大型LNG储罐分层和翻滚的模拟研究

摘要

液化天然气（Liquid Natural Gas）简称LNG，是把天然气通过吸附分离等方式去除了水、二氧化碳及重烃后，在-162℃低温下常压液化形成的，储存在低温储罐中。对于液化天然气来说，体积为其气态同物质的量的1/600；密度为标准状态的600倍；与同体积水相比，重量仅为45%。现在LNG在城市储气调峰中占比增加，在生产生活中的作用也越来越重要，LNG的储存和运输技术也在快速发展中，LNG的相关技术也在天然气工业中占据更加重要的地位。 大型LNG储罐具有储存效率高，对资源（土地，人员）的综合利用率高，建设成本比同等体积的小储罐低等优势，是用来储备天然气的优先选择，可用于城市储气调峰、LNG的接收终端以及LNG液化工厂中。但储罐中的分层翻滚现象会导致火灾、爆炸等事故发生，因此研究储罐中LNG液体分层翻滚的过程及影响因素具有重要的理论意义，研究成果在实际工程中有较高的应用价值。 文中对LNG分层引起的翻滚现象进行研究，选取储罐中相同高度相邻的LNG二分层和三分层作为翻滚的物理模型。并根据流体力学和传热学知识建立了数学模型，利用CFD软件对储罐中LNG的翻滚过程进行模拟，分析二分层和三分层状态下LNG翻滚过程中密度场和速度场的变化。根据结果将翻滚过程分为罐壁开始发生翻滚、翻滚从壁面向中心传递、新的分层形成三个阶段。 通过模拟不同时刻下不同初始密度差的速度场，得出初始密度差变化对翻滚的影响，可以将其影响分为两区间：在初试密度差较小时，两层间翻滚开始的比较晚，翻滚的过程缓慢而持久；在初始密度差较大时，层间翻滚开始的时间较早，而且极为迅速地完成混合，翻滚过程很剧烈。在同样的储罐直径和容积下，两相邻分层间的液体密度差越大翻滚出现的越早，且翻滚进行的快速而剧烈，对储罐的威胁越大。 对可能影响翻滚发生的各项分层特性逐一进行分析并得出结论。分层数越多，翻滚的程度越剧烈，翻滚时间越长。在相同密度差条件下，分层高度增大，LNG液体各分层与储罐的内壁间的接触面积增加，所以粘滞力增大，相邻层间的分界面更为稳定，翻滚不易发生，所以储罐处于较为安全的环境中。并且得到在直径为80m的16万m3的LNG储罐中，LNG分层高度为1m、2m、3m时，安全存储的临界密度差分别为3kg/m3、4kg/m3、5kg/m3。 通过数值模拟，得出分层特性影响翻滚发生的规律，最后提出消除分层的方法和预防翻滚的措施，对进一步研究LNG储运问题提供参考。

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