步勇成, 王 娜, 趙曉丹
(山東建筑大學(xué),山東濟(jì)南250101)
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(chǎng)、密度場(chǎng)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。
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(jiǎn)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(chǎng)和密度場(chǎng)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。
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(zhǎng)。
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(zhǎng);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(zhǎng),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。
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(zhǎng);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。
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(zhǎng)。
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(zhǎng)。
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。