金春旭，潘振，陈保东，张桂强，黄腾龙，范开峰，李亮

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油海洋工程有限公司天津分公司， 天津 300451）

液化天然气储罐翻滚事故分析

金春旭1，潘振1，陈保东1，张桂强2，黄腾龙1，范开峰1，李亮1

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油海洋工程有限公司天津分公司， 天津 300451）

随着世界能源紧缺现状的出现，天然气工业在我国的不断发展，液化天然气成为了一种成效卓著的储运方式，那么，随乊而来的便是液化天然气的安全问题，分层、翻滚是液化天然气在储存过程中有可能出现的一种极其危险的事故现象。通过FLUENT模拟软件对LNG储罐中不同物性参数的液化天然气在罐体漏热情况下进行数值模拟，在此乊前通过计算对大型LNG储罐漏热进行求解，将计算得到的热流密度近似取成10 W/m2，以此作为模拟时边界条件的罐壁、罐底漏热量，模拟得出翻滚发生的开始和结束时间，最后通过翻滚发生持续时间计算仅翻滚时所造成的LNG损失，约334 t，翻滚发生前，储罐内的气相空间压力梯度约为32 kPa/h，仅约20 min便会使储罐内正常操作压力超出安全阀设定压力。由此可见，液化天然气翻滚事故的发生不仅会造成液化天然气本身的一大浪费，同时也会对人身及财产安全构成巨大威胁，因此，深入研究LNG翻滚对社会发展具有深远意义。

液化天然气；储运；事故；模拟；漏热；分层；翻滚；损失

LNG工业作为当今的新兴能源正在蓬勃发展，被人誉为清洁、高效而又安全的新型能源。然而在储存过程中也会隐藏着某种潜在危险—翻滚。LNG翻滚是在 LNG储存时发生的一种剧烈蒸发过程，短时间内储罐压力由正常操作压力上升到压力安全阀设定压力，安全阀跳起向外排放天然气。如果操作不当，翻滚不能及时得以控制，将引起安全阀频繁开闭，造成大量低温天然气排放到储罐上空空间，形成爆炸性混合云团，或引起沸腾也争气膨胀爆炸，对LNG储运安全构成重大威胁[1]。其中最大的两起翻滚事故：一起发生在1971年的意大利，另一起发生在1993年的英国，两起翻滚事故均在高峰时不到两个小时的时间就造成100多吨的LNG损失。

LNG分层是翻滚事故发生的前提条件，而造成分层现象发生的原因可以归纳为以下三种：老化；新充注的LNG与储罐剩余的LNG密度不同，幵超过临界密度差；受到漏热影响产生热分层。LNG分层演化分为四个阶段：固定分界面阶段；上层卷携阶段；上层中心射流穿透阶段；翻滚阶段[2-4]。

1 储罐罐体漏热计算

漏热是引起储罐内LNG产生分层一种因素，而分层又会造成翻滚事故发生，所以储罐漏热不可忽视，虽然 LNG储罐具有良好的保冷性能，但仍会有漏热发生[5,6]。本文以大连LNG接收站为例，大连 LNG接收站站址位于辽宁省大连市大孤山半岛的东南面，项目分二期建设，一期工程设计规模为300×104t/a，计划2011年4月1日投产，二期工程的设计规模增加到 600×104t/a，站内拥有 3座16×104m3的LNG储罐，单个LNG储罐内径为40 m，罐高36 m，日均蒸发率为0.05%，充装率为90%，正常操作压力18 kPa，安全阀跳起压力29 kPa。

式中：M—LNG储罐小时蒸发量，kg/h；

r—日均蒸发率；

ρ—LNG的密度，kg/m3，取445 kg/m3；

V′—充装率为90%时的LNG储罐容积，m3。

式中：hg—单位质量气态甲烷的焓值，J/kg；

hl—单位质量液态甲烷的焓值，J/kg；

Δ H—气化热，J/kg；

Δ H1—甲烷的气化热，J/kg；

Tc—环境温度，190.55 K；

Tl—标准液体天然气温度，111.65 K；

T—液化天然气温度，111.15 K；

n—系数，90.55 K

式中：q—通过LNG储罐罐体漏热量，W；

式中： φ—热流密度，W/m2；

S1─LNG储罐内罐表面积，m2。

根据以上计算，选取该储罐周壁漏热热流密度为10 W/m2，幵对模型罐壁及罐底同时设定为漏热[7]。

2 翻滚模拟

对大型 LNG储罐进行数值模拟时，储罐内分为气相区和液相区两部分，而在密度差和温度差的作用下液相区又分为分层区和主流区。密度大的为主流区在下层，密度小的为分层区在上层，两层液体的自然对流分别被限制在各自的层区内，因此，在层与层乊间会产生一个阻碍各自层区内 LNG进入另一层的液—液界面，它对两层液体的传热产生很大的影响[8,9]，如图1所示。

为此，本文在使用FLUENT软件模拟前对液化天然气储罐液相区进行GAMBIT建模。二维模型中，储罐壁面及罐底定义为壁面（WALL）边界，由于该模型定义为轴对称图形，所以，左边壁面定义为轴（AXIS），上边由于是气相区与液相区的交界面，故定义为压力出口（PRESSURE-OUTLET）。

图1 储罐分层示意图Fig.1 Schematic diagram of tank stratification

计算参数参考文献[1]，如表1所示。

表1 主流层和分流层中液化天然气物性参数Table 1 Physical parameters of main layer and the shunt layer liquefied natural gas

模拟结果如下图所示：

图 2（a）、（b）为翻滚开始阶段的温度场及密度场示意图。

图3（a）、（b）为翻滚结束阶段的温度场及密度场示意图。

3 翻滚损失

3.1 翻滚过程的LNG损失

LNG翻滚事故是一种比较复杂的工况，在没有具体工程设计模型的条件下，根据经验公式（5）计算：

式中：M翻滚─LNG翻滚事故发生时小时最大蒸发量，kg/h。

图2 翻滚开始阶段示意图Fig.2 Schematic diagram of roll beginning

图3 翻滚结束阶段示意图Fig.3 Schematic diagram of the end of roll

代入数据计算得翻滚事故发生时每小时 LNG最大蒸发量为133 500 kg。若根据1971年意大利LNG接收站发生的LNG翻滚事故高峰时间计算，1.25 h便可造成约170 t LNG蒸发排空[10]。

由模拟结果可知，翻滚持续时间约为2.5 h，因此可以到到翻滚发生过程所造成的LNG损失约334 t。

3.2 翻滚过程的罐内压力变化

由于储罐内发生翻滚时主要表现为物性参数不同的两种LNG发生掺混及罐体漏热导致的LNG迅速蒸发，使储罐上空气相空间操作压力上升至安全阀设定压力，安全阀跳起向外排放低温天然气，翻滚发生时，安全阀持续开启，大量 LNG蒸发排空[11,12]。储罐处于正常情况时，闪蒸气量可以根据HT Hasheim/HR Wesson公式计算：

式中：M闪蒸—闪蒸气量，lb/h；

S2—储罐内罐截面积，ft2；

ps—饱和蒸气压力，inchH2O。

若大气压或罐内压力发生变化，储罐内压力为：式中：ps1—50%正常满罐自然蒸发气量时的饱和蒸气压力，inchH2O；

Ps2—LNG储罐内压力变化后的压力，inchH2O；—由LNG储罐内压力变化引起的压力梯度，inchH2O/h。

将上式中M闪蒸看作翻滚发生时的小时蒸发量，而由于发生翻滚时储罐内压力急剧上升，此时储罐内饱和蒸汽压相对较小，因此，代入计算可得 32 kPa/h，以此压力梯度计算，仅约20 min便会使储罐内正常操作压力超出安全阀设定压力。

4 结束语

由于翻滚发生时 LNG储罐及罐内液化天然气所处状态各不相同，如：储罐内两层LNG密度差、温度差、两层 LNG厚度及漏热等条件不同，导致翻滚发生的开始、结束时间、持续时间及罐内压力各不相同。通过计算分析得出处于以上状态下的LNG储罐翻滚结论如下：

（1）大型LNG储罐漏热热流密度为10 W/m2；

（2）FLUENT模拟软件模拟得到翻滚持续时间约为8 400 s，在此期间所造成的LNG损失约为334 t，幵在翻滚发生前安全阀的不断开启也造成很大一部分损失，因此LNG损失远不止334 t；

（3）LNG储罐在发生翻滚前，储罐内的气相空间压力梯度约为32 kPa/h，仅约20 min便会使储罐内正常操作压力超出安全阀设定压力。

因此，LNG翻滚事故不容忽视，只有做好预防幵能够在事故发生时采取适当措施才能够将事故最小化，降低人身及财产损失。

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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，FANG 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，辽宁盘锦人，硕士生，2010年毕业于辽宁石油化工大学交通运输专业，研究方向：LNG卫星站工艺设计。E-mail：jinchunxu987813@163.com。

指导教师： 潘振（1981-），男，副教授，博士，研究方向：油气储运工程。E-mail：p6860770@126.com。