Forecast on Running Distance and Time of Pig in FuNa Gas Transmission Pipeline
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摘要: 在天然气长输管道建设和运行中，为了清除管内杂质，提高管壁光洁度和管输效率，须对油气管道实施清管作业。基于付纳输气管道的实际情况和选用的清管器类型，利用容积法计算了清管器的运行距离，运用平均压力修正了计算模型，并根据SY/T5922—2003《天然气管道运行规范》，用平均压力计算了清管器的运行时间，计算值与清管器实际到达目的地的时问只差5 min。Abstract: During construction and operation of long-distance natural gas pipeline, pigging operation must be carried out in order to clean impurities within the pipeline to increase smoothness of pipe wall and transmission efficiency of pipeline.Based on the type of the pig used and chosen for actual operating situation in FuNa Gas Pipeline, volumetric method is used to calculate running distance of the pig and correction on calculation model is made by means of mean pressure.In accordance with SY/T5922—2003 《Operating Standard of Natural Gas Transmission Pipeline》, running time of pig is computed with the mean pressure and calculated value and actual arrival time of the pig is 5 min. apart.
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Keywords:
- FuNa Gas Pipeline /
- pig /
- running distance /
- time /
- forecast
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在LNG的存储过程中，由于充装LNG和储罐内原有LNG的组分、温度不同，或者含氮（N2）较多的LNG内部N2的优先蒸发，可能出现分层现象，进而导致翻滚现象的发生[1]。翻滚发生时，两分层剧烈混合，瞬间产生大量汽化气（BOG），使储罐内压力急剧上升，对储罐和其他附属设备的安全造成威胁，甚至威胁人身安全。通常翻滚发生时，需要被迫打开安全阀泄压，大量的天然气被释放到空气中，不仅存在很大的危险性，同时还造成重大的经济损失[2]。在翻滚的理论研究上，Chatterjee & Geist提出了首个翻滚模型（C-G模型，1972），之后经过Heestand等[3]（HSM模型，1983），Bates等[4]（Bates-Morrison模型，1997），覃朝辉等[5]（覃朝辉模型，1999）的发展，LNG分层和翻滚模型逐渐完善。在实验方面，国外Shi J Q、Muro、Graffis等，国内游立新、程栋等分别针对不同形状、不同大小的储罐，利用盐-水、水-糖、F11-F113、液氧-液氮等介质进行了大量的翻滚实验研究。基于这些对翻滚的原因、机理的理论和实验研究结果，提出了一些预防翻滚的措施，对储罐的安全储存具有重要意义。
近年来，随着世界LNG产业的飞速前进，中国的LNG接收终端亦蓬勃发展，LNG的应用领域逐渐增多[6-8]，LNG储罐发生翻滚的概率也随之增大。而在储罐发生翻滚的过程中，不同密度差、储罐罐容等都有可能对翻滚造成影响。因此在前人的研究基础上，对储罐中LNG翻滚的影响因素进行研究，以便更全面地对储罐翻滚做出预防，保证储罐的安全储存。
1. 模型建立
1.1 分层翻滚机理
LNG在储罐中储存时，由于储罐的储存温度约为－160 ℃，与外部环境温度相差较大，因此罐壁的漏热会导致储罐中LNG的密度变化，使不同高度之间的LNG出现密度差，即分层。分层产生后，各层形成相对独立的自然对流循环（图 1），在环境漏热及轻组分蒸发的双重作用下，两分层的密度逐渐趋于一致，最终发生翻滚（图 2）[9-10]。
1.2 模型建立及假设条件
分层产生后，储罐中LNG分为多个分层（图 3a），而翻滚发生在相邻的两个分层之间。取储罐中高度相同（均为1 m）的两层作为研究对象，忽略LNG储罐的分层过程，不考虑气相空间，只对翻滚过程进行研究[11]，建立LNG储罐翻滚的物理模型（图 3b），并设置模型的初始条件和边界条件如下：①侧壁和底部壁面的边界条件是速度ux均为无滑移条件；对于LNG组分的质量分数S而言，
1.3 模拟条件设置
采用FluentTM软件进行模拟，模型选取接收站常见的16×104 m3储罐，设定其上、下分层密度分别为424 kg/m3、423.5 kg/m3。计算区域采用结构化网格进行网格划分，网格总数约为16 000个。选用mixture模型，边界条件设为绝热壁面。正常状态下，由于储存在较大型储罐内的LNG液体产生大空间紊流态自然对流，因此紊流方程采用κ-ε方程[12]。
为了对模拟中不同工况下的翻滚程度进行对比分析，采用翻滚系数f来表征翻滚的剧烈程度[13]：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2010/8/href="yqcy-34-3-258-E1.png")
(1) 式中：f为翻滚系数；Δρmax为翻滚过程中的最大密度差，kg/m3；Δρ0为初始密度差，kg/m3；Δt为翻滚时间，s。
2. 影响因素模拟分析
2.1 初始密度差的影响
针对直径为79 m的16×104 m3的LNG储罐，取初始密度差0.5 kg/m3，1.0~9.0 kg/m3（间隔1.0 kg/m3）分别进行模拟，得到LNG储罐翻滚的最大速度随时间变化的曲线（图 4）和翻滚系数随初始密度差变化的曲线（图 5）。
随着时间的增加，储罐中LNG的翻滚速度逐渐减小趋于平稳。而初始密度差越大，储罐发生翻滚时，LNG的速度也越大，翻滚越剧烈（图 4）。翻滚系数随初始密度差的增加先缓慢增加，然后剧烈增加，表明储罐中LNG的翻滚随着初始密度差的增大由平稳向剧烈转变，这个转折点所对应的初始密度差即为储罐翻滚的临界密度差，当初始密度差小于临界密度差时，认为储罐储存安全，大于临界密度差时，即认为储罐内发生了翻滚（图 5）[14]。在翻滚的过程中，上下分层的密度差相当于翻滚的动力，密度差越大，推动翻滚发生的动力越大，翻滚发生得越早，翻滚也就越剧烈。
2.2 分层高度的影响
对直径为80 m的16×104 m3储罐，分别取其分层高度为1 m、1.5 m、2.0 m，取初始密度差0.5 kg/m3，1.0~9.0 kg/m3（间隔1.0 kg/m3）进行数值模拟，得到初始密度差为1 kg/m3时，储罐翻滚的最大速度随时间的变化而变化的曲线（图 6）和翻滚系数随初始密度差变化的关系曲线（图 7）。
分层高度越大，速度出现峰值越晚，峰值越大，而随着分层高度的增加，速度剧烈变化的范围也增大，表明随着分层高度的增加，储罐翻滚持续的时间增长，储罐发生翻滚的时间延迟（图 7）。
16×104 m3储罐的临界密度差在分层高度为1 m、1.5 m、2 m时分别为3 kg/m3、4 kg/m3、5 kg/m3，随着分层高度的增加，储罐翻滚的剧烈程度增大，临界密度差增大。这是由于分层高度的增加使单一分层的体积增大，各分层LNG液体与罐壁的接触面积增加，因此，液体与罐壁之间的黏滞力增大使分层变得更加稳定，延缓了翻滚的发生。
2.3 储罐罐容的影响
对16×104 m3（直径79 m）、3×104 m3（直径40 m）、5 000 m3（直径20 m）的LNG储罐，取初始密度差分别为0.5 kg/m3、1.0~9.0 kg/m3（间隔1.0 kg/m3）进行数值模拟，得到初始密度差为1 kg/m3时，储罐翻滚的最大速度随时间的变化曲线（图 8）和翻滚系数随初始密度差的变化关系（图 9）。
可见，随着罐容的增加，翻滚的最大速度逐渐增加，而翻滚速度越大，LNG移动的速度越大，翻滚越剧烈（图 8）。罐容为16×104 m3、3×104 m3、5 000 m3的储罐的临界密度差分别为3 kg/m3、3~5 kg/m3、5 kg/m3，随着罐容的增加，储罐翻滚的临界密度差减小（图 9）。这是由于罐容的增大使储罐翻滚时产生的漩涡增多，漩涡之间的相互作用增加，因此相同初始密度差下，储罐罐容越大，LNG的稳定性就越差，对应储罐发生翻滚的临界密度差也越小。
3. 结论
（1）不同初始密度差下储罐翻滚的剧烈程度不同。相邻分层的初始密度差越大，翻滚发生的越早，翻滚时的速度越大，翻滚越剧烈，且存在一个储罐翻滚的临界密度差：当初始密度差小于临界密度差时，认为储罐储存安全；大于临界密度差时认为储罐内发生了翻滚。
（2）对于同一储罐，分层高度越小，翻滚发生的时间越早；分层高度越大，翻滚持续的时间越长，翻滚时的速度越大，翻滚越剧烈。而分层高度的增大使分层变得稳定，翻滚延迟，储罐翻滚的临界密度差也增大。
（3）储罐罐容越大，翻滚时的漩涡越多，速度越大，储罐中LNG翻滚越剧烈，相邻分层之间的LNG越不稳定，储罐翻滚的临界密度差越小。
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[1] 朱喜平. 天然气长输管道清管技术[J]. 石油工程建设, 2005(6): 12-15. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYGJ200503005.htm [2] 丁尚龙, 王瑜琦. 清管器的运行控制浅析[J]. 城市燃气, 2005(7): 3-5. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CSYQ200507001.htm [3] 刘凯, 马丽敏, 邹德福, 等. 清管器应用技术的发展[J]. 管道技术与设备, 2007(5): 41-42. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GDGS200705018.htm [4] 张城, 路小峰, 舒昌成. 等. SY/T5922-2003天然气管道运行规范[S]. 北京: 国家经济贸易委员会, 2003. [5] 李莉萍, 王卫红, 曲伟国. 天然气高压管道带气通球清管的分析[J]. 煤气与热力, 2003, 23(5): 296-298. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MQRL200305012.htm [6] 李长俊. 天然气管道输送[M]. 北京: 石油工业出版社, 2000: 62-65.
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