液化天然氣儲存過程分層與翻滾預測研究進展*

王全國，鮑 磊，張國飛，李兆慈，李愛華

(1.中國石化安全工程研究院，山東青島 2661012.化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 2661013.中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京 1022494.青島泰能燃氣熱力設(shè)計有限公司，山東青島 266072)

液化天然氣儲存過程分層與翻滾預測研究進展*

王全國1,2，鮑 磊1,2，張國飛3，李兆慈3，李愛華4

(1.中國石化安全工程研究院，山東青島2661012.化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島2661013.中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京1022494.青島泰能燃氣熱力設(shè)計有限公司，山東青島266072)

總結(jié)了國內(nèi)外液化天然氣儲存過程中分層與翻滾的機理及常用預測模型，分析了各模型的特點，并對LNG翻滾的實驗和數(shù)值模擬研究進行了綜述。

液化天然氣 儲存 分層 翻滾

由分層引起的翻滾是液化天然氣(LNG)在儲存過程中的一大安全隱患。發(fā)生翻滾是由于兩分層劇烈混合，產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣，使儲罐內(nèi)壓力急劇上升，儲罐超壓大量氣體排放，不僅存在火災危險而且還可能造成巨大的經(jīng)濟損失[1-4]。在實際生產(chǎn)中，主要采取將不同產(chǎn)地的LNG分開儲存，或?qū)Σ煌镄缘腖NG采取合理的充裝方式，預防LNG儲罐翻滾，并對氮氣含量、LNG密度差和溫度差采取監(jiān)測等措施[2-3]。國內(nèi)大型LNG儲罐采用LTD監(jiān)測系統(tǒng)顯示不同高度LNG的密度差，控制臨界密度差。研究表明，僅僅改變充注策略無法避免密度分層的形成，因此研究LNG儲罐出現(xiàn)分層后的翻滾現(xiàn)象非常必要。

1 分層與翻滾的理論模型

早在20世紀50年代，由于航空航天事業(yè)發(fā)展的需要，很多學者對液氫、液氧和液氮等低溫液體的儲存進行研究[1-4]，為研究LNG分層翻滾現(xiàn)象提供了經(jīng)驗。Chatterjee等[5]將Turner通過溫-鹽雙擴散對流實驗確定的不同密度層液體間的傳熱傳質(zhì)系數(shù)運用到LNG分層與翻滾的預測中，提出了第一個預測翻滾的C-G模型。

該模型認為儲罐內(nèi)已經(jīng)存在若干個穩(wěn)定的分層，并且假設(shè)儲罐從周壁和底部受熱。將LNG看成由CH4和非揮發(fā)性重烴組成，并對各分層間的傳熱、傳質(zhì)做出了如下假設(shè)：①各層存在顯著的密度差異和明顯的分界面；②LNG的密度是溫度和甲烷摩爾分數(shù)的函數(shù)；③層間傳質(zhì)為等摩爾逆向擴散；④儲罐周壁和底壁的傳熱系數(shù)不同。

以后的模型都是在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來，通過進一步研究提出了改進模型[6]。改進的模型將LNG和蒸發(fā)氣都看成CH4、C2H6和N2的混合物，分層高度也不再是常數(shù)而是隨時間變化。

C-G模型用于描述LNG翻滾過程中液層間的熱質(zhì)傳遞存在一定的局限性，為此，Heestand等[7]通過修訂格拉曉夫數(shù)來反映分界面的傳熱傳質(zhì)關(guān)系，提出了HSM模型。該模型將LNG看成由CH4、C2H6、C3H8、n-C4H10和N2五種組分組成的混合物，且沒有采用Turner模型的表達式來描述分界面的傳熱傳質(zhì)系數(shù)，而是通過修正格拉曉夫數(shù)來表征熱質(zhì)交互關(guān)系?；谶@一改進，HSM模型的預測結(jié)果比C-G模型更符合實際情況。

Bates和Morrsion等[8]對相關(guān)實驗研究進行了總結(jié)，提出了B-M模型，將LNG翻滾的整個過程分為三個階段，即固定分界面階段、卷攜作用為主的移動分界面階段和翻滾階段，考慮了分層界面的下降運動，將固定分界面模型推廣到移動分界面模型。

在B-M模型中，LNG由CH4、C2H6、C3H8、C4H10和N2組成，固定分界面階段到移動分界面階段的轉(zhuǎn)換點通過臨界穩(wěn)定數(shù)來確定，臨界穩(wěn)定數(shù)的取值是影響模型準確性的重要因素。臨界穩(wěn)定數(shù)R可以由經(jīng)驗關(guān)系式(1)確定：

(1)

式中：S——組分的物質(zhì)的量濃度，mol/kg；

T——溫度，℃；

α和β分別代表由組分變化和溫度變化引起的密度變化率，可由以下公式確定：

(2)

(3)

式中：ρ——密度，kg/m3。

覃朝輝等[9]在研究LNG翻滾時發(fā)現(xiàn)，B-M模型沒有考慮蒸發(fā)率對密度差的影響，也不能解釋分界面加速下降的事實。針對上述缺陷，覃朝輝等將移動分界面階段劃分為上層卷攜階段和上層中心射流穿透階段，提出了四階段模型。四階段模型很好地解釋了移動分界面階段的分界面加速下降和下層溫度下降的現(xiàn)象。計算結(jié)果也表明四階段模型在初始密度差較小時更加符合實際情況。王萍等[10]認為儲罐內(nèi)分層發(fā)生后，翻滾過程可以分為界面擾動、擾動發(fā)展、劇烈翻滾增壓和平穩(wěn)恢復四個階段，并建立了數(shù)學模型。

宋旦鵬等[11]認為大型LNG儲罐充注分層是導致翻滾的直接原因，上、下層間存在中間過渡層，應用大空間自然對流換熱關(guān)聯(lián)式，通過分界面的熱量和質(zhì)量提出一種計算方法。

C-G模型及其改進模型、HSM模型是建立在分界面靜止的假設(shè)之上，將LNG翻滾演化過程分為固定界面和翻滾兩個階段，屬于二階段模型，這與LNG的實際分層和翻滾過程并不完全吻合。尤其C-G模型將LNG假設(shè)為甲烷和其他物質(zhì)組成的二元體系以簡化推導過程，與真實情況相差較大。HSM模型考慮LNG為CH4、C2H6、C3H8、C4H4和N2的混合物，但該模型仍是二階段模型，也不完全符合實際情況。B-M模型將LNG翻滾的過程分為三個階段，將固定分界面模型推廣到移動分界面模型。四階段模型考慮蒸發(fā)率的影響，較好地解決了分界面加速下降和下層溫度下降的問題，成為研究翻滾現(xiàn)象的常用模型。

2 分層與翻滾的實驗及數(shù)值模擬研究

在LNG分層和翻滾理論研究模型中，二階段模型的理論基礎(chǔ)是雙擴散原理和粘性流體的層流方程，雖然HSM模型考慮了紊流態(tài)，但因其為二階段模型，不完全符合實際情況。三階段模型和四階段模型的理論基礎(chǔ)是熱量和質(zhì)量平衡，沒有考慮流體的流動狀態(tài)，難以對層間的混合情況有深入了解。實驗研究則可以更加直觀地展現(xiàn)分層和翻滾的整個過程。

Sugawara等[12]將不同產(chǎn)地的LNG充入直徑為500 mm的儲罐中，進行了翻滾實驗研究。結(jié)果表明，上層和下層LNG溫度和組分都隨著各自層的對流運動而發(fā)生變化，兩層液體完全混合之前，分層界面快速降低。

Muro等[13]利用甲烷、乙烷和丙烷等制成分層液體，在直徑為580 mm，高為1 m的不銹鋼真空儲罐中進行了實驗，得到了蒸發(fā)速率與流體過熱之間的關(guān)系。

Nakano等[14]利用F11和F113為實驗介質(zhì)，在長方形儲罐中研究了分層液體的混合情況。試驗結(jié)果顯示，加熱方式會影響兩層液體的混合過程，當儲罐只有底部受熱時，分層界面基本不變，最后分層界面被液體波破壞，兩液體層混合。當周壁加熱時，分層界面逐漸下降，且比底部受熱混合得快。當儲罐底部和周壁同時受熱時，會發(fā)生上述兩種過程的疊加。

法國燃氣公司在1987年至1990年間用廢棄的LNG儲罐做了大量的分層翻滾實驗，通過實驗證實了Morrison提出的分層初始階段分界面基本靜止，接近翻滾時分界面迅速下降的結(jié)論[15]。由于采用了真實的LNG儲罐進行實驗，實驗可信度較高，此后的研究都采用了該實驗數(shù)據(jù)。

Shi等[16]進行了二維矩形槽內(nèi)的流動可視和跟蹤實驗。研究發(fā)現(xiàn)翻滾前分界面的下移以及底部和側(cè)壁熱流密度之比越大，翻滾的混合強度越大，并建立了用于描述矩形儲槽內(nèi)自然對流問題的二維計算流體力學模型。模型忽略了LNG的相變，假設(shè)氣液界面近似于等溫邊界條件，并引入渦量和流函數(shù)代替動量方程來求解速度場，消去了N-S中的壓力相，規(guī)避了壓力速度的耦合問題。利用渦量流函數(shù)求解LNG翻滾問題成為求解LNG翻滾的又一類典型方法。

3 分層與翻滾數(shù)值模擬研究

隨著計算軟件的廣泛應用，數(shù)值模擬方法已應用于LNG分層及翻滾過程的研究。數(shù)值模擬過程中可以通過改變邊界條件來模擬不同工況下的翻滾情況，借助FLUENT等軟件對LNG分層及翻滾進行了模擬研究，取得了一系列成果。

Yacine Zellouf等[17]研究了海上LNG儲存時液體運動對LNG分層及翻滾的影響。液體運動改變了LNG分層的混合機制，使混合不再受分子擴散主導，層內(nèi)流體流動導致的動態(tài)效應成為影響各分層混合的關(guān)鍵因素。與陸上儲存相比，在晃動情況下LNG各層混合的時間明顯縮短，混合過程中產(chǎn)生的蒸發(fā)氣的量取決于混合時各層所具有的能量。

喬國發(fā)[18]建立了紊流態(tài)LNG分層與翻滾演變的數(shù)學模型，并借助FLUENT軟件對分層與翻滾情況進行了數(shù)值模擬研究。認為分層的存在和儲罐內(nèi)熱邊界層的流動是LNG產(chǎn)生翻滾的直接原因。破壞分層導致翻滾的主要因素有中心射流的沖擊和卷攜作用，其中心射流的沖擊起主導作用。

程旭東等[19]根據(jù)雙擴散和粘性流體方程建立了數(shù)學模型，模擬了LNG分層和翻滾的過程。模擬結(jié)果顯示，儲罐內(nèi)LNG受熱后的熱邊界層的流動是產(chǎn)生翻滾的直接原因。當漏熱強度超過30 W/m2時，改變漏熱強度對產(chǎn)生翻滾的時間影響不大，上層的密度較大時產(chǎn)生翻滾所需的時間較長。

顧妍[20]進行了海上浮動平臺低溫液體動態(tài)儲存的數(shù)值模擬和實驗研究。用液氮為介質(zhì)測量了低溫儲罐在各種搖擺角度和搖擺頻率下24 h的蒸發(fā)率。發(fā)現(xiàn)在較小的搖擺角度時，隨著搖擺頻率增大，液氮日蒸發(fā)率逐漸增大，當搖擺頻率大于8 rmp時，搖擺頻率已經(jīng)不再明顯影響儲罐的日蒸發(fā)率；在搖擺角度較大時，增大儲罐搖擺頻率液氮日蒸發(fā)率略有上升，但是影響不明顯。

李玉星等[21-22]建立LNG翻滾的物理和數(shù)學模型，利用FLUENT軟件模擬了分層及翻滾的演化過程，表明該演化過程包括三個階段。模擬了16×104m3、3×104m3和5×103m3三種罐容下，不同初始密度差下的LNG翻滾過程，并提出用翻滾系數(shù)來表征翻滾強度。模擬結(jié)果顯示，隨著初始密度差的增加，翻滾系數(shù)先是在小范圍內(nèi)變化，當初始密度差達到一定程度后，翻滾系數(shù)明顯增加，并據(jù)此選擇儲罐發(fā)生翻滾的臨界密度差。

4 結(jié)語

國內(nèi)外利用理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬等方法對LNG分層與翻滾現(xiàn)象的研究已經(jīng)取得了許多成果，但還有很多問題有待深入研究，如分界面運動問題及對翻滾的影響、翻滾過程各個階段的臨界點的判據(jù)、壓力與組分等因素對翻滾演化進程的影響等。這些問題的深入研究，可完善分層及翻滾的機理，提出更加準確的翻滾預測模型和有效的預測方法，為完善預防LNG分層及翻滾措施提供支撐。

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AdvancesinStratificationandTumblingPredictionofLNGStorageProcess

Wang Quanguo1,2，Bao Lei1,2，Zhang Guofei3，Li Zhaoci3，Li Aihua4

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao, 266101 2.State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals, Shandong, Qingdao, 266101 3.National Engineering Laboratory for Pipeline Safety/Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distrribution Technology, China University of Petroleum, Beijing, 102249 4.Qingdao Taineng Gas and Thermal Designing Co., Ltd.，Shandong, Qingdao, 266072)

The mechanism of LNG stratification and rollover and commonly used prediction model were reviewed, and the characteristics of each model were analyzed. In the same time, the development of experimental and numerical simulation studies on LNG stratification and rolling were reviewed in this paper.

LNG; storage; stratification; rollover

2016-09-08

王全國，高級工程師，2010年畢業(yè)于華東理工大學，現(xiàn)從事天然氣安全技術(shù)研究。

化學品安全控制國家重點實驗室開放課題項目“LNG儲罐翻滾機理及預測模型研究”，項目編號：10010104-15-zc0613-0085。