含氮1％的液化天然气低温分层贮存研究.docx

第23卷第1期2015年3月

北京石油化工学院学报

JournalofBeijingInstituteof

Petro-chemicalTechnology

Vol.23No.1Mar.2015

含氮1%的液化天然气低温分层贮存研究

韩一飞

(西安航空学院，陕西西安710077)

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LNG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：TB658文献标志码：A

LNG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[1-2]。漏热的影响下，上层密度较小的LNG和下层密度较大的LNG会形成独立的对流运动。上下两部分LNG的温升速率会有所不同，下层LNG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—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[3-6],甚至会对储罐的安全造成威胁，并且安全阀被迫打开，造成LNG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[7-9]。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LNG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

LNG容器：圆柱形竖放，内径为10m,高

收稿日期：2014-06-30

作者简介：韩一飞(1986—),硕士，研究方向为油气储运及压缩机设计优化，E-mail:396703984@。

为12m。材料：不锈钢，外表珠光砂绝热20mm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[10-11]。分层模型示意图如图1所示。

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入，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：

6北京石油化工学院学报2015年第23卷

(1)

能量方程：

(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δ=a?x1,U=a?x1。求解得到a?、a?、m?和n?,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)=mZ(m、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：

(3)式中，A为受热面积；δ,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%LNG储罐周壁在环境漏热情况下的热流密度

取环境温度为20℃,即为293.5K,空气的对流换热系数为h?=7.6W/m2·K,珠光砂

的导热系数为m初。在0.1MPa时，纯甲烷的

饱和温度t=110.13K。在0.6MPa时，含氮

1%甲烷的饱和温度t=137.77K。在这一分层模型中，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=

1.8784W/m2·K所以传热量

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0.1MPa时，整个储罐处于平衡均相状态，全场温度都对应0.1MPa对应的饱和温度。这一模型中，储罐壁面在