒸发和温度提升。

（4）储罐内液相、气相部分的温度是均匀的。

（5）整个储罐的内部空间分为三部分：气相部分、液相主体部分和气液交界面部分，其中气液交界面部分只考虑其存在而忽略其厚度。

1.3数学模型

建立储罐内部翻滚的数学计算模型。

（1） 气相空间质量守恒方程：

式中：τ为时间，s；ρg为气相密度，kg/m3；vg为气相体积，m3；Gw为单位时间储罐内壁凝结的气体质量，kg/s；Gf为单位时间气液界面上凝结的气体质量，kg/s。

（2） 气相空间能量守恒方程：

式中：hg为饱和气体焓，J/kg；αwg为气相空间与储罐内壁间对流换热系数，J/（m2·K）；Fwg为气相空间与储罐内壁接触面积，m2；Twg为气相空间壁面温度，K；Ts为储罐内压力对应的饱和温度，K；hs为饱和温度Ts对应的饱和气体焓，J/kg；αf为气相空间与气液界面对流换热系数，J/（m2·K）；Ff为气液界面面积，m2；Tg为气相空间温度，K。

（3）气相空间内壁面单位时间气体冷凝质量：

本文的研究假设气相空间的气体温度均匀一致，气液界面只考虑其存在而忽略其厚度，则可以认为在气相空间的储罐壁面上气体冷凝量是均匀的，则气相空间储罐壁面单位时间气体冷凝质量为：

式中：λs为气体冷凝膜导热系数，W/（m·K）；δ为气体冷凝膜的厚度，m；γs为饱和温度Ts对应的气化潜热，J/kg。

（4）气液界面单位时间气体冷凝质量：

式中：Tl为液相温度，K；λl为液相导热系数，W/ （m·K）；Cpl为液相比热容，J/（kg·K）；ρs为饱和温度Ts对应的气相密度，kg/m3；ρl为液相密度，kg/m3。

（5） 液相质量守恒方程：

式中：vl为液相体积，m3。

（6） 液相能量守恒方程：

式中：hl为液体焓，J/kg；αw l为液相与壁面间对流换热系数，J/（m2·K）；Fw l为液相与储罐内壁接触面积，m2；Tw l为液相壁面温度，K。

（7） 体积守恒方程：

式中：V为储罐总容积，m3。

（8） 气体状态方程：

式中：P为储罐内压力，Pa。

1.4模拟计算

本文采用计算流体动力学方法（Computational Fluid Dynamics，CFD）建立大型LNG储罐内分层与翻滚模型。针对大型LNG储罐内LNG液体在分层形成之后的翻滚过程进行数值模拟，模拟时选用压力基（Pressure-Based）求解器以及瞬态（Transient）模型，模拟选用mixture模型、k-ε方程，储罐顶部设为pressure-out类型，其他边界条件设为wall类型。在模型的设置中，相间作用选择 evaporation-condensation模型。

依据以上的物理模型、数学模型以及数值计算方法的分析，利用Fluent软件进行模型的求解。储罐初始充满率为70%，初始压力为101.325 kPa，罐顶出口背压为130.325 kPa；罐内液相主体为轻质LNG，其上层覆盖1 m厚重质LNG，气相空间的初始时刻充满甲烷。研究采用的介质物性见表1。

选用三维数值模拟，在计算区域中采用结构化网格进行网格划分，网格划分数目为2 193 457。图2 为LNG储罐的网格划分图。

表1　L NG和甲烷物性

图2　L NG储罐网格划分

2　结果分析

LNG储罐内液体发生分层后，其密度差、温度差达到一定值时罐内会发生LNG层间的翻滚。通过对整个过程的模拟研究分析，罐内的翻滚过程可以分为四个阶段：界面扰动阶段、扰动发展阶段、剧烈翻滚增压阶段和平稳恢复阶段。利用三维模型研究LNG储罐分层与翻滚的气相空间运动规律及压力变化规律，以下取储罐中心剖面进行结果分析。

2.1界面扰动阶段

图3为储罐内LNG液相在分层后发生翻滚时界面扰动阶段速度云图。

从图3（a）可以看出，储罐内的翻滚现象从罐壁开始，这是因为壁面无滑移，且罐壁与外界环境之间存在热交换，分层界面首先在壁面处发生弯曲开始翻滚。从图3（b）可以看出LNG分层间的翻滚现象由罐壁向罐中心发展，最大速度出现在气液交界面处，这是因为LNG层间翻滚而蒸发大量气体，气液交界面处是蒸发气体的发源地，因而此处的气体速度最大。从图3（b）、（c）、（d）可以看出，在罐中心处的气相速度较小，形成一个旋涡，且以中心轴线为分界；两侧速度方向相反，背向而行。这是由于罐内LNG层间翻滚的发生是由罐壁向罐中心发展的，在气液交界面处贴近液相的一层气体速度方向是由罐壁到罐中心，两侧气体在罐中心相遇且相互冲撞排斥，由于对称性使得气体在罐中心处向上运动。储罐顶部压力较大，罐中心两侧的气体向上运动一定距离后方向改变，返回罐壁方向。这样在液相上方，罐中心两侧各自形成一个气体旋涡。

图3　L NG储罐内翻滚时界面扰动阶段速度云图（单位：m/s）

2.2扰动发展阶段

图4为储罐内翻滚的扰动发展阶段的速度云图。

从图4可以看出，储罐内气体的最大速度呈现增长趋势，从图4（a）中的1.44 m/s增加到图4（d）中的1.78 m/s。由于储罐内翻滚的发生，大量的LNG蒸发成为气体，使得储罐内气体速度呈现增长趋势。从图中可以明显看出，储罐内的气体由气液界面向罐顶方向扩展，气体速度及波动范围越来越大。这也说明，储罐内的翻滚处于扰动发展阶段时，不仅表现在气体速度的增长，也表现在速度波动范围的增大趋势。从图4中还可看出，气体旋涡在罐中心处两侧反向气体的作用下，气体旋涡向罐壁方向运动。

2.3剧烈增压阶段

图5为储罐内翻滚的剧烈增压阶段的速度云图。

从图5可以看出，气体旋涡中心处具有最大的气相速度。在气体旋涡由罐中心向罐壁运动以及由罐壁向罐中心运动的过程中，气体具有的最大速度，比气体旋涡与储罐罐壁碰撞以及两气旋在罐中心处碰撞的速度要大。

在气体旋涡由罐中心向罐壁运动以及由罐壁向罐中心运动的过程中，气体具有的最大速度约为1.1 m/s；在气体旋涡与罐壁碰撞以及两气旋在罐中心处碰撞过程中，气体具有的最大速度约为0.7 m/s。这是由于气旋与罐壁之间的作用以及气旋碰撞的相互作用，使得气旋速度降低。

图6为储罐内翻滚剧烈增压阶段的另外一次碰撞循环过程。

从图6（a）可以看出，在气液界面上方的气相空间里，储罐中心轴线两侧的气体旋涡均由罐中心向罐壁方向运动，与罐壁碰撞后，部分气体沿罐壁向上运动至储罐顶部，剩余气体上下翻滚形成旋涡，旋涡的旋转方向不改变。从图6（b）可知，罐壁的碰撞作用使气体旋涡整体运动方向改变，由罐壁返回罐中心。图6（c）显示的是储罐中心处的气体由罐顶向下运动，并在中心两侧再次形成气体旋涡，但旋涡的旋转方向与碰撞之前相反。图6（d）显示的是气体旋涡在储罐的中心碰撞中，由于相互作用力的作用，使得气体旋涡整体改变运动方向，再次向储罐的罐壁移动。LNG储罐内液相之间的密度差、温度差，以及储罐与外界环境之间的热交换为翻滚中气体的蒸发提供了气旋持续运动的动力。这正是储罐内的剧烈翻滚增压阶段。

图4　L NG储罐内翻滚时扰动发展阶段速度云图（单位：m/s）

图5　L NG储罐翻滚时剧烈增压阶段速度云图（单位：m/s）

图6　L NG储罐翻滚时剧烈增压阶段速度云图（单位：m/s）

2.4平稳恢复阶段

当LNG储罐内液相之间的密度差、温度差消除后，储罐与外界环境之间热交换时储罐处于静态蒸发状态。储罐内的LNG翻滚逐渐减弱直至平稳，此时为翻滚的平稳恢复阶段，储罐内的LNG翻滚现象结束。

2.5罐内压力研究

通过对LNG储罐储液分层与翻滚的模拟，对储罐气液界面上方气相的压力进行密切关注，可以得到储罐内气相的压力随时间变化的规律。该模拟的监测点为储罐中心顶端的压力出口处。图7为气相出口处的压力随时间的变化曲线。

从图7可以看出，储罐气相出口处的压力随时间呈现增长趋势，且增长速度越来越快，即储罐内发生翻滚，大量LNG急剧蒸发，储罐内压力迅速增长。从图中标注的虚线处可以推算，在分层发生翻滚到罐内压力达到储罐的最大工作压力（表压29 kPa），时间经历约16 h。即从储罐内发生分层与翻滚到罐内压力达到储罐的最大工作压力共经历约16 h，此时储罐的安全泄放阀打开，释放储罐内过多的气体，维持储罐的安全。

图7　L NG储罐翻滚时罐气相空间压力变化曲线

通过计算，该工况下的储罐罐内压力增长率约为1.81 kPa/h，这与文献［9］中的数据比较，约为该工况下静态日蒸发时的罐内压力增长率0.056 kPa/h的32.3倍。分层平衡被破坏后的LNG出现翻滚沸腾状态，其蒸发量可达到静态蒸发量的10～50倍甚至更高。

3　结论

翻滚过程是一种急剧的相变过程，对整个气相空间的气相运动和压力变化影响巨大，严重威胁储罐的安全存储。对翻滚过程中气相空间运动规律和压力变化的研究，得出如下主要结论：

（1）储罐内分层发生后，翻滚过程可以分为四个阶段：界面扰动阶段、扰动发展阶段、剧烈翻滚增压阶段和平稳恢复阶段。

（2）当储罐内发生翻滚时，罐内LNG迅速蒸发，罐内压力急剧上升，罐内压力达到储罐的最大工作压力时，储罐的安全泄放阀打开，防止罐内超压。

（3）翻滚发生时，LNG的蒸发速率是正常情况下的10～50倍甚至上百倍，对于本文的研究，16万m3储罐充满率为70%、在上层重质LNG厚度为1 m、LNG分层间密度差为1 kg/m3时，其翻滚的平均蒸发速率是正常情况下的32.3倍，储罐的安全泄放阀在翻滚发生约16 h时打开。

［1］刘小丽.中国天然气市场发展现状与特点［J］.天然气工业，2010，30（7）：1-6.

［2］彭文山，程旭东，林楠，等.LNG储罐环向预应力筋设计方法［J］.低温建筑技术，2013，35（5）：38-40.

［3］程旭东，彭文山，孙连方，等.热应力作用下LNG储罐外罐裂缝及失效时间分析［J］.天然气工业，2015，35（3）：102-109.

［4］汪顺华，鲁雪生，赵红霞.低温液体容器无损存储传热模型［J］.低温工程，2001（6）：37-41.

［5］徐烈，孙恒，李兆慈，等.温度与充满率对低温容器无损贮存性能的影响［J］.化工学报，2001，52（10）：891-895.

［6］王武昌，李玉星，孙法峰，等.大型LNG储罐内压力及蒸发率的影响因素分析［J］.天然气工业，2010，30（7）：87-92.

［7］乔国发.影响LNG储存容器蒸发率因素的研究［D］.青岛：中国石油大学（华东），2007.

［8］候金伟.LNG储罐分层与翻滚的数值模拟［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

［9］王小尚，王萍，曹学文，等.大型LNG储罐安全存储影响因素分析［J］.石油工程建设，2015，41（5）：5-11.

国家自然科学基金（51274232）和中央高校基本科研业务费专项资金（13CX06074A）资助。

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，山东德州人，2015年毕业于中国石油大学（华东）油气储运专业，硕士，主要从事大型LNG储罐干燥置换、分层与翻滚以及海管完整性等方面的研究。

Email：wangpflyhigh@126.com

2015-11-18