LNG儲罐內翻滾現象臨界判據的數值模擬

姚 云 張湘鳳 曲順利 王武昌 李玉星

(1中海油山東化學工程有限責任公司 濟南 250101)

(2中國石油大學(華東) 青島 266580)

LNG儲罐內翻滾現象臨界判據的數值模擬

姚 云1張湘鳳1曲順利1王武昌2李玉星2

(1中海油山東化學工程有限責任公司 濟南 250101)

(2中國石油大學(華東) 青島 266580)

利用Fluent軟件分別對160 000、30 000和5 000立方米LNG儲罐內的翻滾現象進行了數值模擬，并將翻滾過程中的密度變化幅值與翻滾時間的比值定義為翻滾系數來表征翻滾的劇烈程度，得到了不同罐容LNG儲罐內的翻滾現象隨初始密度差的變化規(guī)律。研究結果發(fā)現:不同罐容的LNG儲罐均存在一個翻滾的臨界密度差，當初始密度差小于臨界密度差時，儲罐內相鄰兩層LNG的混合過程較為平穩(wěn);當儲罐中相鄰兩層LNG的密度差大于臨界密度差時，翻滾有明顯的加速趨勢。計算結果表明160 000立方米儲罐的臨界密度差區(qū)間為0.78—0.82千克每立方米，30 000和5 000立方米儲罐的臨界密度差區(qū)間為4—5千克每立方米。這些臨界密度差區(qū)間值可作為不同罐容儲罐的分層與翻滾判據，用于指導儲罐設計和實際工程操作。

LNG儲罐 翻滾 臨界密度差 判據 數值模擬

1 引言

LNG儲罐的分層和翻滾對LNG安全儲存存在很大的威脅［1-2］。為了避免LNG在儲存過程中發(fā)生分層和翻滾現象，必須采取一定的預防措施。找到LNG發(fā)生分層和翻滾的判據，結合LNG儲罐的密度、溫度等測量系統(tǒng)對LNG儲罐內的情況進行實時的監(jiān)測、判定是一種行之有效的方法。在LNG的儲存過程中，儲罐內不同液位處LNG的溫度、密度會產生變化而出現密度差和溫度差。生產操作中，一般通過控制LNG儲罐內相鄰LNG液體層的密度差和溫度差來預防發(fā)生分層和翻滾事故［3-6］。然而，目前關于產生分層翻滾現象的密度判據和溫度判據的研究較少。由于LNG儲罐內出現分層是產生翻滾的根本原因［7-11］，溫度的不同只是造成密度發(fā)生變化的原因，因此本文僅針對翻滾發(fā)生的密度判據進行了較為詳細的數值模擬研究。通過研究不同初始密度差對LNG翻滾的影響，得到了LNG儲罐安全儲存的臨界密度差作為儲罐內發(fā)生翻滾與否的判據。當儲罐中LNG的密度差小于臨界密度差時，認為這個密度差條件下的兩種LNG能夠在儲罐中安全儲存，它們的混合不會對儲罐的安全造成危害;當儲罐中LNG的密度差大于臨界密度差時，認為LNG儲罐內發(fā)生翻滾，會對儲罐的安全儲存造成威脅，應當提前采取相應的安全措施。

2 物理模型和模擬條件

選取了160 000、30 000和5 000 m3三種罐容的LNG儲罐作為研究對象，160 000 m3儲罐的直徑為80 m，30 000 m3儲罐的直徑為44 m，5 000 m3儲罐的直徑為22 m。為了簡化計算，數值模擬中取儲罐內兩層相鄰高度各為1 m的LNG分層進行研究，且假定每個分層內的密度均勻，分層界面為固定界面。因為僅研究密度差對翻滾的影響，所以不考慮傳熱的影響。為了監(jiān)測模擬過程中的密度變化，在模型上設定了9各監(jiān)測點。模型和監(jiān)測點如圖1所示。

對每一個儲罐模型的兩個分層設定不同密度差，設定上分層密度為424 kg/m3，高度為1 m，調整下分層的密度來設定不同的密度差對翻滾過程進行模擬。數值模擬中采用Fluent軟件中的mixture模型，k-ε方程，邊界條件設為壁面。計算區(qū)域網格劃分和初始化后的密度分層云圖如圖2所示。

圖1 LNG儲罐翻滾模擬的物理模型及監(jiān)測點位置Fig.1 Physical model for rollover phenomenon simulation in LNG tank and its monitoring positions

圖2 LNG儲罐的計算區(qū)域網格(上)和初始密度云圖(下)Fig.2 Computer grids(above)and initial density cloud chart(below)of LNG tank

3 結果分析

對模擬得到的結果進行處理，在處理過程中對數據參數進行以下定義:

(1)初始密度差——初始化之后上下兩分層密度的差值，kg/m3;

(2)翻滾開始時間——各監(jiān)測點密度開始發(fā)生變化的時間，s;

(3)翻滾結束時間——各監(jiān)測點密度趨于穩(wěn)定的時間，s;

(4)翻滾時間——翻滾結束的時間減去翻滾開始的時間，s;

(5)翻滾過程中最大密度差——在上述定義的翻滾過程中監(jiān)測到的密度變化的最大值和最小值之差，kg/m3;

(6)翻滾系數——翻滾過程中最大密度差除以翻滾時間，即翻滾過程中單位時間內密度變化，用來表征儲罐內LNG翻滾的劇烈程度，kg/(m3·s)。

3.1 翻滾過程中密度變化幅值隨初始密度差的變化

翻滾過程中160 000、30 000和5 000 m3三種LNG儲罐內的密度變化幅值隨初始密度差的變化，如圖3、圖4和圖5所示?？梢钥闯?，除了個別數據點外，不同罐容下，翻滾過程中各監(jiān)測點處的密度變化幅值基本隨著初始密度差的變化呈線性趨勢增加，而且從坐標值看出，各罐容下線性變化的斜率基本一致，這說明初始密度差的大小決定了翻滾過程中相鄰LNG分層的密度變化范圍的大小，罐容大小基本對翻滾過程中各監(jiān)測點處的密度變化幅值沒有影響。

圖3 翻滾過程中160 000 m3儲罐的密度變化幅值隨初始密度差的變化曲線Fig.3 Change curves of amplitude for density change along initial density difference during rollover process in 160 000 m3LNG tank

圖4 翻滾過程中30 000 m3最大密度差隨初始密度差的變化曲線Fig.4 Change curves of maximum density difference along initial density difference during rollover process in 30 000 m3LNG tank

圖5 翻滾過程中5 000 m3最大密度差隨初始密度差的變化曲線Fig.5 Change curves of maximum density difference along initial density difference during rollover process in 5 000 m3LNG tank

3.2 翻滾過程中翻滾系數隨初始密度差的變化

圖6 160 000 m3儲罐的翻滾系數隨初始密度差的變化曲線Fig.6 Change curves of rollover coefficient along initial density difference in 160 000 m3LNG tank

圖7 30 000 m3儲罐的翻滾系數隨初始密度差的變化曲線Fig.7 Change curves of rollover coefficient along initial density difference in 30 000 m3LNG tank

圖8 5 000 m3儲罐的翻滾系數隨初始密度差的變化曲線Fig.8 Change curves of rollover coefficient along initial density difference in 5 000 m3LNG tank

圖6、圖7和圖8分別給出了160 000、30 000和5 000 m3三種LNG儲罐內的翻滾系數隨初始密度差的變化規(guī)律?？梢钥闯觯煌奕菹?，翻滾系數均隨著初始密度差的增加而增大，但是在初始密度差較小時翻滾系數增加較為緩慢，近似于一條水平直線;而在初始密度差超過一定值時，翻滾系數急劇增加，近似于一條斜率為正值的直線。這兩條直線之間存在明顯的轉折點，即是所求的臨界密度差。

由翻滾系數的定義可知，當翻滾系數隨初始密度差增加而增大較為緩慢時，表明單位時間內密度變化速度(翻滾系數)的改變較為緩慢，密度差的改變對翻滾的劇烈程度影響較小。在此密度差范圍內的翻滾系數的值較小，即翻滾過程不劇烈。因此，在此密度差區(qū)間下，LNG處于安全儲存狀態(tài)。但當翻滾系數隨初始密度差的增加而急劇增大時，即表示單位時間內密度變化速度(翻滾系數)急劇增加，密度差的改變對翻滾的劇烈程度影響較大。在此密度差范圍內的翻滾系數的值較大，即翻滾過程劇烈。因此，可以認為在此密度差區(qū)間下，LNG儲存是危險的，應防止這種情況的出現。因此，這兩個區(qū)間的交點(兩條直線的轉折點)對應的初始密度差即是臨界密度差。因為計算過程中，各監(jiān)測點處的密度差臨界值有所不同，所以取轉折點附近的密度差區(qū)間作為臨界密度差區(qū)間。

由圖6可以看出，當初始密度差小于0.78—0.82 kg/m3區(qū)間時，翻滾系數的值很小(＜2)，且變化趨勢平緩;而當初始密度差大于0.78—0.82 kg/m3區(qū)間時，翻滾系數急劇上升。因此，取轉折點區(qū)間0.78—0.82 kg/m3為160000 m3儲罐的臨界密度差區(qū)間。

由圖7可以看出，當初始密度差小于4 kg/m3時，翻滾系數在0—10之間變化，雖在密度差小于1時，翻滾系數也有所波動，但相對整個區(qū)間來說波動幅度較小。而當初始密度差大于5 kg/m3時，翻滾系數急劇上升，曲線斜率增大，密度差從4 kg/m3變化到5 kg/m3，翻滾系數的最大值則增加到了25以上?？梢钥吹竭@兩個區(qū)間之間轉折明顯，因此取轉折點區(qū)間4—5 kg/m3為30 000 m3儲罐的臨界密度差區(qū)間。同理，由圖8可得到5 000 m3儲罐的臨界密度差區(qū)間也為4—5 kg/m3。

4 結論

通過對160 000、30 000和5 000 m3三種LNG儲罐內翻滾現象的數值模擬，分析了不同初始密度差對LNG儲罐翻滾規(guī)律的影響，得到以下結論:

(1)隨著初始密度差的增加，翻滾過程的密度變化幅值(最大密度差)越大，翻滾系數也越大，說明翻滾越劇烈。

(2)翻滾系數隨初始密度差的增大，存在一個明顯的臨界密度差值，即為LNG儲罐安全儲存的密度判據。160 000 m3儲罐的臨界密度差值位于0.78—0.82 kg/m3之間，30 000 m3和5 000 m3儲罐的臨界密度差值位于4—5 kg/m3之間。

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3 Phil Cleaver，Mike Johnson，Ben Ho.A summary of some experimental data on LNG safety［J］.Journal of Hazardous Materials，2007，140:429-438.

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11 侯金偉.LNG儲罐分層與翻滾的數值模擬［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2009:1-8.

Numerical simulation on critical criteria of rollover phenomenon in LNG tank

Yao Yun1Zhang Xiangfeng1Qu Shunli1Wang Wuchang2Li Yuxing2
(1Shandong Chemical Engineering Co.，Ltd，China National offshore Oil Corporation，Jinan 250101，China)
(2China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266580，China)

The rollover phenomenon in LNG tank with 160 000，30 000 and 5 000 cubic meters was simulated by Fluent CFD software respectively.The ratio of density change amplitude and the rollover time during the rollover progress was defined as rollover coefficient，which was used to describe the intensity of rollover in LNG tank.The effects of the initial density difference of the adjacent LNG layers in LNG tank on the rollover were presented.It is found that a critical density difference exists with every LNG tank.When the density difference of adjacent LNG layers in tank is smaller than cirtical value，the mixing progress of the adjacent LNG layer is smoothly.However，when the density difference of adjacent LNG layers in tank is larger than cirtical value，the rollover of adjacent LNG layers becomes more violent.In addition，the calculated results show that the range of the cirtical density difference of 160 000 cubic meters LNG tank is between 0.78-0.82 kg per cubic meters，while the range of critical difference values of 30 000 and 5 000 cubic meters LNG tank are both in the range of 4-5 kg per cubic meters.

LNG tank;rollover;critical density difference;critcal criteria;numerical simulation

TB611

A

1000-6516(2012)06-0037-04

2012-09-12;

2012-12-09

姚 云，女，33歲，博士、工程師。