含氮1％的液化天然气低温分层贮存研究.pdf

第 2 3卷第 1期 2 0 1 5年 3月 北京 石 油化工 学 院学报 J o u r n a l o f Be i j i n g I n s t i t u t e o f Pe t r o c he mi c a l Te c hn ol o g y Vo 1 ． 23 NO． 1 M a r ． 2 01 5 含氮 1 ％的液化天然气低温分层贮存研究 韩一飞 iN安航空学院 ， 陕西 西安 7 1 0 0 7 7 摘要 针对 含氮 1 液化 天然气 储罐内分层现象 ， 通过建立模型并求解 N - S方程获 得距液 面不 同高 度下温度计算表达式 。结合给定储罐及 所处环境参数 ， 计算 随时 间变 化储 罐 内温 度分布并 绘制 温度变 化曲线 ， 该表达式所 得理 论数 据与 已有实验数据 比较 符合 ， 与液氢热分层数值模拟结果 温度分 布趋势 比 较一致 ， 进而 为 L NG 储罐 内分层发生 翻滚 的极限即判据的进一步研究提供理论 支持 。 关键词 分层 ；温度分布 ；液化天然气 ；液氢 中图分类号 TB 6 5 8 文献标 志码 A L NG会因为组分 和温度 的不 同引起 密度 的差异造成液货舱 内的分层现象[ 1 ] 。漏热的 影 响下 ， 上层 密 度 较 小 的 L NG 和 下 层 密 度 较 大 的 L NG会 形 成 独立 的对 流 运 动 。上 下 两 部 分 L N G 的温升速率会有所不同 ， 下层 L NG在 上层液体的重力作用下不可能蒸发至过饱和状 态 。在特定 的条件上下层间的液一液界面会因 漏热引起热对流而被打破， 进一步导致“ 翻滚” 现象口 - 6 ] ， 甚至会对储罐 的安全造成威胁 ， 并 且 安全 阀被 迫打 开 ， 造 成 L NG放 空 ， 不经 济 。 国内外对液化天然气的分层与翻滚现象都 进 行 了大 量 实 验 与 理 论研 究 Ⅲ 7 ] 。笔 者 针 对 低 温液体分层现象 ， 以含氮 1 ％的甲烷为例， 建立 几何模型、 数学模 型 ， 简化并通过求 解 N S方 程得到液相区储罐内温度分布的表达式。结合 液化天然气储罐 的具体尺寸参数和环境参数 ， 计算储罐内不 同高度随时间变化温度值 ， 该理 论数据与液氢低温分层数值模拟和已知实验数 据一 致 ， 为 L NG 储 罐 内分 层 发 生 翻滚 的极 限 即判据的进一步研究提供理论支持。 1 构 建模 型 1 ． 1 原始 数据 L NG容器 圆柱形竖放 ， 内径 为 1 0 m， 高 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 3 0 作者简介 韩一飞 1 9 8 6 一 ， 硕士 ， 研究方 向为油气 储运及 压 缩机设计优化 ， E ma i l 3 9 6 7 0 3 9 8 4 q q ． c o rn。 为 1 2 m。材 料 不 锈 钢 ， 外 表 珠 光 砂 绝 热 2 0 mm厚 。常压 ， 气体纯度 含氮 1 的 CH 。 1 ． 2理论 基础 建 立 分 层 几 何 模 型 。 。分 层 模 型 示 意 图如 图 1 所 示 。 D P． 7 图 1 液化气分层模 型示意图 1 ． 2 ． 1 分层 模型 本模 型 中 ， 假 设 靠 近 储 罐壁 面 的 液体 首先 受热 自然对流上升， 在液体上部形成 温度分层 区 。分层区内的温度呈上高下低 ， 是储 罐高度 的幂次 函数 。由于热量 随液体 的流动不 断传 人 ， 因此分 层 区不 断 加 厚 。为 了求 解分 层 区 的 形成 过程 ， 首 先 需 要 知 道 自然对 流 的发 展 。 自 然对 流边 界层 的动量 与能 量方 程为 动量 方程 [ 。 R “ 。 d ]一 6 北 京石 油化 工学 院学报 2 0 1 5年第 2 3卷 l0 g l 尺一y O d y r 1 能量 方程 [ j 。 R “ d ] 一 R q ” 2 将式 1 和式 2 的边界层 温度 和速 度无 量 纲 化 ， 同 时假 设边 界层 厚度 和特 征 速度 的分 布 为 一a 1 z l ， Ua 2 z 。求 解 得 到 a 1 、 口 2 、 m1 和 ， 可 以得 出液 体分 层 区厚 度 随 时 间 的变 化 规律 。同时， 分层 区的温度分布符合幂次分布 E z 一mZ 、 n为常数 ，z为分层 区底部 以 上的高度 。利用该式可 以求出温度分布式为 一 ㈣ 式中， A为受热 面积 ； 为分层 区总高度 ； Z为 距离分层区内底部 的高度； T为加热时间。可 以计算得到储罐内相应的压力 。 1 ． 2 ． 2 含 氮 1 L NG 储 罐 周 壁在 环 境 漏 热 情 况下 的热 流密 度 取环境温度为 2 O℃， 即为 2 9 3 ． 5 K， 空气 的对流换热系数为 h 。 一7 ． 6 w／ m。 K， 珠光砂 的导热系数为 初。在 0 ． 1 MP a时， 纯 甲烷 的 饱 和温 度 t l l 0 ． 1 3 K。在 0 ． 6 MP a时 ， 含 氮 1 甲烷的饱和温度 ￡ 一1 3 7 ． 7 7 K。在这～分层 模型中， 因为储罐内的对流换热系数较大， 所 以 忽略其对流换热热阻 ， 与此同时忽略不锈钢壁 的导热 热阻 。 管 壁绝热 层热 阻 一 l n --0 ． 4 0 0 8 m2K／ W 所 以传热 系数 k一 干 丽一 1 ． 8 7 8 4 W／ m K 所 以传 热量 一 一 q k Ao 2 9 3 ． 5 1 1 0 ． 1 3 q 一 一一 一 3 4 5 ． 8 2 w ／ mz lU 式 中 ， A。 为 圆柱 体 外 径 下 的 周 壁 面 积 ； A 为 内 径下 的周 壁 面积 。 2 温度分布计算及分析 对含氮 1 甲烷储罐 内的温度分布的计算 基于式 3 ， 在开始时刻 ， 即在 0 ． 1 MP a时 ， 整 个储 罐 处 于 平 衡 均 相 状 态 ， 全 场 温 度 都 对 应 0 ． 1 MP a对应 的饱 和 温度 。这 一模 型 中 ， 储 罐 壁 面在 漏 热 的情 况 下形 成 分 层 ， 随 着储 罐 内 液 气分界面处液体 的蒸发， 其上部气腔的压力会 一 直 增大 ， 直 到 增 大 至 0 ． 6 MP a 。 由于 是 非 定 常过 程 ， 即在这 一 时间段 内， 气 腔 内的 压力值 是 一 直在 变化 的 ， 为 了 简化 模 型 ， 假 设 在 一 瞬 间 ， 气 腔 内的压 力 达 到 0 ． 6 MP a 。这 样 ， 一 瞬 间 储 罐 内 的 气 液 分 界 面 处 的 温 度 瞬 间 达 到 1 3 7 ． 7 7 K， 即 0 ． 6 MP a对 应 的 饱 和 温 度 。此 后 ， 热量不断向液相区底部渗入 ， 随着时间的延 续 ， 直 到最 终 整 个 储 罐 内达 到 新 的平 衡 状 态 。 在 计算 过程 中 ， 由于温 度是 变化 的 ， 所 以其物 性 参 数也 是一 直在 变 化 的 。所 以在 式 3 的应 用 过程 中 ， 通 过 软 件 可 以 获 得 含 氮 1 天 然 气 混 合物在任意温度 、 0 ． 6 MP a定压下的 C 值 ， 可 以求出储罐 不 同高度 ， 经 过不 同时 间后 温度 大小 。 2 ． 1 各 高度 下随 时间变化 温 度的增 加值 甲烷 在不 同高度 下经 历不 同时 间长短 后 的 温度 增加 值如 表 1 、 图 2所示 。 表 1 含氮 1 ％甲烷经过不 同时间后 的温度增加值 单位／ K 高度t ／ s ／ n l 0 5 0 0 0 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 6 O 0 0 0 8 0 0 0 0 1 3 9 9 4 4 21 8 6 6 2 3 8 8 7 3 3 8 7 4 6 4 9 3 4 9 8 59 6 ⋯ 1 0 ． 8 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ．6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ．6 4 2 7 ． 6 4 9 0 0 ． 9 7 1 ． 9 7 2 ． 9 7 3 ． 9 7 7 ． 8 7 1 1 ． 7 9 1 5 ．7 7 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 7 ． 2 0 0 ． 6 7 1 ． 2 7 1 ． 8 7 2 ． 4 7 5 ． 0 7 7 ． 5 7 1 0 ． 07 1 7 ． 6 7 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 5 ． 4 0 0 ． 3 7 0 ． 6 7 1 ． O 7 1 ． 3 7 2 ． 8 7 4 ． 2 7 5 ． 6 7 9 ． 8 7 1 5 ．5 7 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 3 ． 6 0 0 ．1 7 0 ． 2 7 O ． 4 7 0 ． 6 7 1 ． 2 7 1 ． 8 7 2 ． 4 7 4 ． 3 7 6 ． 8 7 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 1 ． 8 0 0 ． 0 7 0 ． 0 7 0 ． 0 7 0 ． 1 7 0 ． 2 7 0 ． 4 7 0． 6 7 1 ． 0 7 1 ． 6 7 3 ． 07 6 ． 8 7 2 7 ． 6 4 2 7 ． 6 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 7 ． 6 4 由图 2可以看出， 随着时间的变化 ， 气液分 界 面处 温 度 会 一 直 保 持 不 变 ， 即为 1 3 7 ． 7 7 K， 而在其他较低高度下 ， 随着时间增大都会相继 达 到 1 3 7 ． 7 7 K， 当 时 间趋 向于 无 穷 大 时 ， 整个 第 1期 韩一飞 ．含氮 1 的液化天然气低温分层贮存研究 7 温 度 场会 变得 均匀 ， 即都 达 到 0 ． 6 MP a对 应 的 饱 和状 态 。 { 惶 稳增， K 图 2 经过一段 时间后液相区不 同高度下温度增加值 2 ． 2经过 特定 时 间的各 高度 下温 度大 小 在 L NG的存 储和运输 过程 中， 由于存在 分层现象， 使得在液相区的上部温度变化越快， 热流更多的向上流动， 进入储罐 的能量更多 的 集 中于液体上部的分层 区， 使温度呈现上高下 低的特点， 如表 2 、 图 3 所示 。 由图 3可知 ， 经 相 同时 间后 ， 液 相 区上部 的 温 度值 较 大 ， 随 时 间 的延 续 ， 最 终 达 到 并 保 持 1 3 7 ． 7 7 K不变 。时间越长 ， 对应等高度温度值 更 大 。 表 2 液相 区各 高度经过不 同时 间后 的温度值K 图 3 液相 区各 高度 经过特定时间后温度值 2 ． 3 不 同 时间及 特定 高 度下温 度 值 特定 高度 下 ， 时 间不 断增 大时 ， 各 高度具 体 由图 4可以看 出， 高度越高， 其越容易达到 0 ． 6 MP a对应饱和温度 1 3 7 ． 7 7 K。曲线斜 率 随高度降低而不断减小， 即高度越高， 温度变化 越快 。 温度值的变化 曲线如表 3 、 图 4所示。 图4 1 0 6 s 特定高度经过不同时间后温度值 表 3 液相 区各高度经过不同时 间后的温度值 赠 x ， 第 1期 韩一飞 ．含氮 1 的液化天然气低温分层贮存研究 9 [ 7 ] E 8 ] [ 9 ] 江帆 ， 黄鹏． F l u e n t 高级 应用 与实例 分析 E M] ． 北 京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 8 7 3 1 3 8 ． 张凯 ， 王瑞金 ， 王刚． F l u e n t 技 术基 础与应 用实例 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 1 0 1 2 5 1 3 ． 游立新 ， 顾 安忠． 液 化天 然气 的分层 和 漩涡及 防 止措施 [ J ] ． 石 油 与 天 然 气 化 工 ， 1 9 9 ] ， 2 0 3 Zl Z 5． [ 1 O ] 李 品友 ， 顾安忠． L N G涡旋及预 防措施 [ J ] ． 低 温 与特气 ， 1 9 9 8 2 5 4 5 7 ． [ 1 1 ] 李 品友 ， 顾 安忠 ． 液化 天 然 气 涡旋 的 理论 研 究 [ J ] ． 水 动力 学研究 与进 展 A辑 ， 2 0 0 0 ， 1 5 2 】8 2 一 ] 9O ． A S t u d y o n Cr y o g e ni c S t o r a g e a n d S t r a t i f i c a t i o n o f L i q u e f i e d Na t u r a l Ga s Co n t a i n i n g 1 ％ Ni t r o g e n H AN Yi f e i Xi ’ a n Ae r o n a u t i c a l Un i v e r s i t y，Xi ’ a n 7 1 0 0 7 7 ，C h i n a Abs t r a c t Thi s pa pe r f o c u s e s o n s t r a t i f i c a t i o n wi t h i n t he LNG c o nt a i ni ng 1 N i t r og e n v e s s e l ，e s t a b l i s he s t he s t r a t i f i c a t i o n m od e l 。a nd ob t a i n s t he f o r m u l a wh i c h c a l c ul a t e s t he t e m p e r a t u r e di s t r i b u t i o n o f t h e l i q u i d p h a s e i n t h e v e s s e l t h r o u g h s o l v i n g t h e N S e q u a t i o n s ．W i t h t h e g i v e n p a r a me t e r s o f t he v e s s e l a nd t he e n v i r on m e nt ，t he s pe c i f i c t e m pe r a t ur e i s g ot a t s pe c i f i c he i gh t i n t he ve s s e l a f t e r a s p e c i f i c p e r i o d of t i m e，a n d t h e t e m p e r a t u r e c u r v e i s d r a wn． The c a l c ul a t i on s a gr e e wi t h t h e t e m pe r a t ur e di s t r i bu t i o n t r e nd f r om t he c r y og e n i c l i qu i d hy dr o ge n t h e r m a l s t r a t i f i c a t i o n of nu m e r i c a l s i m ul a t i o n r e s u l t s，c o nf o r m t o t he e x pe r i me nt a l da t a S O t ha t i t pr o vi de s t he o r e t i c a l s up p or t f o r f u r t he r r e s e a r c h o n c r i t e r i o n o f h i e r a r c hi c a l LNG t a n ks r o l 1 l i m i t ． Ke y wo r d ss t r a t i f i c a t i on；t e mpe r a t u r e d i s t r i but i o n；LNG ；l i q ui d h yd r og e n