限制空間氮?dú)庵脫Q過(guò)程分析與優(yōu)化

鄭震宇，鄧佳佳，譚金元，盧金樹(shù)，薛大文

(浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

0 引 言

當(dāng)今世界環(huán)境惡劣、污染嚴(yán)重，而天然氣因具有燃燒高效、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)被大量使用。由于LNG的產(chǎn)地和需求地不匹配，在兩者間需要有運(yùn)輸環(huán)節(jié)。運(yùn)輸時(shí)，不可避免地會(huì)遇到新液艙或檢修后的液艙，這就需要對(duì)液艙進(jìn)行氣體置換。置換的目標(biāo)是將液艙內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至低于2%，以防止LNG首次進(jìn)入儲(chǔ)罐時(shí)與空氣混合引起爆炸[1]。置換氣體通常采用惰性氣體，常見(jiàn)的惰性氣體有二氧化碳、水蒸氣和氮?dú)猓渲械獨(dú)馐禽^主要的惰性氣體，應(yīng)用廣泛，不僅適用于各種溫度，而且對(duì)管道與裝置的要求也沒(méi)有前兩種氣體苛刻，是工業(yè)生產(chǎn)中較為理想的惰性氣體[2]。由于置換過(guò)程都是在液艙中進(jìn)行的，因此，研究限制空間內(nèi)的氣體置換作業(yè)過(guò)程有利于優(yōu)化液艙的氣體置換設(shè)計(jì)方案，具有很大的工程意義。

常用的氣體置換方法主要包括：混合置換、無(wú)混合置換、真空置換和加壓置換等4 種置換方式[3-4]。混合置換(又稱(chēng)為推移式置換)以其易于實(shí)現(xiàn)、工作效率高的優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。黃光容等[5]發(fā)現(xiàn)增加富氮?dú)怏w流量、提高富氮?dú)怏w中氮?dú)獾暮靠煽s短惰化時(shí)間。KURLE等[6]建立了一個(gè)飛機(jī)燃油箱惰化系統(tǒng)，結(jié)果表明，在相同的操作條件下，當(dāng)惰性氣體流量增加時(shí)，所需惰化時(shí)間減少。王志偉[7]對(duì)燃油箱惰化過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)完成惰化所需氮?dú)鈿怏w量與進(jìn)氣方式和載油率有關(guān)。宋洋[8]經(jīng)研究得出氣體入口速度越快，液貨艙惰化速度越快。然而，這些研究很少提及達(dá)到推移式置換條件時(shí)所需的進(jìn)口面積、形狀和流速帶來(lái)的影響。為此，本文采用CFD數(shù)值仿真方法，建立二維模型，通過(guò)改變進(jìn)氣口徑大小和進(jìn)氣速度，對(duì)長(zhǎng)為10 m、寬為2 m的限制空間進(jìn)行氣體置換數(shù)值模擬，探究進(jìn)口面積、形狀和流速對(duì)推移式置換的影響。

1 模型

1.1 物理模型

某LNG液艙簡(jiǎn)化圖如圖1所示，該液艙長(zhǎng)38 m、寬50 m、高10 m[9]。在液艙頂部設(shè)有一根水平的進(jìn)氣管，進(jìn)氣管上每隔相同距離設(shè)有氣孔。在進(jìn)行液艙惰化時(shí)，氮?dú)鈴臍饪鬃陨隙聡娙耄麄€(gè)液艙中間部分可近似簡(jiǎn)化為由無(wú)數(shù)個(gè)含有氣孔的矩形連接而成，相鄰矩形的結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)相似，可忽略矩形間的影響。取其中一個(gè)矩形進(jìn)行研究，如圖2所示。為便于研究，簡(jiǎn)化后的限制空間長(zhǎng)為10 m、寬為2 m。

圖1 LNG液艙物理模型

圖2 模型簡(jiǎn)化

初始時(shí)，液艙內(nèi)部充滿(mǎn)溫度為300 K，環(huán)境壓力為0 Pa的空氣。充入純氮?dú)膺M(jìn)行置換，通入氮?dú)鉁囟葹?00 K。置換的目標(biāo)是使空間內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2%(為便于研究，忽略空氣中其他稀有氣體)。氮?dú)饧把鯕獾奈镄詤?shù)如表1所示。

表1 氮?dú)饧把鯕馕镄詤?shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

由于實(shí)際置換過(guò)程較為復(fù)雜，現(xiàn)作出如下簡(jiǎn)化：

(1)實(shí)驗(yàn)艙為絕熱系統(tǒng)，暫不考慮系統(tǒng)的熱耦合。

(2)不考慮限制空間內(nèi)的泄漏情況，并將限制空間內(nèi)空氣的成分進(jìn)行簡(jiǎn)化：空氣由21%(體積分?jǐn)?shù))的氧氣和79%(體積分?jǐn)?shù))的氮?dú)饨M成。

(3)在氣體置換過(guò)程中，所需控制方程主要包括質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、組分控制方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[10]。

1.3 模型設(shè)置

利用Gambit 2.4劃分網(wǎng)格，其中限制空間內(nèi)流體區(qū)域設(shè)置為流體(Fluid)，網(wǎng)格尺寸為12 mm，Gambit劃分網(wǎng)格數(shù)量為1.25×105個(gè)。

利用Fluent 15.0進(jìn)行模擬，選擇2D計(jì)算器。模型設(shè)置選擇能量方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。選擇重力場(chǎng)，x方向重力加速度的數(shù)值為9.81 m2/s。

設(shè)置邊界條件和區(qū)域條件。將置換氣體進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口，組分為純氮?dú)猓隹谠O(shè)置為壓力出口，對(duì)稱(chēng)邊界條件。在Solution Methods中，壓力速度耦合選擇SIMPLE。在Solution Controls中，壓力、密度分別取0.3 Pa、1 g/cm3，Momentum、Turbulent Kinetic Energy、Turbulent Viscosity、Energy分別取0.7 kg·m/s、0.8 m2/s2、1 Pa·s、1 J。

對(duì)全區(qū)域進(jìn)行初始化，其中速度為0 m/s,壓力為0 Pa，溫度為300 K，氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%。不設(shè)置臨界收斂值，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，共計(jì)算50 000步，每時(shí)間步迭代20次。

2 模型驗(yàn)證

2.1 計(jì)算模型驗(yàn)證

對(duì)實(shí)驗(yàn)艙[11]的氣體置換過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)比模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)艙為矩形，長(zhǎng)為2.20 m，寬為0.92 m，高為1.22 m。進(jìn)氣口采用速度入口，出氣口采用壓力出口。在計(jì)算過(guò)程中，監(jiān)測(cè)艙內(nèi)氧氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)值，將其與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖3 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

理想的氣體置換氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖如圖4所示，云圖大致可分為3層。在進(jìn)行氣體置換過(guò)程中，氮?dú)夂涂諝獠豢杀苊獾貢?huì)發(fā)生氣體擴(kuò)散，為清晰表達(dá)置換效率，理清對(duì)流和擴(kuò)散兩種機(jī)理在置換過(guò)程中的作用，取氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.5%(空氣和純氮?dú)夂趿恐虚g值)等值面代表對(duì)流推移置換效率，入口到該面的體積與實(shí)際充入氮?dú)饬恳恢?，進(jìn)一步取氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%等值面(置換目標(biāo))及其關(guān)于10.5%等值面的對(duì)稱(chēng)面即氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)19.0%等值面，2.0%與19.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值面之間的距離(厚度)代表擴(kuò)散帶來(lái)的影響。

圖4 氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值面示例

數(shù)值模擬計(jì)算的基本原理是將計(jì)算域離散成多個(gè)控制體，并積分得到代數(shù)方程，迭代計(jì)算得到數(shù)值解。采用CFD軟件對(duì)限制空間的模型進(jìn)行建模并劃分網(wǎng)格，進(jìn)氣時(shí)間為3 s。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小，為減少計(jì)算誤差，取均方根σ的誤差率在2%以?xún)?nèi)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 3 s內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量敏感性分析

表2中：0.8萬(wàn)網(wǎng)格代表網(wǎng)格質(zhì)量為“粗”；3萬(wàn)網(wǎng)格代表網(wǎng)格質(zhì)量為“中”；12萬(wàn)網(wǎng)格代表網(wǎng)格質(zhì)量為“細(xì)”；50萬(wàn)網(wǎng)格代表網(wǎng)格質(zhì)量為“精”。綜合考慮計(jì)算經(jīng)濟(jì)性和計(jì)算準(zhǔn)確性，取網(wǎng)格數(shù)量為126 246(12萬(wàn))個(gè)用于計(jì)算。

2.3 時(shí)間步長(zhǎng)敏感度分析

時(shí)間步長(zhǎng)是指前后兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的差值。在模擬系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)時(shí)往往需設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)，時(shí)間步長(zhǎng)的大小一般取決于系統(tǒng)屬性和模型的目的。由于對(duì)流層高度變化都很小(幾乎沒(méi)有改變)，因此為了更直觀地比較，在時(shí)間步長(zhǎng)分析中只分析擴(kuò)散帶厚度的變化。3種不同時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果如圖5和表3所示。為減少運(yùn)算量、節(jié)約計(jì)算資源，時(shí)間步長(zhǎng)取0.001 0 s。

圖5 時(shí)間步長(zhǎng)敏感度分析結(jié)果對(duì)比

表3 3 s內(nèi)時(shí)間步長(zhǎng)敏感度分析

3 氣體置換模擬及機(jī)理分析

3.1 無(wú)量綱參數(shù)

為更好地顯示不同速度下置換所需的氮?dú)怏w積，引入無(wú)量綱時(shí)間τ，其定義為

(1)

式中:t為原始時(shí)間，s；T為周期，即充入氮?dú)怏w積等于置換空間體積所需的時(shí)間，s。

當(dāng)τ=1時(shí)，代表充入氮?dú)怏w積等于限制空間體積；當(dāng)τ>1時(shí)，代表充入氮?dú)怏w積大于限制空間體積。

3.2 基準(zhǔn)方案結(jié)果分析

取口徑大小占限制空間寬比例為20%、30%和40%，初始速度暫設(shè)定為2 m/s。選取無(wú)量綱時(shí)間τ為0.3、0.6和0.9的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖進(jìn)行對(duì)比分析，如表4所示。

表4 不同進(jìn)氣口直徑下氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

判斷推移式置換的標(biāo)準(zhǔn)為氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)各等值面隨時(shí)間的變化平穩(wěn)移動(dòng)。當(dāng)進(jìn)氣口大小占比為20%時(shí)，限制空間氧氣云圖顯示內(nèi)部氣體氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布雜亂無(wú)章，充入氮?dú)馀c空氣明顯發(fā)生混合，不符合推移式置換要求。在進(jìn)氣口大小占比為30%～40%時(shí)，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖顯示對(duì)流與擴(kuò)散分界線(xiàn)明顯，說(shuō)明增大進(jìn)氣口直徑容易實(shí)現(xiàn)推移式置換。

進(jìn)氣口直徑占比為20%、30%和40%的對(duì)流層與擴(kuò)散層變化如圖6所示。20%工況對(duì)流層隨著時(shí)間的推移變化較小，始終維持在空間頂部，無(wú)法形成平整的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值面。相對(duì)來(lái)說(shuō)，進(jìn)氣口直徑占比為30%和40%的對(duì)流層和擴(kuò)散層運(yùn)動(dòng)規(guī)律明顯。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中，進(jìn)氣口的直徑都較小，因此考慮保持小進(jìn)氣口，并以層層擴(kuò)大的進(jìn)氣方式完成限制空間的氣體置換。

圖6 氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的坐標(biāo)高度

4 優(yōu)化方案及機(jī)理分析

4.1 優(yōu)化結(jié)果

在限制空間上方加裝2個(gè)矩形嵌套，進(jìn)氣口占矩形寬的一定比例，長(zhǎng)度為1 m，進(jìn)氣方式為上進(jìn)下出，進(jìn)氣速度初步設(shè)為2 m/s,其余條件不變。當(dāng)進(jìn)氣口直徑占比為20%時(shí)，優(yōu)化效果明顯。優(yōu)化前后氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖如表5所示。

表5 優(yōu)化前后氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

從表5可知：優(yōu)化后，20%入口比例工況基本實(shí)現(xiàn)推移式置換，優(yōu)化效果明顯。由于空間為對(duì)稱(chēng)邊界，選取中線(xiàn)靠右側(cè)半個(gè)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化前后速度分布對(duì)比，以分析優(yōu)化前后置換效率改變的原因。圖7所示為距進(jìn)氣口0.5 m、1.0 m、2.0 m和3.0 m的平面位置。無(wú)量綱時(shí)間為0.3、0.6和0.9時(shí)的平面速度標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比如圖8所示。由圖8可知：優(yōu)化后各平面的速度標(biāo)準(zhǔn)偏差均有所降低，且0.5 m平面速度標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，最具代表性，因此后續(xù)均選取0.5 m平面進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖7 不同平面位置

圖8 優(yōu)化前后距進(jìn)氣口不同位置速度標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比

4.2 優(yōu)化機(jī)理分析

圖9為優(yōu)化前后距進(jìn)口0.5 m平面的速度分布對(duì)比圖。從圖9可以看出：不同時(shí)刻優(yōu)化后，0.5 m平面速度分布曲線(xiàn)比初始方案更平坦，整體呈“乁”字形；優(yōu)化后速度上拐點(diǎn)提前約50%，說(shuō)明同一位置優(yōu)化后速度下降更快；優(yōu)化后無(wú)明顯的速度下拐點(diǎn)，中間有段區(qū)域優(yōu)化后速度比優(yōu)化前大，但整體曲線(xiàn)后半段較為平坦，說(shuō)明優(yōu)化后整個(gè)平面速度場(chǎng)更均勻，有利于形成推移式置換。圖10為對(duì)應(yīng)速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比，橫坐標(biāo)為優(yōu)化前后無(wú)量綱時(shí)間0.3、0.6和0.9時(shí)刻。從圖10可以看出，優(yōu)化后0.5 m平面速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差平均降低8.5%，最高降低10.8%，最低降低6.6%。

圖9 優(yōu)化前后距進(jìn)口0.5 m處速度分布對(duì)比

圖10 優(yōu)化前后距進(jìn)口0.5 m處速度標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比

圖11和圖12是不同時(shí)刻優(yōu)化前后0.5 m平面氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布曲線(xiàn)和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比圖。從圖11可以看出，優(yōu)化后0.5 m平面質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布明顯較優(yōu)化前均勻，優(yōu)化后氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)拐點(diǎn)同樣提前約50%，說(shuō)明同一位置優(yōu)化后氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)提前升高。在曲線(xiàn)后半段，優(yōu)化后質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于優(yōu)化前并且曲線(xiàn)較平坦，說(shuō)明此時(shí)整個(gè)平面質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度小，平面質(zhì)量分?jǐn)?shù)較為均勻。從圖12可以看出，優(yōu)化后0.5 m平面氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布標(biāo)準(zhǔn)偏差平均降低124.3%，最高降低210.2%，最低降低44%。

圖11 氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖12 氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差

4.3 優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化方案與原始方案完成置換所需的無(wú)量綱時(shí)間對(duì)比如表6所示。在不同速度時(shí)，優(yōu)化方案無(wú)量綱時(shí)間均比基準(zhǔn)方案小，差異較大的20%無(wú)量綱時(shí)間相差在1.58%～11.21%，說(shuō)明方案經(jīng)過(guò)優(yōu)化后明顯節(jié)省氮?dú)饬浚哂幸欢ǖ墓こ桃饬x。

表6 優(yōu)化前后不同進(jìn)氣速度無(wú)量綱時(shí)間對(duì)比

在優(yōu)化方案下，不同進(jìn)氣速度氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如表7所示。當(dāng)速度增大時(shí)，空間內(nèi)易形成漩渦，導(dǎo)致耗氮量增大，說(shuō)明進(jìn)氣速度低時(shí)經(jīng)濟(jì)性好。

表7 優(yōu)化方案下不同進(jìn)氣速度氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

在實(shí)際置換過(guò)程中，最理想的方案是以最少的耗氮量和最短的時(shí)間完成置換。優(yōu)化方案實(shí)際完成置換所需時(shí)間如表8所示，當(dāng)進(jìn)氣速度為2 m/s時(shí)，優(yōu)化效果最明顯，可節(jié)省17%的時(shí)間。因此，優(yōu)化方案可節(jié)省實(shí)際工程時(shí)間，具有可行性。

表8 優(yōu)化前后不同進(jìn)氣速度實(shí)際置換時(shí)間對(duì)比

5 結(jié) 論

基于CFD方法對(duì)限制空間氮?dú)庵脫Q過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同進(jìn)氣方式對(duì)置換效果帶來(lái)的影響，提出相關(guān)優(yōu)化建議。得到結(jié)論如下：

(1)基于CFD方法計(jì)算限制空間內(nèi)的平均氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與文獻(xiàn)試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)吻合較好，說(shuō)明該模型能夠較準(zhǔn)確地模擬限制空間內(nèi)氮?dú)庵脫Q過(guò)程。

(2)進(jìn)氣口越大越容易實(shí)現(xiàn)推移式置換；優(yōu)化方案與原始方案相比可減少約1.58%～11.21%的氮?dú)饬?，最多可縮短17%的置換時(shí)間，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

(3)優(yōu)化方案中減慢進(jìn)氣速度可減少耗氮量，但會(huì)延長(zhǎng)置換時(shí)間。因此，根據(jù)目標(biāo)不同可選擇不同的進(jìn)氣速度。

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)置換過(guò)程各參數(shù)進(jìn)行分析，為提升置換作業(yè)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和安全性，提出如下建議：

(1)在實(shí)際置換作業(yè)過(guò)程中，將氮?dú)膺M(jìn)氣口形狀改裝成矩形嵌套可減少置換所需的氮?dú)饬俊?/p>

(2)雖然適當(dāng)提升進(jìn)氣速度可減少置換時(shí)間，但是流速太高會(huì)使管道內(nèi)的焊渣等可移動(dòng)物體在高速氣流攜帶下運(yùn)動(dòng)，易與管道碰撞，產(chǎn)生電火花[12]，因此進(jìn)氣流速控制在2～5 m/s為宜。