摘要
近年来，天然气在一次能源消费结构中的占比逐年增加。液化天然气（LNG）因其方便储存、运输、经济性好的优点，不仅在工业生产方面应用广泛，在民用燃料等日常生活中也逐渐扮演着不可替代的角色，因此受到了越来越多国家和地区的青睐。但由于LNG在储存过程中的存在安全风险，环境温度、初始充装率、保温层效果以及火灾等灾害工况都会对储罐内的蒸发过程产生影响，严重时还会造成分层、翻滚以及BLEVE等危险后果。因此，针对不同条件下大型LNG储罐内蒸发特性进行研究与分析，对形成LNG储罐安全控制技术方案、进一步保障生产的安全性和经济性、减少和避免环境污染，以及维护社会经济的和谐稳定发展具有重要意义。 将数值模拟和试验研究相结合，以液氮为工质开发了液氮储罐蒸发试验装置，分析了环境温度、初始充满率、火灾辐射和风速对液氮在储罐内蒸发过程中压力和温度的影响，归纳了液氮全部蒸发所需时间在不同条件下的变化规律。通过开展液氮储罐火灾辐射和风力影响耦合工况试验，总结得到风速是影响储罐内低温液体蒸发特性的显著因素。 研究中采用CFD软件Fluent对试验用液氮储罐和16万方大型LNG储罐建立了二维数值计算模型，选择VOF模型作为多相流模型、标准k??模型作为湍流模型，并用P-1模型考虑储罐外壁辐射，通过蒸发-冷凝模型——Lee模型控制相变过程，模拟计算了低温储罐内的蒸发行为对低温储罐内的蒸发行为。 基于数值模拟结果分析了环境温度、初始充满率和储罐侧壁总传热系数对储罐内蒸发过程的影响规律。模拟结果表明，随环境温度升高，储罐内上部气体最高温度线性增加，储罐内稳定后的储罐BOG质量流量增大且增速逐渐加大，上部气体压力增大但增速逐渐减小；在一定程度上，初始充满率增大、有利于使储罐内保持在较低温度，且稳定后的BOG质量流量的增速逐渐减慢；罐壁总传热系数越大，LNG储罐内温度和压力直线上升，对LNG的安全储存造成不利影响。其中，储罐侧壁总传热系数是影响储罐内LNG蒸发特性的最主要因素，储罐侧壁总传热系数的增大对储罐内稳定后的BOG质量流量、上部气体温度和气相空间压力都起到决定性作用。 基于数值模拟结果分析了火灾辐射工况对储罐内蒸发过程的影响规律。模拟结果表明，随着储罐外部火灾辐射量的增大，进入储罐的环境热量增多，储罐内上部气体空间的最高温度逐渐加大、蒸发的气体量增多，温度场逐渐由分层均匀向分层紊乱转换。同时，储罐内稳定后的BOG质量流量呈线性急剧增加，储罐内气相空间的温度和压力也都会增加，但增长速率逐渐下降。 对火灾工况下大型LNG储罐的安全储存提出了建议。在生产过程中，一旦储罐外部发生火灾，应当在火灾初期进行有效控制，严格落实作业规程，避免保温层破坏、失效，提高安全阀的响应速度，及时解决储罐超压等问题，确保BOG气体及时有效排出。
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