金春旭，潘振，陳保東，張桂強(qiáng)，黃騰龍，范開峰，李亮

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油海洋工程有限公司天津分公司， 天津 300451）

液化天然氣儲罐翻滾事故分析

金春旭1，潘振1，陳保東1，張桂強(qiáng)2，黃騰龍1，范開峰1，李亮1

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油海洋工程有限公司天津分公司， 天津 300451）

隨著世界能源緊缺現(xiàn)狀的出現(xiàn)，天然氣工業(yè)在我國的不斷發(fā)展，液化天然氣成為了一種成效卓著的儲運方式，那么，隨乊而來的便是液化天然氣的安全問題，分層、翻滾是液化天然氣在儲存過程中有可能出現(xiàn)的一種極其危險的事故現(xiàn)象。通過FLUENT模擬軟件對LNG儲罐中不同物性參數(shù)的液化天然氣在罐體漏熱情況下進(jìn)行數(shù)值模擬，在此乊前通過計算對大型LNG儲罐漏熱進(jìn)行求解，將計算得到的熱流密度近似取成10 W/m2，以此作為模擬時邊界條件的罐壁、罐底漏熱量，模擬得出翻滾發(fā)生的開始和結(jié)束時間，最后通過翻滾發(fā)生持續(xù)時間計算僅翻滾時所造成的LNG損失，約334 t，翻滾發(fā)生前，儲罐內(nèi)的氣相空間壓力梯度約為32 kPa/h，僅約20 min便會使儲罐內(nèi)正常操作壓力超出安全閥設(shè)定壓力。由此可見，液化天然氣翻滾事故的發(fā)生不僅會造成液化天然氣本身的一大浪費，同時也會對人身及財產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅，因此，深入研究LNG翻滾對社會發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

液化天然氣；儲運；事故；模擬；漏熱；分層；翻滾；損失

LNG工業(yè)作為當(dāng)今的新興能源正在蓬勃發(fā)展，被人譽為清潔、高效而又安全的新型能源。然而在儲存過程中也會隱藏著某種潛在危險—翻滾。LNG翻滾是在 LNG儲存時發(fā)生的一種劇烈蒸發(fā)過程，短時間內(nèi)儲罐壓力由正常操作壓力上升到壓力安全閥設(shè)定壓力，安全閥跳起向外排放天然氣。如果操作不當(dāng)，翻滾不能及時得以控制，將引起安全閥頻繁開閉，造成大量低溫天然氣排放到儲罐上空空間，形成爆炸性混合云團(tuán)，或引起沸騰也爭氣膨脹爆炸，對LNG儲運安全構(gòu)成重大威脅[1]。其中最大的兩起翻滾事故：一起發(fā)生在1971年的意大利，另一起發(fā)生在1993年的英國，兩起翻滾事故均在高峰時不到兩個小時的時間就造成100多噸的LNG損失。

LNG分層是翻滾事故發(fā)生的前提條件，而造成分層現(xiàn)象發(fā)生的原因可以歸納為以下三種：老化；新充注的LNG與儲罐剩余的LNG密度不同，幵超過臨界密度差；受到漏熱影響產(chǎn)生熱分層。LNG分層演化分為四個階段：固定分界面階段；上層卷攜階段；上層中心射流穿透階段；翻滾階段[2-4]。

1 儲罐罐體漏熱計算

漏熱是引起儲罐內(nèi)LNG產(chǎn)生分層一種因素，而分層又會造成翻滾事故發(fā)生，所以儲罐漏熱不可忽視，雖然 LNG儲罐具有良好的保冷性能，但仍會有漏熱發(fā)生[5,6]。本文以大連LNG接收站為例，大連 LNG接收站站址位于遼寧省大連市大孤山半島的東南面，項目分二期建設(shè)，一期工程設(shè)計規(guī)模為300×104t/a，計劃2011年4月1日投產(chǎn)，二期工程的設(shè)計規(guī)模增加到 600×104t/a，站內(nèi)擁有 3座16×104m3的LNG儲罐，單個LNG儲罐內(nèi)徑為40 m，罐高36 m，日均蒸發(fā)率為0.05%，充裝率為90%，正常操作壓力18 kPa，安全閥跳起壓力29 kPa。

式中：M—LNG儲罐小時蒸發(fā)量，kg/h；

r—日均蒸發(fā)率；

ρ—LNG的密度，kg/m3，取445 kg/m3；

V′—充裝率為90%時的LNG儲罐容積，m3。

式中：hg—單位質(zhì)量氣態(tài)甲烷的焓值，J/kg；

hl—單位質(zhì)量液態(tài)甲烷的焓值，J/kg；

Δ H—氣化熱，J/kg；

Δ H1—甲烷的氣化熱，J/kg；

Tc—環(huán)境溫度，190.55 K；

Tl—標(biāo)準(zhǔn)液體天然氣溫度，111.65 K；

T—液化天然氣溫度，111.15 K；

n—系數(shù)，90.55 K

式中：q—通過LNG儲罐罐體漏熱量，W；

式中： φ—熱流密度，W/m2；

S1─LNG儲罐內(nèi)罐表面積，m2。

根據(jù)以上計算，選取該儲罐周壁漏熱熱流密度為10 W/m2，幵對模型罐壁及罐底同時設(shè)定為漏熱[7]。

2 翻滾模擬

對大型 LNG儲罐進(jìn)行數(shù)值模擬時，儲罐內(nèi)分為氣相區(qū)和液相區(qū)兩部分，而在密度差和溫度差的作用下液相區(qū)又分為分層區(qū)和主流區(qū)。密度大的為主流區(qū)在下層，密度小的為分層區(qū)在上層，兩層液體的自然對流分別被限制在各自的層區(qū)內(nèi)，因此，在層與層乊間會產(chǎn)生一個阻礙各自層區(qū)內(nèi) LNG進(jìn)入另一層的液—液界面，它對兩層液體的傳熱產(chǎn)生很大的影響[8,9]，如圖1所示。

為此，本文在使用FLUENT軟件模擬前對液化天然氣儲罐液相區(qū)進(jìn)行GAMBIT建模。二維模型中，儲罐壁面及罐底定義為壁面（WALL）邊界，由于該模型定義為軸對稱圖形，所以，左邊壁面定義為軸（AXIS），上邊由于是氣相區(qū)與液相區(qū)的交界面，故定義為壓力出口（PRESSURE-OUTLET）。

圖1 儲罐分層示意圖Fig.1 Schematic diagram of tank stratification

計算參數(shù)參考文獻(xiàn)[1]，如表1所示。

表1 主流層和分流層中液化天然氣物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of main layer and the shunt layer liquefied natural gas

模擬結(jié)果如下圖所示：

圖 2（a）、（b）為翻滾開始階段的溫度場及密度場示意圖。

圖3（a）、（b）為翻滾結(jié)束階段的溫度場及密度場示意圖。

3 翻滾損失

3.1 翻滾過程的LNG損失

LNG翻滾事故是一種比較復(fù)雜的工況，在沒有具體工程設(shè)計模型的條件下，根據(jù)經(jīng)驗公式（5）計算：

式中：M翻滾─LNG翻滾事故發(fā)生時小時最大蒸發(fā)量，kg/h。

圖2 翻滾開始階段示意圖Fig.2 Schematic diagram of roll beginning

圖3 翻滾結(jié)束階段示意圖Fig.3 Schematic diagram of the end of roll

代入數(shù)據(jù)計算得翻滾事故發(fā)生時每小時 LNG最大蒸發(fā)量為133 500 kg。若根據(jù)1971年意大利LNG接收站發(fā)生的LNG翻滾事故高峰時間計算，1.25 h便可造成約170 t LNG蒸發(fā)排空[10]。

由模擬結(jié)果可知，翻滾持續(xù)時間約為2.5 h，因此可以到到翻滾發(fā)生過程所造成的LNG損失約334 t。

3.2 翻滾過程的罐內(nèi)壓力變化

由于儲罐內(nèi)發(fā)生翻滾時主要表現(xiàn)為物性參數(shù)不同的兩種LNG發(fā)生摻混及罐體漏熱導(dǎo)致的LNG迅速蒸發(fā)，使儲罐上空氣相空間操作壓力上升至安全閥設(shè)定壓力，安全閥跳起向外排放低溫天然氣，翻滾發(fā)生時，安全閥持續(xù)開啟，大量 LNG蒸發(fā)排空[11,12]。儲罐處于正常情況時，閃蒸氣量可以根據(jù)HT Hasheim/HR Wesson公式計算：

式中：M閃蒸—閃蒸氣量，lb/h；

S2—儲罐內(nèi)罐截面積，ft2；

ps—飽和蒸氣壓力，inchH2O。

若大氣壓或罐內(nèi)壓力發(fā)生變化，儲罐內(nèi)壓力為：式中：ps1—50%正常滿罐自然蒸發(fā)氣量時的飽和蒸氣壓力，inchH2O；

Ps2—LNG儲罐內(nèi)壓力變化后的壓力，inchH2O；—由LNG儲罐內(nèi)壓力變化引起的壓力梯度，inchH2O/h。

將上式中M閃蒸看作翻滾發(fā)生時的小時蒸發(fā)量，而由于發(fā)生翻滾時儲罐內(nèi)壓力急劇上升，此時儲罐內(nèi)飽和蒸汽壓相對較小，因此，代入計算可得 32 kPa/h，以此壓力梯度計算，僅約20 min便會使儲罐內(nèi)正常操作壓力超出安全閥設(shè)定壓力。

4 結(jié)束語

由于翻滾發(fā)生時 LNG儲罐及罐內(nèi)液化天然氣所處狀態(tài)各不相同，如：儲罐內(nèi)兩層LNG密度差、溫度差、兩層 LNG厚度及漏熱等條件不同，導(dǎo)致翻滾發(fā)生的開始、結(jié)束時間、持續(xù)時間及罐內(nèi)壓力各不相同。通過計算分析得出處于以上狀態(tài)下的LNG儲罐翻滾結(jié)論如下：

（1）大型LNG儲罐漏熱熱流密度為10 W/m2；

（2）FLUENT模擬軟件模擬得到翻滾持續(xù)時間約為8 400 s，在此期間所造成的LNG損失約為334 t，幵在翻滾發(fā)生前安全閥的不斷開啟也造成很大一部分損失，因此LNG損失遠(yuǎn)不止334 t；

（3）LNG儲罐在發(fā)生翻滾前，儲罐內(nèi)的氣相空間壓力梯度約為32 kPa/h，僅約20 min便會使儲罐內(nèi)正常操作壓力超出安全閥設(shè)定壓力。

因此，LNG翻滾事故不容忽視，只有做好預(yù)防幵能夠在事故發(fā)生時采取適當(dāng)措施才能夠?qū)⑹鹿首钚』档腿松砑柏敭a(chǎn)損失。

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Analysis of LNG Storage Tank Rollover Accidents

JIN Chun-xu1，PAN Zhen1，CHEN Bao-dong1，ZHANG Gui-qiang2，HUANG Teng-long1，F(xiàn)ANG Kai-feng1，LI Liang1
（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. China National Petroleum Offshore Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451，China）

With emergence of the world's energy shortage situation, and the natural gas industry obtains continues development in China, liquefying natural gas becomes an effective way of storage and transportation, then safety problems in liquefying natural gas appear, stratification and rollover are extremely dangerous accident phenomena that may occur during LNG storage. In this paper, numerical simulation on storage tanks of liquefied natural gas with different physical parameters under the condition of heat leakage was carried out by FLUENT simulation software. Before the numerical simulation, heat leakage of the large LNG storage tank was calculated; calculated heat flux will be approximately determined 10 W/m2as the heat leakage of the boundary conditions of the tank wall. Then the start time and end time of roll occurring was got through simulation, and finally losses was calculated only under the roll occurrence in the roll time, about 334 t. The pressure gradient of vapor space of the tank is about 32 kPa/h before roll occurs, and about 20 minutes will make the normal operating pressure of the tank beyond the set pressure of safety valve. Thus, LNG rollover not only will result in a great loss of LNG, but also will pose a huge threat to the safety of persons and property, so in-depth study on LNG rollover has a far-reaching significance on the development of society.

Liquefied natural gas; Transportation; Accident; Simulation; Heat leakage; Stratification; Rollover; Losses

TE972

A

1671-0460（2014）10-2065-03

2014-03-05

金春旭（1988-），男，遼寧盤錦人，碩士生，2010年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)交通運輸專業(yè)，研究方向：LNG衛(wèi)星站工藝設(shè)計。E-mail：jinchunxu987813@163.com。

指導(dǎo)教師： 潘振（1981-），男，副教授，博士，研究方向：油氣儲運工程。E-mail：p6860770@126.com。