LNG储罐贫富液混装过程的动态研究

付俊涛

中国石化天然气分公司

近年来，随着我国天然气产业的飞速发展，管网及接收站等基础设施加快了建设，生产和消费规模不断扩大，我国已成为全球天然气第三大消费国及进口国。2018年，我国天然气表观消费量约为2 800×108m3，同比增长17%；其中净进口天然气约1 210×108m3，占全国总消费量43%，同比增加约35%；而进口液化天然气（LNG）达到5 378×108t（折合753×108m3），占进口天然气总量的62%，占全国总消费量27%。根据国家相关部门预测，我国天然气需求将长期保持快速增长，2019年预计天然气需求量达到3 100×108m3，2025年天然气需求将达到4 500×108m3。在国产气及进口管道气增量有限的情况下，LNG将成为未来主要资源供给，而LNG 接收站作为接卸LNG 的主要设施，将在未来发挥越来越大的作用。

截至2019年4月底，我国已建成21座LNG 接收站，接收能力达到8 875×104t/a，LNG 储罐罐容达到910×104m3。随着LNG 进口量的不断增加，同一个LNG 接收站接卸不同气质LNG 资源的可能性逐步增大，尤其是LNG 现货资源，不同产地，LNG 组分不同，密度差异大。而目前LNG 接收站普遍建设有2～4个16×104～20×104m3的LNG 储罐，无法实现多种LNG 资源的分卸、分储，因此不可避免地需要在同一储罐进行不同气质LNG 接卸和储存。当两种气质密度存在较大差异时，若不采取合理的接卸和储存方式，则会造成LNG 分层，严重时产生翻滚[1]，引发安全事故。1971年8月21日，意大利SNAMLNG 输配站发生事故，由于密度大、温度高的LNG 从储罐底部注入，发生分层引发翻滚，在1.25 h的翻滚中，136 t LNG气化跑出储罐，高峰时蒸发率为正常的100倍[2]。因此有必要研究LNG 储罐贫液（密度低）和富液（密度高）混合的储存方式。本文结合国内已运行的某LNG接收站的贫富液接卸和储存情况，采用数值模拟方式，动态研究了贫富液在混装过程中分层情况，并给出混装的操作建议，对LNG 接收站实现贫富液混装和安全平稳生产具有重要意义。

曲顺利等[3]建立了LNG 储罐的翻滚模型，并利用Fluent 软件，通过模拟储罐的翻滚过程研究了储罐的初始密度差、分层高度、储罐罐容对LNG 翻滚的影响。孙福涛等[4]建立了大型LNG 储罐分层及翻滚模型，考虑LNG 多组分、变物性的特点，研究了分层破坏的机理及分层温差、分层高度、漏热量和漏热位置对翻滚剧烈程度的影响。KOYAMA等[5]利用CFD 模型动态研究了储罐介质填充过程的分层现象。

1 某LNG工程项目概况

本文选取的LNG 工程项目设计接收能力为600×104t/a，建设有1座8×104～26.6×104m3LNG泊位，4座16×104m3LNG 储罐，气化能力为2 700×104m3/d。项目于2011年6月开工建设，2014年11月建成投产。该接收站主要接卸长协资源，其中200×104t来自于巴布亚新几内亚（PNG，甲烷摩尔分数为87%左右，其余主要为乙烷和丙烷，称为富液），剩余长协来自于澳大利亚（APLNG，甲烷摩尔分数为99.85%），此外随着下游市场需求增加，现货接卸量（典型组成，甲烷摩尔分数为92.41%）也逐步增多，表1为典型资源主要组分参数。正常情况下，利用2台储罐储存富液，2台储罐接卸贫液。在接卸现货时，则需要根据储罐情况进行混合储存，另外在一些极端情况下（例如长协资源不能按期到货时），也需要对两种密度差较大的贫富液资源进行混合储存。在此情况下，则需要掌握在不同资源混合过程中LNG 密度变化及分层情况，从而选取合理的混合方式，以确保接收站安全平稳运行。

表1 典型资源主要组分参数Tab.1 Main component parameters of typical resources

2 建立贫富液混装的动态模型

翻滚是LNG 储存过程中特有的现象，防止LNG 在储存中出现翻滚的关键是要防止储罐内的LNG出现分层，尽可能保持储罐内不同位置尤其是不同高度处液化天然气的密度均匀。LNG接收站卸船时，因不同资源地组分不同，以及接收站内储罐数量及容积受限等因素的影响，不可避免地要面临LNG 资源的接卸和混装，此时需根据来料LNG 和储罐LNG 密度差异及相关因素选取合适的充装方式，从而有效地防止分层。一般情况下，LNG储罐有两种卸料方式：储罐顶部卸料和底部卸料（图1）。罐顶进料即LNG 直接由罐顶注入内罐；罐底进料即LNG经罐顶后进入罐内立式导管到达底部。

图1 LNG储罐卸料方式示意图Fig.1 Schematic diagram of unloading way of LNG storage tank

2.1 数学模型

采用二维数值模拟方法[1-5]对LNG 卸船混装过程的动态演化进行研究，模拟不同充装方式下的LNG混合情况。

连续性方程为

其中：

动量方程为

能量方程为

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；α为体积分数；为矢量速度，m/s；h为流体焓，J/kg；SM为动量源，kg/(m2·s2)；∇P是张量函数；Q为单位体积的相间传热量，W/m3；S为热源，W/m3；T为温度，K；μ为动力黏度，Pa·s；λ为综合传热系数；n=2，指来料LNG 和储罐LNG 两种流体。

2.2 物理模型

通过Fluent 软件[6-11]模拟LNG 储罐的不同进料方式，从而选择合适的卸货方式，防止储罐内分层及翻滚现象的发生。将LNG 储罐简化，建立卸船充装模型：

（1）储罐容积16×104m3，直径为80 m，进口管径为1 m，忽略储罐壁面厚度。

（2）假设LNG 储罐充装前整个内部LNG 分布均匀，模拟过程中只考虑卸船充装时储罐内流体混合情况，不考虑相变。

（3）模拟过程中不考虑传热的影响。

利用ICEM 软件，采用结构网格对模型进行网格划分，如图2和图3所示。Fluent 多相流模型采用mixture 模型，紊流方程采用k-ε方程，设置质量进口边界条件，壁面设置成绝热，出口边界为outlet vent（在此使用这个方法来维持系统内质量平衡，同时减少自由边界的计算量）。来料LNG 和储罐内LNG 组分参数根据接收站典型资源确定，如表2所示，其中富液密度约为470 kg/m3，贫液密度为420 kg/m3。

图2 储罐底部充装模型Fig.2 Filling model of tank bottom

图3 储罐顶部充装模型Fig.3 Filling model of tank top

表2 LNG组分参数表Tab.2 Component parameters of LNG

为了分析两种不同流体混合时温度的影响，导入自定义UDF如式（6）

式中：ρ为流体密度；T为温度；a、b为自定义因数。

2.3 边界条件和初始条件

对侧壁和底部壁面的边界条件规定如下：

（1）速度ux均为无滑移条件。

（2）对于S，

（3）对于湍流动能k，

对LNG 储罐卸船充装模型的初始条件设置如下：

（1）储罐内LNG 作为一个整体密度，其初始密度值设为定值。

（2）对于流体的初始速度，垂直于进口方向速度为0。

3 卸船混装过程动态演化分析

一般情况下，在卸料之前LNG 储罐需要降低一定液位，从而满足卸料需求。考虑储罐初始液位和储罐内蒸发气（Boil-Off Gas，BOG）对卸船充装的影响，在储罐内有一部分液相空间和一部分气相空间时进行充装混合，模拟罐顶充装和罐底充装两种情况下贫液和富液的混合动态变化。

3.1 罐底充装动态演化

3.1.1 富液充装过程

模拟流程的参数为：船上的LNG 为富液，接收站储罐内的LNG 为贫液，卸船之前储罐液面高度为15 m，卸船时选择罐底进料方式。模拟结果如图4所示。

图4 富液从底部注入与贫液混合时储罐密度云图Fig.4 Density cloud picture of storage tank when rich fluid is injected form the bottom and mixed with poor fluid

通过图4可以看出，当采用底部卸料方式卸载富液时，初期富液和罐内贫液在卸料口有一定程度混合，同时受储罐内原有BOG 影响储罐的液位有一定的波动；随着卸载量不断增多，充装的富液将在储罐底部堆积，在储罐底部形成较明显的分层，在卸料口附近整个LNG 液层有一定的混合。针对该分层，随着时间积累，如果不能及时控制将会出现LNG翻滚等情况。

3.1.2 贫液充装过程

模拟流程的参数为：船上的LNG 为贫液，接收站储罐内的LNG 为富液，卸船之初液面高度为15 m，卸船时选择罐底进料方式。模拟结果如图5所示。

图5 贫液从底部注入与富液混合时储罐密度云图Fig.5 Density cloud picture of storage tank when poor fluid is injected from the bottom and mixed with rich fluid

通过图5可以看出，当采用底部卸料方式卸载贫液时，初期充装的LNG 比储罐内的LNG 密度小，BOG的存在对气液分界面影响较大，分界面波动幅度比贫液储罐充装富液时的波动幅度大，在两种流体混合过程中会夹带部分BOG，充装的贫液在浮力和相间摩擦作用下与储罐内LNG 逐渐混合，此时不会形成分层；随着卸船量增大，来料LNG 与储罐内LNG 混合均匀，未出现分层现象，从而避免LNG翻滚现象发生，保证储罐安全高效运行。

3.2 罐顶充装动态演化

3.2.1 富液充装过程

模拟流程的参数为：船上的LNG 为富液，接收站储罐内的LNG 为贫液，卸船之初液面高度为15 m，卸船时选择罐顶进料方式。模拟结果如图6所示。

通过图6可以看出，卸船之初储罐存在部分气相空间，充装的LNG 比储罐内的LNG 密度大，充装的LNG 与储罐内LNG 逐渐混合，从卸料口附近向远端扩散，此时不会形成分层；随着卸料量增多，来料LNG 与储罐内LNG 混合均匀，从而避免LNG翻滚现象发生，保证储罐安全高效运行。

图6 富液从顶部注入与贫液混合时储罐密度云图Fig.6 Density cloud picture of storage tank when rich fluid is injected from the top and mixed with poor fluid

3.2.2 贫液充装过程

模拟流程的参数为：船上的LNG 为贫液，接收站储罐内的LNG 为富液，卸船之初液面高度为15 m，卸船时选择罐顶进料方式。模拟结果如图7。

卸船选用罐顶充装方式，在储罐内BOG 气体的影响下，气液分界面不断波动，充装的LNG 依然浮在储罐顶部，与储罐原有LNG 形成明显分层；同时，通过图6和图7可以看出，当储罐内存在部分气相空间，选择罐顶充装方式时，卸船时均会有部分高温气体伴随来液流体进入储罐内原有液体中，由于气体温度较高，可能会导致大量BOG 蒸发，进而造成储罐压力升高，因此，卸船时在罐底充装具有可行性的条件下，应尽量选择罐底充注方式。

储罐顶部充装时BOG 气体的存在对卸船混装时储罐内气液分界面的波动影响较小；储罐底部充装时气相空间对分界面波动影响较大，且储罐内液相初始液位越高，气相空间对混装时液面波动影响越大。

图7 贫液从顶部注入与富液混合时储罐密度云图Fig.7 Density cloud picture of storage tank when poor fluid is injected from the top and mixed with rich fluid

3.3 储罐内LNG分层翻滚的预防及消除措施

3.3.1 LNG分层的预防和检测

分层是LNG 储存过程中特有的现象，是引发翻滚的前提，消除了分层就能避免翻滚的发生。LNG的分层分为密度分层和温度分层两类，无论哪一类分层都可以引起翻滚现象，因此，在实际操作过程中如何检测LNG 分层非常重要。一般采用下列方法检测分层情况：

（1）在储罐的承液部位沿竖向每1.5 m 安装温度测量装置进行温度监控。一般情况下，当分层液体之间的温差大于0.2 K，即认为发生了分层；当温差高达-14 ℃左右时，就有可能出现翻滚现象。

（2）在储罐的承液部位沿竖向每1.5 m 安装密度测量装置进行密度监控。一般情况下，当分层液体之间的密度差大于0.5 kg/m3时，即认为发生了分层；一般当密度差达5 kg/m3时，就要采用循环的方法来消除密度差。

（3）监测LNG 的蒸发速度。LNG 分层会抑制LNG的蒸发速度，使得翻滚前的蒸发速度比通常情况下低。采用压力表监测罐内压力时，大气压的变化会影响对LNG 蒸发速度的监测，可以采用绝对压力监测或记录大气压的变化。

3.3.2 消除分层的方法

通过对储罐贫富液混装研究，可采取以下措施尽量避免分层：

（1）条件允许情况下，对不同密度的LNG 分开储存。将不同产地、不同气源的LNG 尽可能储存于不同的LNG 储罐内，避免因密度差而引起的分层，尽量使一个储罐仅用来储存同一来源的LNG，控制其组成的变化范围。

（2）在储罐内安装一定的循环装置，例如潜液循环泵、搅拌器等，充分搅拌所有灌入储罐的LNG，消除密度差，防止LNG的分层。一般采用循环泵进行循环（用LNG 泵由储罐下部到上部打回流）的方法来使储罐中的组分充分混合。

（3）采用混合喷管，为使新安装的LNG 与罐内不同密度的剩余液体充分混合，可在罐底加充装喷嘴，同时要求喷嘴喷出的液体能够达到液面，并确保在湍流喷射扰动下有足够长的时间使两种液体混合均匀。经喷嘴进罐的LNG 量至少为储罐内剩余液体量的10倍。

（4）使用多孔管充装。采用沿管长方向有多个喷嘴的立管将LNG 装入储罐内，使进入储罐的液体与罐内原有的液体均匀混合，从而避免分层。

3.3.3 储罐充装操作的优化

利用储罐设计时提供的顶部卸料管和底部卸料管，当接卸的LNG 密度与储罐内的LNG 密度不同时，采用合理的卸料方法，不同密度的LNG 将自动混合，不会产生明显的分层，进而极大地降低了翻滚发生的概率。通过模拟和理论分析，在卸船混装时充装方式如下：

（1）当来船LNG 为贫液时，储罐内LNG 为富液，可不考虑储罐初始液位和充装高度因素的影响，卸船时应选择罐底充装方式。

（2）当来船LNG 为贫液时，储罐内LNG 为贫液，两种流体性质相似，不需考虑储罐初始液位和充装高度因素的影响，卸船时应选择罐底充装方式。

（3）当来船LNG 为富液时，储罐内LNG 为富液，两种流体性质相似，可不考虑储罐初始液位和充装高度因素的影响，卸船时应选择罐底充装方式。

（4）当来船LNG 为富液时，储罐内LNG 为贫液，若充装高度小于3 m，可不考虑储罐初始液位影响，卸船时应选择罐底充装方式。

（5）当来船LNG 为富液时，储罐内LNG 为贫液，若充装高度大于3 m，储罐内初始液位小于2 m，可不考虑储罐初始液位影响，卸船时应选择罐底充装方式。

（6）当来船LNG 为富液时，储罐内LNG 为贫液，若充装高度大于3 m，储罐内初始液位大于2 m，为了避免分层和翻滚现象的发生，卸船时应选择罐顶充装方式。

4 结束语

结合国内已运行的某LNG 接收站的贫富液接卸和储存情况，采用数值模拟方式，建立LNG 混装过程的CFD 数值模型，动态研究了贫富液在混装过程中分层情况，分析了不同充装方式下储罐混合演化过程，并给出混装的操作建议。当充装LNG比储罐内LNG 密度小时，可以选择储罐底部充装的方式从而使两种流体混合均匀，避免充装过程中分层和翻滚现象的发生；当充装LNG 比储罐内LNG密度大时，可以选择储罐顶部充装的方式。同时提出了在储罐内可安装一定的循环装置，采用混合喷管及使用多孔管充装等模式，做到尽量避免分层或对分层后的液体充分搅拌，从而确保接收站生产平稳运行。