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(chǎng)需求量日益增加,近年來LNG儲(chǔ)罐的運(yùn)行安全也備受關(guān)注[1-2]。在LNG儲(chǔ)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(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。國(guó)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(chǔ)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(chǔ)罐翻滾實(shí)驗(yàn),其結(jié)果表明LNG液層在完全混合之前,會(huì)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(gè)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(jì)的方法,極大地提高了液化天然氣存儲(chǔ)模型的準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)的可信度。國(guó)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(chǔ)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(shí)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(duì)翻滾過程的影響規(guī)律。候金偉[16]對(duì)LNG儲(chǔ)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(chǔ)罐充滿率對(duì)LNG儲(chǔ)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(huì)加速罐內(nèi)自然對(duì)流的平均速度,導(dǎo)致翻滾時(shí)間相對(duì)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(duì)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(chǔ)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L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐安全運(yùn)行提供一定的理論指導(dǎo)。

1 LNG儲(chǔ)罐模型建立

在LNG儲(chǔ)存中,泄漏到儲(chǔ)罐中的熱量會(huì)導(dǎo)致LNG的密度變化,不同深度LNG之間的密度差異會(huì)引發(fā)分層和翻滾。基于FLUENT軟件建立LNG儲(chǔ)罐二維模型并作以下簡(jiǎn)化:儲(chǔ)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(duì)象,上下分層內(nèi)的LNG密度保持一致,并在開始時(shí)均勻混合;對(duì)流過程中無能量損失。簡(jiǎn)化后的模型和監(jiān)測(cè)點(diǎn)見圖1。

圖1 LNG儲(chǔ)罐二維物理模型及其監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(chǔ)罐,初始密度差設(shè)置為1 kg/m3,分層高度設(shè)為1 m。儲(chǔ)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(shí)密度變化分析

FLUENT軟件模擬結(jié)果顯示了100～1 000 s儲(chǔ)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(chǔ)罐內(nèi)LNG分層在不同時(shí)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(gè)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(gè)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(dòng),中間部分的分層界面也發(fā)生扭曲、波動(dòng),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(chǔ)罐內(nèi)LNG波動(dòng)減小,形成新的分層。

圖2 儲(chǔ)罐內(nèi)LNG分層在不同時(shí)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(shí)速度變化分析

儲(chǔ)罐內(nèi)LNG分層在不同時(shí)刻的速度變化云圖見圖3。圖3顯示了儲(chǔ)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(chǔ)罐內(nèi)LNG分層在不同時(shí)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(shí),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(shí),管壁處液體的翻滾對(duì)周圍液體產(chǎn)生擾動(dòng),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(chǔ)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(shí)刻不同密度差時(shí)得到的密度云圖也是不同的,取100 s時(shí),初始密度差為0.5、1、2、3、4、5 kg/m3的密度云圖作對(duì)比分析,見圖4。

由圖4可知,100 s時(shí):當(dāng)初始密度差為0.5 kg/m3時(shí)，LNG上下分層之間由于擠壓的作用,在儲(chǔ)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(shí),LNG儲(chǔ)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(shí)間越早。

圖4 在100 s時(shí),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(duì)模擬得到的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)做如下定義:翻滾開始時(shí)間為t0,結(jié)束時(shí)間為t,即翻滾時(shí)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(cè)點(diǎn)密度也隨之變化,密度值波動(dòng)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值和一個(gè)最小值,對(duì)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的密度取平均值得到整個(gè)翻滾過程中罐內(nèi)LNG的密度波動(dòng)曲線,見圖5。

圖5 LNG翻滾密度波動(dòng)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(shí)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(shí)為0時(shí),對(duì)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(shí)間,從而得到不同初始密度差時(shí)LNG儲(chǔ)罐翻滾系數(shù)見表1。

表1 直徑為80 m的16×104m3LNG儲(chǔ)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(shí)間/s截止時(shí)間/s翻滾時(shí)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(chǔ)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(shí),翻滾系數(shù)變化范圍不大,表明儲(chǔ)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(shí),翻滾系數(shù)急劇增加,表明儲(chǔ)罐內(nèi)兩分層LNG的翻滾程度劇烈。因此,LNG儲(chǔ)罐安全儲(chǔ)存的初始臨界密度差可確定為3.0 kg/m3。

4 儲(chǔ)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(huì)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(huì)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(shí),會(huì)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(chǔ)存?；蛘咴诔溲b新的LNG時(shí),對(duì)罐內(nèi)原有的LNG進(jìn)行倒灌清空。

2)減緩儲(chǔ)罐的漏熱。罐內(nèi)LNG因初始密度的不同會(huì)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(shí)才會(huì)出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象。加強(qiáng)儲(chǔ)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(shí),可以從儲(chǔ)罐下方進(jìn)行充裝,密度較大時(shí)則從儲(chǔ)罐上方進(jìn)行充裝,目的是讓新充入LNG和儲(chǔ)罐原有LNG更好地混合,避免發(fā)生分層。

5 結(jié)論

1)LNG儲(chǔ)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(duì)不同初始密度差下的LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行翻滾模擬,用翻滾系數(shù)來表征儲(chǔ)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(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),在轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前隨初始密度差變化,翻滾系數(shù)變化平穩(wěn),轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后翻滾系數(shù)急劇增加,翻滾劇烈。這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)為儲(chǔ)罐翻滾的臨界判據(jù),即初始臨界密度差。

3)16×104m3的LNG儲(chǔ)罐發(fā)生翻滾的初始臨界密度差約3.0 kg/m3,在實(shí)際的LNG儲(chǔ)罐安全運(yùn)行時(shí),對(duì)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(chǔ)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。