文档介绍：第三届中国 LNG 论坛论文编号:1260501
液化天然气储罐分层翻滚演化模式研究
毕明树,任婧杰*
(大连理工大学化机学院,辽宁大连 116023)
摘要:本文对侧壁受热的 LNG 储罐内部介质的翻滚演化过程进行了理论分析和模拟计算,通过对流动、传热和传质
过程的耦合求解,研究了温度和组分存在初始分层时 LNG 的分层翻滚演化过程。结果显示:随着加热的进行,分层
界面附近的剪切流发展为与各层自然对流循环方向相反的涡,这一反向涡使分层界面被破坏;下层自然对流强度逐
渐减弱,并处于不稳定状态,与此同时,上层自然对流强度不断增大,最终卷携下层形成整体的翻滚,翻滚持续一
段时间后,储罐内温度和组分达到均匀一致。
关键词:液化天然气;储罐;安全;分层翻滚;演化模式
1 引言
液化天然气(LNG)是包含多种组分的低温液体,充注不同产地的产品或长时间放置,经常导
致储罐内 LNG 发生分层。当 LNG 的分层是由轻组分含量相对较多的液体浮升形成时,经由容器壁
面传入下层较重液体的热量将在液相中储存,随着漏热量与漏热时间的增加,液层会在某一时刻发
生翻滚混合,释放大量蒸汽,使容器超压。1972 年,Sarsten[1]首次报道了发生在意大利 La Spezia
的一起 LNG 翻滚事故,在这次事故中,储罐充注后不久便发生了 LNG 翻滚,导致 LNG 蒸发量剧
增。近几年,随着 LNG 工业的发展,其应用更加广泛,事故发生的频率也随之增加[2-4],研究 LNG
的分层翻滚机理对于控制和预防 LNG 储罐的安全事故具有重大的现实意义。
LNG 内部出现分层和分层保持的原因是上层液体的密度与下层液体的密度相比较低,因此早期
的研究者大多假设 LNG 发生翻滚的条件是各层液体间密度达到一致[5,6]。然而,LNG 在储罐内发生
运动的驱动力又是密度的差异,所以在分析其分层翻滚的机理时,单独采用密度相等来判断尚有不
完善之处,应该结合液层内部与液层之间的运动,来对 LNG 的动量、热量、质量传递进行耦合求
解。SHI[7]等研究者对 LNG 的翻滚过程进行了 CFD 模拟,首次分析了分层界面的运动规律。以上这
些工作为 LNG 分层翻滚过程的研究提供了基础理论和方法,为了进一步明确翻滚发生的机理,仍
需要开展流场、温度场和组分场耦合求解和分析方面的研究,目前 CFD 技术仍是进行相关模拟计算
的有效手段。本文的目标是利用 CFD 技术对 LNG 翻滚过程中分界面的破坏,以及组分和温度差异
与流动之间的相互关系进行分析,提出对 LNG 翻滚模式的新认识。
2 理论模型
理论分析
LNG 除了主要含甲烷外,还含有乙烷、丙烷、丁烷等重烷烃和氮气,由于组分含量和温度的差
异,不同批次的产品密度往往不同。即便采用有利于储罐内剩余 LNG 与待接收 LNG 混合的充注方
案(即待接收 LNG 密度较大时上部充注,反之则下部充注),密度分层仍然是难以避免的。含轻组
分相对较多的 LNG 由于密度较小位于上层,含重组分相对较多的 LNG 位于下层。由于储罐壁面的
漏热,介质温度不断升高,但是热量在上下层液体内的分布和去向不同,对于上层液体,一方面液
体温度升高,另一方面通过液面蒸发将一部分热量传递