大型LNG儲(chǔ)罐翻滾兩分層和三分層模型模擬

步勇成， 王 娜， 趙曉丹

(山東建筑大學(xué)，山東濟(jì)南250101)

1 概述

LNG在常壓儲(chǔ)罐中是在常壓、-162 ℃低溫的條件下儲(chǔ)存的，主要的成分是甲烷，其次乙烷、丙烷及氮(N2)等。當(dāng)向已經(jīng)存有LNG的儲(chǔ)罐中再次充注新的LNG時(shí)，由于后注入LNG和原有LNG密度不同，將會(huì)導(dǎo)致分層的發(fā)生。LNG的主要成分中，氮組分的沸點(diǎn)最低，但其相對(duì)分子質(zhì)量比甲烷大[1-2]。因此，在儲(chǔ)存過程中，隨著儲(chǔ)罐側(cè)壁與底部的不斷漏熱，致使儲(chǔ)罐內(nèi)溫度不斷升高，存在于下層LNG中的氮組分將優(yōu)先蒸發(fā)，氣體不斷從儲(chǔ)罐底層向上層移動(dòng)，進(jìn)而使得下層LNG密度變小，產(chǎn)生分層現(xiàn)象。

儲(chǔ)罐中LNG發(fā)生分層后，各層液體間維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，LNG分層后儲(chǔ)罐內(nèi)的自然對(duì)流循環(huán)見圖1，在分界面處發(fā)生質(zhì)能交換。上層的LNG密度較小，輕組分的沸點(diǎn)也較低，液體在吸收環(huán)境漏熱和從下部傳遞的熱量后，經(jīng)過蒸發(fā)吸熱帶走其中一部分熱量，從而使上層密度持續(xù)加大。下層的LNG吸收環(huán)境漏熱向上層液體傳遞，密度逐漸減小。在整個(gè)傳遞過程中，當(dāng)上層與下層的密度接近時(shí)，兩分層液體混合，下層液體中還未蒸發(fā)的LNG將吸熱而加速蒸發(fā)，對(duì)流循環(huán)加劇，儲(chǔ)罐內(nèi)原本密度不同的兩分層LNG發(fā)生翻滾，在翻滾過程中伴隨著大量BOG產(chǎn)生，不斷積聚的氣體使得儲(chǔ)罐內(nèi)壓力不斷增大，從而有可能引發(fā)儲(chǔ)罐安全事故[3-5]。

圖1 LNG分層后儲(chǔ)罐內(nèi)的自然對(duì)流循環(huán)

本文擬利用FLUENT對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的速度場、密度場進(jìn)行模擬，對(duì)LNG的翻滾特性進(jìn)行分析，得到LNG儲(chǔ)罐翻滾的臨界值。

2 模型建立

① 物理模型建立

對(duì)大型LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的分層和翻滾的物理模型簡化如下。

a.選取16×104m3大型LNG儲(chǔ)罐，直徑取80 m，忽略內(nèi)罐壁厚，建立兩分層二維模型及三分層二維模型。

b.本文研究的是已經(jīng)分層后的LNG儲(chǔ)罐內(nèi)速度場和密度場的變化情況，不分析造成分層的原因和過程，假設(shè)模擬開始時(shí)分層已經(jīng)產(chǎn)生。

c.不考慮氣相部分，只對(duì)液相部分進(jìn)行研究。

d.模擬不考慮傳熱。

e.設(shè)LNG的流動(dòng)符合牛頓內(nèi)摩擦定律，不考慮流動(dòng)耗散和黏性耗散。

模擬中采用的LNG物性參數(shù)見表1。表1中標(biāo)準(zhǔn)焓是在壓力為101.325 kPa、溫度為111 K條件下。

表1 LNG物性參數(shù)

出于對(duì)計(jì)算量和網(wǎng)格質(zhì)量的考慮，在計(jì)算區(qū)域中網(wǎng)格劃分成為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，兩分層翻滾模型網(wǎng)格總數(shù)為16 000，三分層翻滾模型網(wǎng)格總數(shù)為24 000，網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2網(wǎng)格劃分

② 數(shù)學(xué)模型的建立

基于Boussinesq假設(shè)，通過處理可以得到大型LNG儲(chǔ)罐的分層與翻滾的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、組分方程等。

3 LNG翻滾的數(shù)值模擬

① 模擬設(shè)置和控制參數(shù)

a.FLUENT中各項(xiàng)設(shè)置

利用Fluent6.3.26進(jìn)行模擬，選用2d單精度求解。求解器設(shè)置：選擇Pressure-Based、時(shí)間設(shè)置為Unsteady。模型設(shè)置：選用多相流模型Mixture,相設(shè)置為2個(gè)；湍流選擇標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型[6]。材料設(shè)置：按表1中LNG的物性參數(shù)進(jìn)行自定義設(shè)置。操作條件：操作空間壓力為101 325 Pa；設(shè)置重力加速度為9.81 m/s2，方向?yàn)閥軸負(fù)方向。對(duì)三分層二維模型，邊界條件和區(qū)域條件設(shè)置：8個(gè)邊界都設(shè)置為無滑移的wall；3個(gè)區(qū)域分別設(shè)為3個(gè)流體。區(qū)域fluid的材料設(shè)置：上區(qū)域材料設(shè)置為液體1，中區(qū)域材料設(shè)置為液體2，下區(qū)域材料設(shè)置為液體3，以達(dá)到控制不同密度差。求解時(shí)間：計(jì)算時(shí)間為1 000 s。

b.求解控制參數(shù)

在Solution Methods中，壓力速度耦合選擇SIMPLE。Gradient選擇Least Squares Cell Based，Pressure選擇Second Order，Momentum、Energy均選擇Second Order Upwind。亞松弛因子：在Solution Controls中，Pressure、Density、Body Forces分別取0.3、1、1，Momentum、Energy分別取0.7、1。收斂臨界值取默認(rèn)值，初始化。對(duì)全局進(jìn)行初始化，然后patch中間區(qū)域確定相為第二相，Value輸入數(shù)值為1，Patch下區(qū)域確定為第三相，Value輸入數(shù)值為1。

② 不同分層數(shù)工況下的翻滾模擬分析

對(duì)三分層二維模型，選取初始密度差為1 kg/m3，分層高度為2 m，上、中、下分層密度分別為425 kg/m3、424 kg/m3、423 kg/m3，各分層內(nèi)的LNG密度保持均勻一致。對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG三分層的翻滾過程模擬，并將兩分層、三分層的分界面速度進(jìn)行對(duì)比分析。LNG兩分層中上分層為液體1，下分層為液體2的模擬及分析參見文獻(xiàn)[7]。

a.三分層工況模擬分析

三分層翻滾模擬中各層密度隨時(shí)間的變化見圖3，三分層分界面速度隨時(shí)間的變化見圖4。

圖3 三分層翻滾模擬中各層密度隨時(shí)間的變化

圖4 三分層分界面速度隨時(shí)間的變化

由圖3、4可以看出，初始80 s內(nèi)，重力作用還未打破各層間的分界面，層內(nèi)還沒開始混合，各層內(nèi)的密度幾乎保持不變，分界面上的速度近乎為0。80～150 s，因?yàn)楦鲗娱g的密度存在著差異，在重力作用下各層開始混合，擠壓分界面，各層密度發(fā)生劇烈變化。150～200 s，中下層之間先進(jìn)行混合再與上層混合，所以下分界面的速度略高于上分界面，這一階段各層密度變化劇烈，分界面速度達(dá)到最大值。200～600 s，三分層間的液體仍在混合翻滾，但在前期劇烈混合后，三分層間的密度差變小，混合的動(dòng)力減小，翻滾的劇烈程度降低，各層密度變化減小，分界面速度減慢。600 s后，混合基本結(jié)束，新的分層形成，儲(chǔ)罐內(nèi)液體重回穩(wěn)定狀態(tài)，各層密度變化很小，穩(wěn)定后相鄰層液體的密度差縮小，上層密度低，上中層的密度差約0.6 kg/m3，與下層密度相比，中層密度低于下層密度，中下層密度差約為0.5 kg/m3，總體呈現(xiàn)上輕下重的結(jié)構(gòu)。

b.分層數(shù)目對(duì)翻滾的影響

兩分層與三分層分界面速度隨時(shí)間變化的比較見圖5。

圖5 兩分層與三分層分界面速度隨時(shí)間變化的比較

由圖5可以看出，三分層發(fā)生翻滾的時(shí)間比兩分層稍早，三分層下分界面的最大速度約為0.15 m/s，上分界面的最大速度約為0.12 m/s，兩分層分界面最大速度約為0.095 m/s，三分層的兩個(gè)分界面速度均高于兩分層，三分層翻滾更劇烈。三分層結(jié)構(gòu)的翻滾一直持續(xù)到600 s后才逐漸平穩(wěn)，兩分層結(jié)構(gòu)的翻滾在300 s后基本停止。經(jīng)過比較可知：在容積直徑相同的儲(chǔ)罐條件下，密度差相同的三分層翻滾程度比兩分層劇烈，且翻滾達(dá)到穩(wěn)定的持續(xù)時(shí)間更長。

③ 不同分層高度對(duì)翻滾的影響

a.相同密度差下同分層高度的影響

為了研究不同分層高度對(duì)翻滾的影響，設(shè)儲(chǔ)罐中兩分層的初始密度差為1 kg/m3，上下層密度分別為425 kg/m3、424 kg/m3，取其分層高度分別為l m、2 m、3 m進(jìn)行數(shù)值模擬，兩分層不同分層高度分界面速度隨時(shí)間變化見圖6。

圖6 兩分層不同分層高度分界面速度隨時(shí)間變化

由圖6可以看出，密度差及其他條件相同的情況下，分層高度越大，翻滾開始的時(shí)間越晚，整個(gè)翻滾過程持續(xù)的時(shí)間越長；分層高度越小，翻滾開始的時(shí)間越早，整個(gè)翻滾過程持續(xù)的時(shí)間越短。

b.不同分層高度下臨界密度差的變化

當(dāng)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)相鄰兩分層的密度差達(dá)到某一密度差時(shí)，翻滾持續(xù)時(shí)間不隨密度差的增大而發(fā)生變化，該密度差稱為臨界密度差。為了研究不同分層高度對(duì)臨界密度差的影響，取分層高度分別為l m、2 m、3 m進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)兩分層的初始密度差分別為1 kg/m3、1.5 kg/m3、2 kg/m3、3 kg/m3、4 kg/m3、5 kg/m3、8 kg/m3。不同分層高度下翻滾持續(xù)時(shí)間隨密度差的變化見圖7。

圖7 不同分層高度下翻滾持續(xù)時(shí)間隨密度差的變化

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，分層高度為1 m時(shí)，翻滾持續(xù)時(shí)間短，臨界密度差為3 kg/m3；分層高度為2 m時(shí)，翻滾持續(xù)時(shí)間加長，臨界密度差為4 kg/m3；分層高度為3 m時(shí)，臨界密度差為5 kg/m3。臨界密度差隨分層高度增大而增大。

4 LNG分層翻滾的預(yù)防措施

通過模擬不同初始密度差下的兩分層翻滾過程，發(fā)現(xiàn)在初始密度差小于臨界密度差時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)的翻滾持續(xù)時(shí)間長；初始密度差大于臨界密度差時(shí)，翻滾持續(xù)時(shí)間不再縮短。結(jié)合已發(fā)生過的LNG翻滾事故和對(duì)LNG翻滾機(jī)理的研究，在實(shí)際的生產(chǎn)操作中可采用以下措施對(duì)LNG翻滾進(jìn)行預(yù)防。

① 不同產(chǎn)地的LNG分別儲(chǔ)存。由于密度差是造成翻滾的最重要因素，不同氣源地的LNG組成和密度都存在不同，所以在儲(chǔ)存時(shí)可將不同產(chǎn)地的LNG分別儲(chǔ)存，減少因密度差不同產(chǎn)生分層，避免翻滾現(xiàn)象產(chǎn)生。這個(gè)方法對(duì)儲(chǔ)罐數(shù)量較多的LNG接收站較便于操作。

② 采用正確的充裝方式。當(dāng)槽車中的LNG密度大于儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG密度時(shí)，選擇從頂部進(jìn)行充裝；當(dāng)槽車中的LNG密度小于儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG密度時(shí)，選擇從底部進(jìn)行充裝。該種充裝方式，能使新進(jìn)LNG與原有的LNG充分混合，避免或者延緩分層的發(fā)生。

③ 采用混合噴嘴及多孔管等設(shè)備進(jìn)行充裝，使液體混合得更均勻，利用攪拌器和潛液泵等設(shè)備，定期開啟，通過攪拌和循環(huán)罐內(nèi)液體，保持罐內(nèi)的液體密度均勻一致，預(yù)防和消除分層的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

① 上、中、下分層密度分別為425 kg/m3、424 kg/m3、423 kg/m3時(shí)，分析三分層各層密度及分界面速度的變化，對(duì)比兩分層與三分層分界面速度隨時(shí)間變化。兩分層高度分別為l m、2 m、3 m時(shí)，分析不同分層高度分界面速度隨時(shí)間變化及臨界密度差的變化。

② 上、中、下分層密度分別為425 kg/m3、424 kg/m3、423 kg/m3時(shí)，各層LNG密度經(jīng)過劇烈變化，600 s后，混合基本結(jié)束，新的分層形成，儲(chǔ)罐內(nèi)液體重回穩(wěn)定狀態(tài)，相鄰層液體的密度差縮小，上中層的密度差約0.6 kg/m3，中下層密度差約為0.5 kg/m3，總體呈現(xiàn)上輕下重的結(jié)構(gòu)。

③ 在相同的儲(chǔ)罐條件下，密度差相同的三分層上分界面速度、下分界面速度均大于兩分層分界面速度，三分層翻滾程度比兩分層劇烈，翻滾持續(xù)時(shí)間更長。

④ 對(duì)于兩分層模型，分層高度分別為l m、2 m、3 m時(shí)，密度差及其他條件相同的情況下，分層高度越大，翻滾開始時(shí)間越晚，翻滾持續(xù)時(shí)間越長。

⑤ 對(duì)兩分層模型，不同分層高度下，隨著層間密度差的增大，翻滾持續(xù)時(shí)間先減小，然后在層間密度差達(dá)到臨界密度差后，趨于不變。兩分層高度分別為l m、2 m、3 m時(shí)，臨界密度差分別為3 kg/m3、4 kg/m3、5 kg/m3。臨界密度差隨分層高度增大而增大。