大型LNG儲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，山東濟南250101)

1 概述

LNG在常壓儲罐中是在常壓、-162 ℃低溫的條件下儲存的，主要的成分是甲烷，其次乙烷、丙烷及氮(N2)等。當向已經存有LNG的儲罐中再次充注新的LNG時，由于后注入LNG和原有LNG密度不同，將會導致分層的發生。LNG的主要成分中，氮組分的沸點最低，但其相對分子質量比甲烷大[1-2]。因此，在儲存過程中，隨著儲罐側壁與底部的不斷漏熱，致使儲罐內溫度不斷升高，存在于下層LNG中的氮組分將優先蒸發，氣體不斷從儲罐底層向上層移動，進而使得下層LNG密度變小，產生分層現象。

儲罐中LNG發生分層后，各層液體間維持相對穩定的狀態，LNG分層后儲罐內的自然對流循環見圖1，在分界面處發生質能交換。上層的LNG密度較小，輕組分的沸點也較低，液體在吸收環境漏熱和從下部傳遞的熱量后，經過蒸發吸熱帶走其中一部分熱量，從而使上層密度持續加大。下層的LNG吸收環境漏熱向上層液體傳遞，密度逐漸減小。在整個傳遞過程中，當上層與下層的密度接近時，兩分層液體混合，下層液體中還未蒸發的LNG將吸熱而加速蒸發，對流循環加劇，儲罐內原本密度不同的兩分層LNG發生翻滾，在翻滾過程中伴隨著大量BOG產生，不斷積聚的氣體使得儲罐內壓力不斷增大，從而有可能引發儲罐安全事故[3-5]。

圖1 LNG分層后儲罐內的自然對流循環

本文擬利用FLUENT對儲罐內的速度場、密度場進行模擬，對LNG的翻滾特性進行分析，得到LNG儲罐翻滾的臨界值。

2 模型建立

① 物理模型建立

對大型LNG儲罐內的分層和翻滾的物理模型簡化如下。

a.選取16×104m3大型LNG儲罐，直徑取80 m，忽略內罐壁厚，建立兩分層二維模型及三分層二維模型。

b.本文研究的是已經分層后的LNG儲罐內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，假設模擬開始時分層已經產生。

c.不考慮氣相部分，只對液相部分進行研究。

d.模擬不考慮傳熱。

e.設LNG的流動符合牛頓內摩擦定律，不考慮流動耗散和黏性耗散。

模擬中采用的LNG物性參數見表1。表1中標準焓是在壓力為101.325 kPa、溫度為111 K條件下。

表1 LNG物性參數

出于對計算量和網格質量的考慮，在計算區域中網格劃分成為結構化網格，兩分層翻滾模型網格總數為16 000，三分層翻滾模型網格總數為24 000，網格劃分見圖2。

圖2網格劃分

② 數學模型的建立

基于Boussinesq假設，通過處理可以得到大型LNG儲罐的分層與翻滾的質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分方程等。

3 LNG翻滾的數值模擬

① 模擬設置和控制參數

a.FLUENT中各項設置

利用Fluent6.3.26進行模擬，選用2d單精度求解。求解器設置：選擇Pressure-Based、時間設置為Unsteady。模型設置：選用多相流模型Mixture,相設置為2個；湍流選擇標準κ-ε湍流模型[6]。材料設置：按表1中LNG的物性參數進行自定義設置。操作條件：操作空間壓力為101 325 Pa；設置重力加速度為9.81 m/s2，方向為y軸負方向。對三分層二維模型，邊界條件和區域條件設置：8個邊界都設置為無滑移的wall；3個區域分別設為3個流體。區域fluid的材料設置：上區域材料設置為液體1，中區域材料設置為液體2，下區域材料設置為液體3，以達到控制不同密度差。求解時間：計算時間為1 000 s。

b.求解控制參數

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。收斂臨界值取默認值，初始化。對全局進行初始化，然后patch中間區域確定相為第二相，Value輸入數值為1，Patch下區域確定為第三相，Value輸入數值為1。

② 不同分層數工況下的翻滾模擬分析

對三分層二維模型，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，各分層內的LNG密度保持均勻一致。對儲罐內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行對比分析。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[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間的變化見圖3，三分層分界面速度隨時間的變化見圖4。

圖3 三分層翻滾模擬中各層密度隨時間的變化

圖4 三分層分界面速度隨時間的變化

由圖3、4可以看出，初始80 s內，重力作用還未打破各層間的分界面，層內還沒開始混合，各層內的密度幾乎保持不變，分界面上的速度近乎為0。80～150 s，因為各層間的密度存在著差異，在重力作用下各層開始混合，擠壓分界面，各層密度發生劇烈變化。150～200 s，中下層之間先進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，混合基本結束，新的分層形成，儲罐內液體重回穩定狀態，各層密度變化很小，穩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，總體呈現上輕下重的結構。

b.分層數目對翻滾的影響

兩分層與三分層分界面速度隨時間變化的比較見圖5。

圖5 兩分層與三分層分界面速度隨時間變化的比較

由圖5可以看出，三分層發生翻滾的時間比兩分層稍早，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，三分層的兩個分界面速度均高于兩分層，三分層翻滾更劇烈。三分層結構的翻滾一直持續到600 s后才逐漸平穩，兩分層結構的翻滾在300 s后基本停止。經過比較可知：在容積直徑相同的儲罐條件下，密度差相同的三分層翻滾程度比兩分層劇烈，且翻滾達到穩定的持續時間更長。

③ 不同分層高度對翻滾的影響

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翻滾的影響，設儲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進行數值模擬，兩分層不同分層高度分界面速度隨時間變化見圖6。

圖6 兩分層不同分層高度分界面速度隨時間變化

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，翻滾開始的時間越晚，整個翻滾過程持續的時間越長；分層高度越小，翻滾開始的時間越早，整個翻滾過程持續的時間越短。

b.不同分層高度下臨界密度差的變化

當LNG儲罐內相鄰兩分層的密度差達到某一密度差時，翻滾持續時間不隨密度差的增大而發生變化，該密度差稱為臨界密度差。為了研究不同分層高度對臨界密度差的影響，取分層高度分別為l m、2 m、3 m進行數值模擬，設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時間隨密度差的變化見圖7。

圖7 不同分層高度下翻滾持續時間隨密度差的變化

由圖7可以發現，分層高度為1 m時，翻滾持續時間短，臨界密度差為3 kg/m3；分層高度為2 m時，翻滾持續時間加長，臨界密度差為4 kg/m3；分層高度為3 m時，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分層翻滾的預防措施

通過模擬不同初始密度差下的兩分層翻滾過程，發現在初始密度差小于臨界密度差時，儲罐內的翻滾持續時間長；初始密度差大于臨界密度差時，翻滾持續時間不再縮短。結合已發生過的LNG翻滾事故和對LNG翻滾機理的研究，在實際的生產操作中可采用以下措施對LNG翻滾進行預防。

① 不同產地的LNG分別儲存。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，所以在儲存時可將不同產地的LNG分別儲存，減少因密度差不同產生分層，避免翻滾現象產生。這個方法對儲罐數量較多的LNG接收站較便于操作。

② 采用正確的充裝方式。當槽車中的LNG密度大于儲罐內的LNG密度時，選擇從頂部進行充裝；當槽車中的LNG密度小于儲罐內的LNG密度時，選擇從底部進行充裝。該種充裝方式，能使新進LNG與原有的LNG充分混合，避免或者延緩分層的發生。

③ 采用混合噴嘴及多孔管等設備進行充裝，使液體混合得更均勻，利用攪拌器和潛液泵等設備，定期開啟，通過攪拌和循環罐內液體，保持罐內的液體密度均勻一致，預防和消除分層的產生。

5 結論

① 上、中、下分層密度分別為425 kg/m3、424 kg/m3、423 kg/m3時，分析三分層各層密度及分界面速度的變化，對比兩分層與三分層分界面速度隨時間變化。兩分層高度分別為l m、2 m、3 m時，分析不同分層高度分界面速度隨時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，各層LNG密度經過劇烈變化，600 s后，混合基本結束，新的分層形成，儲罐內液體重回穩定狀態，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，總體呈現上輕下重的結構。

③ 在相同的儲罐條件下，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，翻滾持續時間更長。

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

⑤ 對兩分層模型，不同分層高度下，隨著層間密度差的增大，翻滾持續時間先減小，然后在層間密度差達到臨界密度差后，趨于不變。兩分層高度分別為l m、2 m、3 m時，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。