大型LNG儲罐翻滾的數值模擬與影響因素分析

畢海勝 張慶雷 贠智強 李慧瑤 王志泉 吳鐘旺

1. 青島科技大學機電工程學院, 山東 青島 266061;2. 山東省化工研究院, 山東 濟南 250014

0 前言

隨著LNG產業鏈的迅速發展,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注[1-2]。在LNG儲存過程中曾發生過多起由于LNG翻滾而造成的嚴重事故[3-4],引起了國內外學者的廣泛關注。國外學者Chatterjee N和Geist J M[5]首次提出翻滾模型(即CeG模型),該模型假設儲罐存在穩定的分層和層間密度差異,層間產生等摩爾逆向擴散傳質。Sugawara Y等人[6]模擬大型LNG儲罐翻滾實驗,其結果表明LNG液層在完全混合之前,會發生中間分界面迅速下降現象,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方程的非線性參數估計的方法,極大地提高了液化天然氣存儲模型的準確性和預測的可信度。國內學者程棟、顧安忠等人[10-12]較早地從理論上解釋了LNG儲罐內的分層現象與翻滾現象,認為分層是由于密度差和裝卸LNG時操作不當引起的。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、換熱強度等對翻滾過程的影響規律。候金偉[16]對LNG儲罐的翻滾過程和氣液界面的傳質、傳熱過程進行了模擬。程旭東等人[17]通過設置不同的側壁熱流密度q和不同的儲罐充滿率對LNG儲罐內已經分層LNG進行模擬。李霞等人[18]以VOF模型為基礎,通過模擬分析發現隨著罐壁處熱流密度的增大,會加速罐內自然對流的平均速度,導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律,提出用翻滾系數來定量描述翻滾強度。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LNG分層與翻滾過程中的物理特征和影響規律,為LNG儲罐安全運行提供一定的理論指導。

1 LNG儲罐模型建立

在LNG儲存中,泄漏到儲罐中的熱量會導致LNG的密度變化,不同深度LNG之間的密度差異會引發分層和翻滾。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。簡化后的模型和監測點見圖1。

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

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

2 模擬結果分析

2.1 摻混時密度變化分析

FLUENT軟件模擬結果顯示了100～1 000 s儲罐中LNG在翻滾演化過程中的密度變化,由紅到藍表示密度由大到小。儲罐內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,整個系統的邊緣處由于不穩定已經開始出現扭曲;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LNG波動減小,形成新的分層。

圖2 儲罐內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,顏色由紅到藍表示速度由大變小。

圖3 儲罐內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生擾動,使翻滾逐漸向中心傳播,中心位置逐漸出現漩渦,紊亂程度增加;200 s以后,隨著上下層混合結束,翻滾逐漸停止,儲罐內液體趨于平穩。

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,在儲罐邊緣出現輕微混合,但中心部位保持穩定;當初始密度差為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。因此,初始密度差越大,翻滾發生的時間越早。

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

對模擬得到的各監測點數據做如下定義:翻滾開始時間為t0,結束時間為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,各監測點密度也隨之變化,密度值波動會出現一個最大值和一個最小值,對9個監測點的密度取平均值得到整個翻滾過程中罐內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f:

(1)

模擬過程中定義罐內LNG分層時為0時,對不同的初始密度差通過數值模擬得到罐內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儲罐翻滾系數見表1。

表1 直徑為80 m的16×104m3LNG儲罐模擬數據表

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/(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,翻滾系數為縱坐標,所得變化曲線見圖6。

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

由圖6可知,翻滾系數隨著初始密度差的變化而變化。當初始密度差小于3.0 kg/m3時,翻滾系數變化范圍不大,表明儲罐內兩種LNG的混合比較平穩,可以認為不發生翻滾;當初始密度差大于3.0 kg/m3時,翻滾系數急劇增加,表明儲罐內兩分層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LNG翻滾的原因及預防措施

4.1 翻滾的原因

在充裝LNG的過程中,由于新充入LNG和罐內原有LNG之間的組分和性質存在差異,會直接導致充裝之后罐內LNG因密度不同出現分層現象。隨著罐壁漏熱的進行,罐內LNG的不同分層會出現不同程度的傳質和傳熱現象,當罐內上下層LNG密度達到初始臨界密度差時,會導致翻滾現象的發生。因此,應該從根源處有效地控制罐內LNG之間的初始密度差,避免達到初始臨界密度差而導致翻滾事故的發生。

4.2 預防措施

1)控制罐內不同LNG的初始密度差,選用與罐內原有的LNG性質相同或相近的LNG進行充裝,杜絕將不同性質的LNG進行混合儲存。或者在充裝新的LNG時,對罐內原有的LNG進行倒灌清空。

2)減緩儲罐的漏熱。罐內LNG因初始密度的不同會產生分層現象,但隨著漏熱的進行,當達到初始臨界密度差時才會出現翻滾現象。加強儲罐的保溫措施，減緩漏熱，能有效避免罐內LNG之間的傳質傳熱，防止翻滾發生。

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

5 結論

1)LNG儲罐內液相區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散方式進行傳質和傳熱,因此分界面處較穩定。隨著漏熱進行,上下層LNG之間的射流和沖擊作用不斷加強,則容易導致翻滾現象的發生。

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

3)16×104m3的LNG儲罐發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進行充裝,應選用組分和性質相同或相近的LNG,采用合理的充裝方式,增強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象的發生。