液化天然气储存过程分层与翻滚预测研究进展*

王全国，鲍 磊，张国飞，李兆慈，李爱华

(1.中国石化安全工程研究院，山东青岛 2661012.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 2661013.中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室，北京 1022494.青岛泰能燃气热力设计有限公司，山东青岛 266072)

液化天然气储存过程分层与翻滚预测研究进展*

王全国1,2，鲍 磊1,2，张国飞3，李兆慈3，李爱华4

(1.中国石化安全工程研究院，山东青岛2661012.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛2661013.中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室，北京1022494.青岛泰能燃气热力设计有限公司，山东青岛266072)

总结了国内外液化天然气储存过程中分层与翻滚的机理及常用预测模型，分析了各模型的特点，并对LNG翻滚的实验和数值模拟研究进行了综述。

液化天然气 储存 分层 翻滚

由分层引起的翻滚是液化天然气(LNG)在储存过程中的一大安全隐患。发生翻滚是由于两分层剧烈混合，产生大量的蒸发气，使储罐内压力急剧上升，储罐超压大量气体排放，不仅存在火灾危险而且还可能造成巨大的经济损失[1-4]。在实际生产中，主要采取将不同产地的LNG分开储存，或对不同物性的LNG采取合理的充装方式，预防LNG储罐翻滚，并对氮气含量、LNG密度差和温度差采取监测等措施[2-3]。国内大型LNG储罐采用LTD监测系统显示不同高度LNG的密度差，控制临界密度差。研究表明，仅仅改变充注策略无法避免密度分层的形成，因此研究LNG储罐出现分层后的翻滚现象非常必要。

1 分层与翻滚的理论模型

早在20世纪50年代，由于航空航天事业发展的需要，很多学者对液氢、液氧和液氮等低温液体的储存进行研究[1-4]，为研究LNG分层翻滚现象提供了经验。Chatterjee等[5]将Turner通过温-盐双扩散对流实验确定的不同密度层液体间的传热传质系数运用到LNG分层与翻滚的预测中，提出了第一个预测翻滚的C-G模型。

该模型认为储罐内已经存在若干个稳定的分层，并且假设储罐从周壁和底部受热。将LNG看成由CH4和非挥发性重烃组成，并对各分层间的传热、传质做出了如下假设：①各层存在显著的密度差异和明显的分界面；②LNG的密度是温度和甲烷摩尔分数的函数；③层间传质为等摩尔逆向扩散；④储罐周壁和底壁的传热系数不同。

以后的模型都是在此基础上发展而来，通过进一步研究提出了改进模型[6]。改进的模型将LNG和蒸发气都看成CH4、C2H6和N2的混合物，分层高度也不再是常数而是随时间变化。

C-G模型用于描述LNG翻滚过程中液层间的热质传递存在一定的局限性，为此，Heestand等[7]通过修订格拉晓夫数来反映分界面的传热传质关系，提出了HSM模型。该模型将LNG看成由CH4、C2H6、C3H8、n-C4H10和N2五种组分组成的混合物，且没有采用Turner模型的表达式来描述分界面的传热传质系数，而是通过修正格拉晓夫数来表征热质交互关系。基于这一改进，HSM模型的预测结果比C-G模型更符合实际情况。

Bates和Morrsion等[8]对相关实验研究进行了总结，提出了B-M模型，将LNG翻滚的整个过程分为三个阶段，即固定分界面阶段、卷携作用为主的移动分界面阶段和翻滚阶段，考虑了分层界面的下降运动，将固定分界面模型推广到移动分界面模型。

在B-M模型中，LNG由CH4、C2H6、C3H8、C4H10和N2组成，固定分界面阶段到移动分界面阶段的转换点通过临界稳定数来确定，临界稳定数的取值是影响模型准确性的重要因素。临界稳定数R可以由经验关系式(1)确定：

(1)

式中：S——组分的物质的量浓度，mol/kg；

T——温度，℃；

α和β分别代表由组分变化和温度变化引起的密度变化率，可由以下公式确定：

(2)

(3)

式中：ρ——密度，kg/m3。

覃朝辉等[9]在研究LNG翻滚时发现，B-M模型没有考虑蒸发率对密度差的影响，也不能解释分界面加速下降的事实。针对上述缺陷，覃朝辉等将移动分界面阶段划分为上层卷携阶段和上层中心射流穿透阶段，提出了四阶段模型。四阶段模型很好地解释了移动分界面阶段的分界面加速下降和下层温度下降的现象。计算结果也表明四阶段模型在初始密度差较小时更加符合实际情况。王萍等[10]认为储罐内分层发生后，翻滚过程可以分为界面扰动、扰动发展、剧烈翻滚增压和平稳恢复四个阶段，并建立了数学模型。

宋旦鹏等[11]认为大型LNG储罐充注分层是导致翻滚的直接原因，上、下层间存在中间过渡层，应用大空间自然对流换热关联式，通过分界面的热量和质量提出一种计算方法。

C-G模型及其改进模型、HSM模型是建立在分界面静止的假设之上，将LNG翻滚演化过程分为固定界面和翻滚两个阶段，属于二阶段模型，这与LNG的实际分层和翻滚过程并不完全吻合。尤其C-G模型将LNG假设为甲烷和其他物质组成的二元体系以简化推导过程，与真实情况相差较大。HSM模型考虑LNG为CH4、C2H6、C3H8、C4H4和N2的混合物，但该模型仍是二阶段模型，也不完全符合实际情况。B-M模型将LNG翻滚的过程分为三个阶段，将固定分界面模型推广到移动分界面模型。四阶段模型考虑蒸发率的影响，较好地解决了分界面加速下降和下层温度下降的问题，成为研究翻滚现象的常用模型。

2 分层与翻滚的实验及数值模拟研究

在LNG分层和翻滚理论研究模型中，二阶段模型的理论基础是双扩散原理和粘性流体的层流方程，虽然HSM模型考虑了紊流态，但因其为二阶段模型，不完全符合实际情况。三阶段模型和四阶段模型的理论基础是热量和质量平衡，没有考虑流体的流动状态，难以对层间的混合情况有深入了解。实验研究则可以更加直观地展现分层和翻滚的整个过程。

Sugawara等[12]将不同产地的LNG充入直径为500 mm的储罐中，进行了翻滚实验研究。结果表明，上层和下层LNG温度和组分都随着各自层的对流运动而发生变化，两层液体完全混合之前，分层界面快速降低。

Muro等[13]利用甲烷、乙烷和丙烷等制成分层液体，在直径为580 mm，高为1 m的不锈钢真空储罐中进行了实验，得到了蒸发速率与流体过热之间的关系。

Nakano等[14]利用F11和F113为实验介质，在长方形储罐中研究了分层液体的混合情况。试验结果显示，加热方式会影响两层液体的混合过程，当储罐只有底部受热时，分层界面基本不变，最后分层界面被液体波破坏，两液体层混合。当周壁加热时，分层界面逐渐下降，且比底部受热混合得快。当储罐底部和周壁同时受热时，会发生上述两种过程的叠加。

法国燃气公司在1987年至1990年间用废弃的LNG储罐做了大量的分层翻滚实验，通过实验证实了Morrison提出的分层初始阶段分界面基本静止，接近翻滚时分界面迅速下降的结论[15]。由于采用了真实的LNG储罐进行实验，实验可信度较高，此后的研究都采用了该实验数据。

Shi等[16]进行了二维矩形槽内的流动可视和跟踪实验。研究发现翻滚前分界面的下移以及底部和侧壁热流密度之比越大，翻滚的混合强度越大，并建立了用于描述矩形储槽内自然对流问题的二维计算流体力学模型。模型忽略了LNG的相变，假设气液界面近似于等温边界条件，并引入涡量和流函数代替动量方程来求解速度场，消去了N-S中的压力相，规避了压力速度的耦合问题。利用涡量流函数求解LNG翻滚问题成为求解LNG翻滚的又一类典型方法。

3 分层与翻滚数值模拟研究

随着计算软件的广泛应用，数值模拟方法已应用于LNG分层及翻滚过程的研究。数值模拟过程中可以通过改变边界条件来模拟不同工况下的翻滚情况，借助FLUENT等软件对LNG分层及翻滚进行了模拟研究，取得了一系列成果。

Yacine Zellouf等[17]研究了海上LNG储存时液体运动对LNG分层及翻滚的影响。液体运动改变了LNG分层的混合机制，使混合不再受分子扩散主导，层内流体流动导致的动态效应成为影响各分层混合的关键因素。与陆上储存相比，在晃动情况下LNG各层混合的时间明显缩短，混合过程中产生的蒸发气的量取决于混合时各层所具有的能量。

乔国发[18]建立了紊流态LNG分层与翻滚演变的数学模型，并借助FLUENT软件对分层与翻滚情况进行了数值模拟研究。认为分层的存在和储罐内热边界层的流动是LNG产生翻滚的直接原因。破坏分层导致翻滚的主要因素有中心射流的冲击和卷携作用，其中心射流的冲击起主导作用。

程旭东等[19]根据双扩散和粘性流体方程建立了数学模型，模拟了LNG分层和翻滚的过程。模拟结果显示，储罐内LNG受热后的热边界层的流动是产生翻滚的直接原因。当漏热强度超过30 W/m2时，改变漏热强度对产生翻滚的时间影响不大，上层的密度较大时产生翻滚所需的时间较长。

顾妍[20]进行了海上浮动平台低温液体动态储存的数值模拟和实验研究。用液氮为介质测量了低温储罐在各种摇摆角度和摇摆频率下24 h的蒸发率。发现在较小的摇摆角度时，随着摇摆频率增大，液氮日蒸发率逐渐增大，当摇摆频率大于8 rmp时，摇摆频率已经不再明显影响储罐的日蒸发率；在摇摆角度较大时，增大储罐摇摆频率液氮日蒸发率略有上升，但是影响不明显。

李玉星等[21-22]建立LNG翻滚的物理和数学模型，利用FLUENT软件模拟了分层及翻滚的演化过程，表明该演化过程包括三个阶段。模拟了16×104m3、3×104m3和5×103m3三种罐容下，不同初始密度差下的LNG翻滚过程，并提出用翻滚系数来表征翻滚强度。模拟结果显示，随着初始密度差的增加，翻滚系数先是在小范围内变化，当初始密度差达到一定程度后，翻滚系数明显增加，并据此选择储罐发生翻滚的临界密度差。

4 结语

国内外利用理论分析、实验研究和数值模拟等方法对LNG分层与翻滚现象的研究已经取得了许多成果，但还有很多问题有待深入研究，如分界面运动问题及对翻滚的影响、翻滚过程各个阶段的临界点的判据、压力与组分等因素对翻滚演化进程的影响等。这些问题的深入研究，可完善分层及翻滚的机理，提出更加准确的翻滚预测模型和有效的预测方法，为完善预防LNG分层及翻滚措施提供支撑。

[1] 金春旭，潘振，陈保东,等.液化天然气储罐翻滚事故分析[J].当代化工，2014，43(10)：2065-2067.

[2] 张成伟，吕国锋，庄芳.LNG储罐中液化气翻滚原因及预防[J].石油工程建设，2011，37(6)：66-68.

[3] 王良军，刘扬.大型储罐内LNG翻滚机理和预防措施[J].天然气工业，2008，28(5)：97-99.

[4] 王鹏，王全国，党文义,等.大型LNG储罐翻滚事故放空气扩散后果模拟[J].中国安全生产科学技术，2014，10(11):174-179.

[5] Chatterjee N，Geist J M．The effect of stratification on boil-off rate in LNG tanks[J]．Pipeline Gas Journal，1972，199(11)：40-25．

[6] Chatterjee N，Geist J M．Spontaneous stratification in LNG tanks containing nitrogen[C]．ASME Winter Annual Meeting，1976:76．

[7] Heestand J，Shipman C W，Meader J W．A predictive model for rollover in stratified LNG tanks[J]．AICHE Journal，1983，29(2)：199-207．

[8] Bates S，Morrision D S．Modelling the behavior of stratified liquid natural gas in storage tanks：a study of the rollover phenomenon[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，1997，40(8)：1875-1884．

[9] 覃朝辉，顾安忠．液化天然气漩涡的模型研究[J]．上海交通大学学报，1999，33(8)：954-958．

[10] 王萍，彭文山，曹学文,等.大型LNG 储罐储液翻滚特性的多阶段研究[J].石油工程建设，2016，42 (1)：14-20.

[11] 宋旦鹏,杜书成，李兆慈，等.大型LNG 储罐翻滚现象的预测模型研究[J].华电技术，2014，36(4)：22-25.

[12] Sugawara Y，Kubota A，Muraki S．rollover test in LNG tank and simulation model[J]．Advance in Cryogenic Engineering，1984(29)：805-811．

[13] Muro M，Yoshiwa M，Yasuda Y．Experimental and analytical study of the rollover phenomenon using LNG[C]．Proceeding of the International Cryogenic Engineering Conference，Tokyo，Japanese，1986．

[14] Nakand,Sugawara，Yamagata．An experimental study on the mixing of stratified liquefied freon[C]．Proceedings of Gastech Conference，Tokyo，Japanese，1982．

[15] Marcel．Measurement of the velocity of natural convection movements in an LNG storage tank[C]．Proceedings of Gas technology Conference，Amsterdam，1990：305-312．

[16] Shi J Q，Beduz C，Scurlock R G．Numerical modeling and flow visualization of mixing of stratified layers and rollover in LNG[J]．Cryogenics，1993，3(12)：1116-1124．

[17] YacineZellouf，Benoit Portannier．First step in optimizing LNG storages for offshore terminals[J]．Experimental Thermal and Fluid Science，2011，3(5)：582-590．

[18] 乔国发．影响LNG储存容器蒸发率因素的研究[D]．北京：中国石油大学，2007．

[19] 程旭东，徐剑，乔国发．大型液化天然气储罐内液体内分层和翻滚影响因素分析[J]．化工学报，2009，60(12)：2990-2996．

[20] 顾妍．海上浮动平台低温液体动态储运的数值模拟与实验研究[D]．上海:上海交通大学，2012．

[21] Yuxing Li，Zhenglong Li，Wuchang Wang. Simulating on rollover phenomenon in LNG storage tanks and determination of the rollover threshold[J]．Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2015(37)：132-142．

[22] 曲顺利，李玉星，李政龙，等.大型LNG 储罐翻滚的影响因素[J].油气储运,2015，34(3)：258-261.

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

王全国，高级工程师，2010年毕业于华东理工大学，现从事天然气安全技术研究。

化学品安全控制国家重点实验室开放课题项目“LNG储罐翻滚机理及预测模型研究”，项目编号：10010104-15-zc0613-0085。