Том 337 № 2 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/2/5170
Методология моделирования и численный анализ прогнозирования параметров при бездренажном хранении сжиженного природного газа
Актуальность. Эффективное использование сжиженного природного газа в транспортном секторе считается ключевым фактором экономического и экологического успеха, который может быть гарантирован правильным прогнозированием изменения параметров газа при бездренажном хранении. Целью работы является моделирование процесса в резервуаре для хранения сжиженного природного газа с целью прогнозирования общего состава отпарного газа, его плотности и скорости образования, а также необходимого времени до момента достижения максимально допустимого рабочего давления. Объектом моделирования является резервуар сжиженного природного газа объемом 57,2 м3, используемый на автозаправочных станциях для бездренажного хранения. Методы исследования модели включают уравнения парожидкостного равновесия, уравнения материального и энергетического баланса с использованием уравнения состояния Пенга–Робинсона для моделирования многокомпонентной двухфазной системы в широком диапазоне условий. Результаты. Исследования показали, что более тяжелые углеводороды увеличивают образование отпарного газа, поскольку на заключительных стадиях испарения они влияют на динамику процесса, что приводит к увеличению скорости роста давления, тем самым сокращая период бездренажного хранения. Концентрация азота выше 0,5 % приводит к образованию большего количества отпарного газа и увеличению количества азота в его составе, что снижает его товарные качества. При этом отмечено незначительное увеличение срока хранения. Размер резервуара играет важную роль в процессе хранения. Начальный уровень заполнения до 80 % продлевает срок хранения и снижает образование отпарного газа по сравнению с меньшим заполнением (50 %), в то время как влияние состава сжиженного природного газа практически незаметно. В итоге данное исследование предоставляет простую применимую на практике математическую модель для управления процессом хранения сжиженного природного газа, снижения количества отпарного газа и повышения безопасности в цепочке поставок сжиженного природного газа.
Ключевые слова:
сжиженный природный газ, парожидкостное равновесие, уравнения состояния, состав сжиженного природного газа, отпарной газ, бездренажное хранение, коэффициент заполнения
Библиографические ссылки:
REFERENCES
1. Mokhatab S., Poe W.A., Mak J.Y. Handbook of natural gas transmission and processing: principles and practices. Cambridge, MA 02139, United States, Gulf Professional Publ., 2018. 572 p.
2. Zaitsev A.V., Saftli A. Prediction of parameters for boil-off gas in cryogenic tanks. Part 1. Modelling methods (Prognozirovanie parametrov otparnogo gaza v kriogennykh rezervuarakh. Chast’ 1. Metody modelirovaniya). Journal of International Academy of Refrigeration, 2025, no. 1, pp. 35–41. (In Russ.) DOI: 10.17586/1606-4313-2025-24-1-35-41
3. Kalikatzarakis M., Theotokatos G., Coraddu A., Sayan P., Wong S.Y. Model based analysis of the boil-off gas management and control for LNG fuelled vessels. Energy, 2022, vol. 251, 123872.
4. Kim C., Kim T., You H., Kim M., Han Y.S., Choi B.I., Do K.H. A simple predictive method for estimating boil-off rate over time in a cryogenic container. Journal of Fluids Engineering, 2024, vol. 146, no. 7, pp. 071110.
5. Ivanov L.V., Baranov A.Yu. Selection of effective cargo containment systems (LNG) for self-propelled and tug and barge transport (Vybor effektivnykh sistem uderzhaniya gruza (SPG) dlya samokhodnogo i buksirno-barzhevogo transporta). Journal of International Academy of Refrigeration, 2021, no. 2, pp. 39–44. (In Russ.) DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-2-39-44
6. Uglanov D.A., Blagin E.V., Gorshkalev A.A., Korneev S.S., Marakhova E.A. Method for determining heat inputs and drainless storage duration of liquefied natural gas in a cryogenic tank. Chemical and Petroleum Engineering, 2023, vol. 59, no. 7, pp. 670–677.
7. Rahmania A., Purwanto W.W. Simulation of boil-off gas effect along LNG supply chain on quantity and quality of natural gas. AIP Conference Proceedings, 2020, vol. 2223, no. 1.
8. Wang Z., Sharafian A., Mérida W. Non-equilibrium thermodynamic model for liquefied natural gas storage tanks. Energy, 2020, vol. 190, 116412.
9. Chen H., Yang G., Wu J. A multi-zone thermodynamic model for predicting LNG ageing in large cryogenic tanks. Energy, 2023, Vol. 283, 128503.
10. Jeon G.M., Jeong S.M., Park J.C. Experimental and numerical investigation of the influences of sloshing motion on the change in boil-off gas/boil-off rate in a cryogenic liquid tank. Ocean Engineering, 2024, vol. 298, 117173.
11. You H., Kim T., Kim C., Kim M., Kim M., Han Y.S., Nguyen L.D., Chung K., Choi B., Do K.H. Scale effect analysis of LNG cargo containment system using a thermal resistance network model. Journal of the Society of Naval Architects of Korea (J. Soc. Nav. Archit. Korea), 2023, vol. 60, no. 4, pp. 222–230.
12. Ovidi F., Pagni E., Landucci G., Tognotti L., Galletti C. CFD modelling of vertical LNG tanks adopted in heavy trucks refuelling stations. Chemical Engineering Transactions, 2018, vol. 67, pp. 547–552.
13. Saleem A., Farooq S., Karimi I.A., Banerjee R. A CFD simulation study of boiling mechanism and BOG generation in a full-scale LNG storage tank. Computers & Chemical Engineering, 2018, vol. 115, pp. 112–120.
14. Choi S.W., Lee W.I., Kim H.S. Numerical analysis of convective flow and thermal stratification in a cryogenic storage tank. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 2017, vol. 71, no. 4, pp. 402–422.
15. Peruško D., Karabaić D., Bajsić I., Kutin J. Ageing of liquified natural gas during marine transportation and assessment of the boil-off thermodynamic properties. Journal of Marine Science and Engineering, 2023, vol. 11, no. 10, 1980.
16. Jeon G.M., Park J.C., Kim J.W., Lee Y.B., Kim D.S., Kang D.E., Lee S.B., Lee S.W., Ryu M.C. Experimental and numerical investigation of change in boil-off gas and thermodynamic characteristics according to filling ratio in a C-type cryogenic liquid fuel tank. Energy, 2022, vol. 255, 124530.
17. Lukaszewski M.W., Zimmerman W.B.J., Tennant M.T., Webster M.B. Application of inverse methods based algorithms to liquefied natural gas (LNG) storage management. Chemical Engineering Research and Design, 2013, vol. 91, no. 3, pp. 457–463.
18. Acker G.H., Moulton S.D. LNG weathering effects: theoretical and empirical. Topical report [LNG (Liquified Natural Gas)] (No. PB-93-162840/XAB; SWRI-3178-4.4). San Antonio, TX (United States), Southwest Research Inst., March–August 1992. Engine, Fuel, and Vehicle Research Div. Available at: https://www.osti.gov/biblio/6867367 (accessed 25 May 2025).
19. Chen Q.S., Wegrzyn J., Prasad V. Analysis of temperature and pressure changes in liquefied natural gas (LNG) cryogenic tanks. Cryogenics, 2004, vol. 44, no. 10, pp. 701–709.
20. Pellegrini L.A., Moioli S., Brignoli F., Bellini C. LNG technology: The weathering in above-ground storage tanks. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, vol. 53, no. 10, pp. 3931–3937.
21. Włodek T. Analysis of boil-off rate problem in liquefied natural gas (LNG) receiving terminals. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019, vol. 214, no. 1, 012105.
22. Huerta F., Vesovic V. A realistic vapour phase heat transfer model for the weathering of LNG stored in large tanks. Energy, 2019, vol. 174, pp. 280–291.
23. Migliore C., Salehi A., Vesovic V. A non-equilibrium approach to modelling the weathering of stored liquefied natural gas (LNG). Energy, 2017, vol. 124, pp. 684–692.
24. Duan Z., Xue H., Gong X., Tang W. A thermal non-equilibrium model for predicting LNG boil-off in storage tanks incorporating the natural convection effect. Energy, 2021, vol. 233, 121162.
25. Al Ghafri S.Z., Perez F., Park K.H., Gallagher L., Warr L., Stroda A., et al. Advanced boil-off gas studies for liquefied natural gas. Applied Thermal Engineering, 2021, vol. 189, 116735.
26. Lee J.H., Kim Y.J., Hwang S. Computational study of LNG evaporation and heat diffusion through a LNG cargo tank membrane. Ocean Engineering, 2015, vol. 106, pp. 77–86.
27. Kulitsa M., Wood D.A. Rigorous monitoring reduces FSRU cargo-rollover risks. Oil & Gas Journal, 2017, vol. 115, no. 6, pp. 74–81.
28. Migliore C., Tubilleja C., Vesovic V. Weathering prediction model for stored liquefied natural gas (LNG). Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2015, vol. 26, pp. 570–580.
29. Lin Y., Ye C., Yu Y.Y., Bi S.W. An approach to estimating the boil-off rate of LNG in type C independent tank for floating storage and regasification unit under different filling ratio. Applied Thermal Engineering, 2018, vol. 135, pp. 463–471.
30. Jung B., Park K., Sohn Y., Oh J., Lee J.C., Jung H.W. Prediction model of LNG weathering using net mass and heat transfer. Energy, 2022, vol. 247, 123325.
31. Jo Y., Shin K., Hwang S. Development of dynamic simulation model of LNG tank and its operational strategy. Energy, 2021, vol. 223, 120060.
32. Barelli L., Bidini G., Perla M., Pilo F., Trombetti L. Boil-off gas emission from the fuel tank of a LNG powered truck. Fuel, 2022, vol. 325, 124954.
33. Saftly A., Zaitsev A.V. Methodology for modeling processes in multi-component two-phase LNG systems (Prognozirovanie parametrov otparnogo gaza v kriogennykh rezervuarakh. Chast 2. Analiz rezultatov modelirovaniya). Tyumen State University Herald. Physical and Mathematical Modeling. Oil, Gas, Energy, 2024, vol. 10, no. 2, pp. 25–44. (In Russ.) DOI: 10.21684/2411-7978-2024-10-2-25-44.
34. International Maritime Organization (IMO). Annex 1, Resolution MSC.391(95): Adoption of the International Code of Safety for Ships Using Gases or Other Low-Flashpoint Fuels (IGF Code). London, 2015. Available at: https://rise.odessa.ua/texts/MSC391_95e.php3 (accessed 25 May 2025).
35. Scurlock R.G. Stratification, rollover and handling of LNG, LPG and other cryogenic liquid mixtures. Cham, Switzerland, Springer, 2015. 366 p.
36. Sharafian A., Herrera O.E., Mérida W. Performance analysis of liquefied natural gas storage tanks in refueling stations. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2016, vol. 36, pp. 496–509.
37. Li J., Zhang S., Feng Q., Wang X., Wu Z., Sun B. Simulation analysis and field verification of static evaporation characteristics of full-scale LNG storage tanks. Applied Thermal Engineering, 2024, vol. 253, 123721.
38. Włodek T. Phase equilibria for liquefied natural gas (LNG) as a multicomponent mixture. AGH Drilling, Oil, Gas, 2015, vol. 32, no. 3, pp. 539–550.
39. Li Z.Q., Wang X.J., Yang S.S. Predicting BOG rate in cryogenic containers at different liquid levels based on a single test. Journal of Mechanical Science and Technology, 2022, vol. 36, no. 9, pp. 4809–4814.
