大型LNG儲罐翻滾的數(shù)值模擬與影響因素分析

畢海勝 張慶雷 贠智強(qiáng) 李慧瑤 王志泉 吳鐘旺

1. 青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島 266061;2. 山東省化工研究院, 山東 濟(jì)南 250014

0 前言

隨著LNG產(chǎn)業(yè)鏈的迅速發(fā)展,LNG市場需求量日益增加,近年來LNG儲罐的運行安全也備受關(guān)注[1-2]。在LNG儲存過程中曾發(fā)生過多起由于LNG翻滾而造成的嚴(yán)重事故[3-4],引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。國外學(xué)者Chatterjee N和Geist J M[5]首次提出翻滾模型(即CeG模型),該模型假設(shè)儲罐存在穩(wěn)定的分層和層間密度差異,層間產(chǎn)生等摩爾逆向擴(kuò)散傳質(zhì)。Sugawara Y等人[6]模擬大型LNG儲罐翻滾實驗,其結(jié)果表明LNG液層在完全混合之前,會發(fā)生中間分界面迅速下降現(xiàn)象,即遷移界面[7]。此后Bates S和Morrison D S[8]率先提出三相模型(即Batese-Morrison模型),并將翻滾演變過程分為固定界面、遷移界面和翻滾三個階段。Lukaszewski M W[9]等人提出了一種基于正態(tài)方程的非線性參數(shù)估計的方法,極大地提高了液化天然氣存儲模型的準(zhǔn)確性和預(yù)測的可信度。國內(nèi)學(xué)者程棟、顧安忠等人[10-12]較早地從理論上解釋了LNG儲罐內(nèi)的分層現(xiàn)象與翻滾現(xiàn)象,認(rèn)為分層是由于密度差和裝卸LNG時操作不當(dāng)引起的。王海蓉等人[13-15]建立了異重流模型,模擬翻滾過程的物理特征,研究分層厚度、換熱強(qiáng)度等對翻滾過程的影響規(guī)律。候金偉[16]對LNG儲罐的翻滾過程和氣液界面的傳質(zhì)、傳熱過程進(jìn)行了模擬。程旭東等人[17]通過設(shè)置不同的側(cè)壁熱流密度q和不同的儲罐充滿率對LNG儲罐內(nèi)已經(jīng)分層LNG進(jìn)行模擬。李霞等人[18]以VOF模型為基礎(chǔ),通過模擬分析發(fā)現(xiàn)隨著罐壁處熱流密度的增大,會加速罐內(nèi)自然對流的平均速度,導(dǎo)致翻滾時間相對縮短。曲順利、畢研軍等人[19-20]研究了兩液層間密度差的不同對翻滾過程影響的規(guī)律,提出用翻滾系數(shù)來定量描述翻滾強(qiáng)度。本文基于FLUENT軟件建立大型LNG儲罐二維模型,模擬并探究罐內(nèi)LNG分層與翻滾過程中的物理特征和影響規(guī)律,為LNG儲罐安全運行提供一定的理論指導(dǎo)。

1 LNG儲罐模型建立

在LNG儲存中,泄漏到儲罐中的熱量會導(dǎo)致LNG的密度變化,不同深度LNG之間的密度差異會引發(fā)分層和翻滾。基于FLUENT軟件建立LNG儲罐二維模型并作以下簡化:儲罐內(nèi)液相LNG視為不可壓縮牛頓流體;選取相鄰分層為研究對象,上下分層內(nèi)的LNG密度保持一致,并在開始時均勻混合;對流過程中無能量損失。簡化后的模型和監(jiān)測點見圖1。

圖1 LNG儲罐二維物理模型及其監(jiān)測點示意圖Fig.1 Two-dimensional physical model of LNG storage tankand the monitoring points

直徑為80 m的16×104m3LNG儲罐,初始密度差設(shè)置為1 kg/m3,分層高度設(shè)為1 m。儲罐中上層LNG的密度設(shè)為424 kg/m3,下層LNG的密度設(shè)為423 kg/m3,流體的初始速度為ux=0,uy=0。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 摻混時密度變化分析

FLUENT軟件模擬結(jié)果顯示了100～1 000 s儲罐中LNG在翻滾演化過程中的密度變化,由紅到藍(lán)表示密度由大到小。儲罐內(nèi)LNG分層在不同時刻的密度變化云圖見圖2。

由圖2可知,LNG翻滾演化可分以下三個階段:0～100 s為罐壁處翻滾階段,由于LNG上層密度較大,在重力作用下,上層流體向下擠壓,整個系統(tǒng)的邊緣處由于不穩(wěn)定已經(jīng)開始出現(xiàn)扭曲;100～200 s為翻滾向中心傳遞階段,由于罐壁兩端處液體的混合擾動,中間部分的分層界面也發(fā)生扭曲、波動,上下液層之間逐漸摻混,分界面逐漸不明顯直至消失;200 s以后為新的分層形成階段,在重力的作用下,上下層液體逐漸混合完畢,上層液體下沉至底部,儲罐內(nèi)LNG波動減小,形成新的分層。

圖2 儲罐內(nèi)LNG分層在不同時刻的密度變化云圖Fig.2 Cloud diagrams of density of LNG layersin storage tanks at different times

2.2 摻混時速度變化分析

儲罐內(nèi)LNG分層在不同時刻的速度變化云圖見圖3。圖3顯示了儲罐中LNG在翻滾演化過程中的速度變化,顏色由紅到藍(lán)表示速度由大變小。

圖3 儲罐內(nèi)LNG分層在不同時刻的速度變化云圖Fig.3 Cloud diagrams of the velocity of LNG layersin storage tanks at different times

由圖3可知，100 s時,由于上下層液體的擠壓,管壁處出現(xiàn)小漩渦,上下層液體逐漸混合;100～200 s時,管壁處液體的翻滾對周圍液體產(chǎn)生擾動,使翻滾逐漸向中心傳播,中心位置逐漸出現(xiàn)漩渦,紊亂程度增加;200 s以后,隨著上下層混合結(jié)束,翻滾逐漸停止,儲罐內(nèi)液體趨于平穩(wěn)。

3 LNG翻滾影響因素分析

3.1 初始密度差

初始密度差分別為0.5、1、2、3、4、5 kg/m3,在同一時刻不同密度差時得到的密度云圖也是不同的,取100 s時,初始密度差為0.5、1、2、3、4、5 kg/m3的密度云圖作對比分析,見圖4。

由圖4可知,100 s時:當(dāng)初始密度差為0.5 kg/m3時，LNG上下分層之間由于擠壓的作用,在儲罐邊緣出現(xiàn)輕微混合,但中心部位保持穩(wěn)定;當(dāng)初始密度差為1 kg/m3時,LNG儲罐邊緣混合加劇;隨著初始密度的逐漸增大,上下分層之間的摻混也逐漸加強(qiáng)。因此,初始密度差越大,翻滾發(fā)生的時間越早。

圖4 在100 s時,不同初始密度差的密度云圖Fig.4 Density clouds with different initial densities at 100 s

3.2 初始臨界密度差

對模擬得到的各監(jiān)測點數(shù)據(jù)做如下定義:翻滾開始時間為t0,結(jié)束時間為t,即翻滾時間Δt=t-t0;初始密度差為Δρ0,翻滾過程中的最大密度差Δρmax。在翻滾過程中,各監(jiān)測點密度也隨之變化,密度值波動會出現(xiàn)一個最大值和一個最小值,對9個監(jiān)測點的密度取平均值得到整個翻滾過程中罐內(nèi)LNG的密度波動曲線,見圖5。

圖5 LNG翻滾密度波動曲線圖Fig.5 Fluctuation curve of LNG rolling density

翻滾過程中的最大密度差和翻滾時間的比值可以表征翻滾的劇烈程度,因此定義翻滾系數(shù)f:

(1)

模擬過程中定義罐內(nèi)LNG分層時為0時,對不同的初始密度差通過數(shù)值模擬得到罐內(nèi)LNG開始翻滾和停止翻滾的時間,從而得到不同初始密度差時LNG儲罐翻滾系數(shù)見表1。

表1 直徑為80 m的16×104m3LNG儲罐模擬數(shù)據(jù)表

Tab.1 Numerical Simulation data of a 16×104m3LNG storage tank with a diameter of 80 m

初始密度差/(kg·m-3)起始時間/s截止時間/s翻滾時間/s最大密度差/(kg·m-3)翻滾系數(shù)/(kg·m-3·h-1)0.51073262190.381 71.943 41.0692681990.803 13.561 32.0432331901.531 08.885 93.0391951562.434 813.041 84.032109773.174 638.585 95.01976573.940 266.929 4

取初始密度差為橫坐標(biāo),翻滾系數(shù)為縱坐標(biāo),所得變化曲線見圖6。

圖6 16×104 m3 LNG儲罐翻滾系數(shù)和初始密度差的關(guān)系曲線圖Fig.6 Relation curve between the rollover coefficient of16×104 m3 LNG storage tank and the initial density difference

由圖6可知,翻滾系數(shù)隨著初始密度差的變化而變化。當(dāng)初始密度差小于3.0 kg/m3時,翻滾系數(shù)變化范圍不大,表明儲罐內(nèi)兩種LNG的混合比較平穩(wěn),可以認(rèn)為不發(fā)生翻滾;當(dāng)初始密度差大于3.0 kg/m3時,翻滾系數(shù)急劇增加,表明儲罐內(nèi)兩分層LNG的翻滾程度劇烈。因此,LNG儲罐安全儲存的初始臨界密度差可確定為3.0 kg/m3。

4 儲罐內(nèi)LNG翻滾的原因及預(yù)防措施

4.1 翻滾的原因

在充裝LNG的過程中,由于新充入LNG和罐內(nèi)原有LNG之間的組分和性質(zhì)存在差異,會直接導(dǎo)致充裝之后罐內(nèi)LNG因密度不同出現(xiàn)分層現(xiàn)象。隨著罐壁漏熱的進(jìn)行,罐內(nèi)LNG的不同分層會出現(xiàn)不同程度的傳質(zhì)和傳熱現(xiàn)象,當(dāng)罐內(nèi)上下層LNG密度達(dá)到初始臨界密度差時,會導(dǎo)致翻滾現(xiàn)象的發(fā)生。因此,應(yīng)該從根源處有效地控制罐內(nèi)LNG之間的初始密度差,避免達(dá)到初始臨界密度差而導(dǎo)致翻滾事故的發(fā)生。

4.2 預(yù)防措施

1)控制罐內(nèi)不同LNG的初始密度差,選用與罐內(nèi)原有的LNG性質(zhì)相同或相近的LNG進(jìn)行充裝,杜絕將不同性質(zhì)的LNG進(jìn)行混合儲存?；蛘咴诔溲b新的LNG時,對罐內(nèi)原有的LNG進(jìn)行倒灌清空。

2)減緩儲罐的漏熱。罐內(nèi)LNG因初始密度的不同會產(chǎn)生分層現(xiàn)象,但隨著漏熱的進(jìn)行,當(dāng)達(dá)到初始臨界密度差時才會出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象。加強(qiáng)儲罐的保溫措施，減緩漏熱，能有效避免罐內(nèi)LNG之間的傳質(zhì)傳熱，防止翻滾發(fā)生。

3)選用合理的充裝方式。當(dāng)新沖入LNG密度較小時,可以從儲罐下方進(jìn)行充裝,密度較大時則從儲罐上方進(jìn)行充裝,目的是讓新充入LNG和儲罐原有LNG更好地混合,避免發(fā)生分層。

5 結(jié)論

1)LNG儲罐內(nèi)液相區(qū)分為密度不同的上下兩層,在初始階段由于上下層液體主要通過雙擴(kuò)散方式進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱,因此分界面處較穩(wěn)定。隨著漏熱進(jìn)行,上下層LNG之間的射流和沖擊作用不斷加強(qiáng),則容易導(dǎo)致翻滾現(xiàn)象的發(fā)生。

2)對不同初始密度差下的LNG儲罐進(jìn)行翻滾模擬,用翻滾系數(shù)來表征儲罐內(nèi)LNG翻滾的劇烈程度。結(jié)果顯示翻滾系數(shù)隨初始密度差的變化過程中存在一個轉(zhuǎn)折點,在轉(zhuǎn)折點之前隨初始密度差變化,翻滾系數(shù)變化平穩(wěn),轉(zhuǎn)折點之后翻滾系數(shù)急劇增加,翻滾劇烈。這個轉(zhuǎn)折點為儲罐翻滾的臨界判據(jù),即初始臨界密度差。

3)16×104m3的LNG儲罐發(fā)生翻滾的初始臨界密度差約3.0 kg/m3,在實際的LNG儲罐安全運行時,對LNG進(jìn)行充裝,應(yīng)選用組分和性質(zhì)相同或相近的LNG,采用合理的充裝方式,增強(qiáng)儲罐的保溫措施減少漏熱,盡量減少初始臨界密度差的值來避免分層和翻滾現(xiàn)象的發(fā)生。