大型液化天然气储罐内液体内分层和翻滚影响因素分析--中国期刊网

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大型液化天然气储罐内液体内分层和翻滚影响因素分析

发表时间：2020/3/24 来源：《文化时代》2020年1期作者：张景建

[导读] 液化天然气一旦出现储存温度以及组分变化的状况就必然会引发分层、蒸发等一些问题。本文充分利用数学模型分析手段针对液化天然气分层和翻滚进行演示模拟，通过分析可以知道，液化天然气在受热后会导致其热边界层出现流动现象，由此就导致了液化天然气分层翻滚现象，而如果液化天然气储罐实际的充满率超过了70%，那么随着储罐容积的不断增加，会导致内部储存的液化天然气分层发生翻滚的时间也会延长。通过分析后对液化天然气的陆

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        摘要：液化天然气一旦出现储存温度以及组分变化的状况就必然会引发分层、蒸发等一些问题。本文充分利用数学模型分析手段针对液化天然气分层和翻滚进行演示模拟，通过分析可以知道，液化天然气在受热后会导致其热边界层出现流动现象，由此就导致了液化天然气分层翻滚现象，而如果液化天然气储罐实际的充满率超过了70%，那么随着储罐容积的不断增加，会导致内部储存的液化天然气分层发生翻滚的时间也会延长。通过分析后对液化天然气的陆地储存和运输过程中有效预防翻滚现象提供了科学的理论依据。
        关键词：液化天然气储罐；分层；翻滚；模拟


引言
        在进行天然气商业输送或者是城市燃气调峰的过程中液化天然气是非常有效的一种手段。但是在液化天然气实际的储运过程中对超低温运输条件的要求是当前所面临的主要问题之一，而在储运过程中液化天然气出现分层、翻滚或者是蒸发的问题是目前所面临的几个主要问题。并能够有效解决上述问题，在本文的研究过程中充分利用数字模拟方法对液化天然气储罐储存过程中的分散和翻滚规律进行了分析，在此基础上就能够为液化天然气的储存和运输安全性提供理论指导。
        1 液化天然气储罐分层和翻滚数学模型构建分析
        针对液化天然气构建相应的数学模型过程中，首先必须要对其液相体积力项进行处理，在此基础上就能够得出在储罐内部液化天然气在流动状态下的均化连续方程、能量方程等。针对各种方程相应的边界条件进行约束，并针对网格以及时间步长进行合理选择，针对经过划分的各个区域不同的节点位置以及所具体表示的控制容积进行进一步明确，最终通过理想化处理之后就能够针对不同的节点、控制容积、界面等几种要素进行精确计算。在此基础上可以针对超低温混合物液化天然气数学模型进行精确验证[1]。
        2 影响液化天然气分层与翻滚相关因素分析
        2.1 环境热流强度
        如果液化天然气在储存过程中储罐的侧壁或者底部受到了外界环境热量的漏入，那么根据圆柱体储罐以及内部储存液化天然气分层与侧壁以及底部漏热强度之间的关系进行分析可以知道。当液化天然气储罐底部漏热达到一定强度条件的情况下，随着漏热强度的不断增加，储罐内部储存的液化天然气分层发生翻滚的时间会相应的减小。而液化天然气分层翻滚的时间会受到侧壁漏热强度的严重影响；但是随着侧壁漏热强度的不断增加，其对液化天然气分层翻滚时间的影响会逐渐减小，而当侧壁漏热强度达到30W·m-2的时候，侧壁漏热强度进一步增加，储罐内部液化天然气分层翻滚几乎不会再受到任何影响。而如果在侧壁漏热强度处在恒定的条件下，底部漏热强度在不断增加的过程中会导致液化天然气分层翻滚时间会逐渐延长。而液化天然气分层翻滚时间在底部漏热强度相对较小的情况下变化幅度比较大；当底部漏热强度达到30W·m-2的时候，其基本不会对液化天然气分子翻滚时间产生任何影响。而如果上述两种漏热强度实际的数值相对比较小，在其不断增加的过程中会导致液化天然气分层翻滚时间也逐渐缩短；而当两者的数值到达一定界限的时候，随着强度的进一步增加，其实际对液化天然气分层翻滚时间的影响几乎可以忽略[2]。

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        2.2 分层间密度差影响分析
        假设一个储罐内部储存着高度相同的两层液化天然气流体，在储存过程中储罐底部漏热强度为0的条件下，针对液化天然气翻滚时间与分层间密度差之间的关系进行分析可以知道。在充分保持其他条件稳定的情况下，随着两层液化天然气的密度差不断增大，液化天然气发生分层翻滚实际需要的时间就会越长，也就是说，当储罐内部两层液化天然气之间实际的密度差相对比较大的情况下，发生分层翻滚的难度就相对较大；而如果两层液化天然气之间的密度差处在恒定数值下，在漏热强度不断增大的条件下，会使得液化天然气分层发生翻滚更加容易。
        2.3 分层相对位置影响
        通常情况下，储罐内部的液化天然气处于下层的液化天然气实际的密度相对比较大，但是在一些特点的情况下，密度相对比较大的液化天然气为主在上分层中。例如，在实际进行液化天然气重装的过程中，如果储罐内部残留的液化天然气密度要比新充装的液化天然气大，那么密度相对比较大的残留液化天然气就会处在上分层中。根据数值模拟分析可以知道，液化天然气分层会经历固定分界面、分层位置自发调整、移动分界面和翻滚等几个阶段[3]。
        液化天然气在固定分界面阶段会出现非常清晰的分层现象，而且分层界面也相对处于稳定状态下，但是这一阶段能够维持的时间相对较短。如果实际属于上分层的流体是密度相对比较大的液化天然气，就会导致在初期阶段的分层界面非常稳定，从而使得整个系统也能够处在稳定状态下。而如果储罐与环境之间在出现持续的热量传递状况下，处于储罐壁附近的热边界层首先会出现分层流动现象。而如果实际处于上分层的液体本身的密度相对较大，就会导致处在热边界层的液化天然气会直接进入到上分层中。而上分层的流体在热边界层上也会出现相应的流动现象，而在具体的流动过程中由于在对称方向上流体的流动会受到阻碍，于是流体就会下降储罐中心流动，并最终形成中心射流，中心射流在刺穿分界面后会最终进入到下分层中，因此在这种状况下液化天然气处在自动调整阶段会出现三种状况，而这一个位置调整的过程会持续大约40分钟左右。在完成分层自发调整之后，两层液化天然气仅仅是实现位置互换，但是仍然能够保持分层状态，而且会在很短的时间内重新恢复到平衡状态，但是两层之间的液体仍然会出现较大的密度差。如果在外部环境仍然存在漏热的情况下。两个分层都会产生相应的对流循环。导致上下两层流体会向着储罐的中心位置进行冲击，在这种情况下就会对下层密度较大的流体形成卷携作用，分层界面在这种作用下会产生倾斜状态，而且会逐渐向下移动，最终产生移动分成界面。上下两层的流体密度也会逐渐趋于相等，在中心射流的作用下会导致两层流体开始进行混合并产生剧烈翻滚现象。
        3 结束语
        通过数字模拟分析对液化天然气分层与翻滚过程进行了演变分析，而且针对液化天然气分层翻滚的各种影响因素进行了探讨，最终得出通过不断增加储罐侧壁以及底部漏热强度，就能够有效延缓储罐分层翻滚现象。
        参考文献：
        [1]董亮，孙秀丽，董盟，潘振，伍帅，顾锦彤.LNG储罐内压力及蒸发率影响因素研究进展[J].应用化工，2018，47（09）：1986-1990.
        [2]曲顺利，刘玉平，姚云，胡其会，李政龙.LNG储罐内翻滚模型及翻滚现象的数值模拟研究[J].科学技术与工程，2013，13（08）：2216-2220.
        [3]王全国，鲍磊，张国飞，李兆慈，李爱华.液化天然气储存过程分层与翻滚预测研究进展[J].安全、健康和环境，2016，16（11）：1-4.