大型LNG储罐翻滚两分层和三分层模型模拟

步勇成， 王 娜， 赵晓丹

(山东建筑大学，山东济南250101)

1 概述

LNG在常压储罐中是在常压、-162 ℃低温的条件下储存的，主要的成分是甲烷，其次乙烷、丙烷及氮(N2)等。当向已经存有LNG的储罐中再次充注新的LNG时，由于后注入LNG和原有LNG密度不同，将会导致分层的发生。LNG的主要成分中，氮组分的沸点最低，但其相对分子质量比甲烷大[1-2]。因此，在储存过程中，随着储罐侧壁与底部的不断漏热，致使储罐内温度不断升高，存在于下层LNG中的氮组分将优先蒸发，气体不断从储罐底层向上层移动，进而使得下层LNG密度变小，产生分层现象。

储罐中LNG发生分层后，各层液体间维持相对稳定的状态，LNG分层后储罐内的自然对流循环见图1，在分界面处发生质能交换。上层的LNG密度较小，轻组分的沸点也较低，液体在吸收环境漏热和从下部传递的热量后，经过蒸发吸热带走其中一部分热量，从而使上层密度持续加大。下层的LNG吸收环境漏热向上层液体传递，密度逐渐减小。在整个传递过程中，当上层与下层的密度接近时，两分层液体混合，下层液体中还未蒸发的LNG将吸热而加速蒸发，对流循环加剧，储罐内原本密度不同的两分层LNG发生翻滚，在翻滚过程中伴随着大量BOG产生，不断积聚的气体使得储罐内压力不断增大，从而有可能引发储罐安全事故[3-5]。

图1 LNG分层后储罐内的自然对流循环

本文拟利用FLUENT对储罐内的速度场、密度场进行模拟，对LNG的翻滚特性进行分析，得到LNG储罐翻滚的临界值。

2 模型建立

① 物理模型建立

对大型LNG储罐内的分层和翻滚的物理模型简化如下。

a.选取16×104m3大型LNG储罐，直径取80 m，忽略内罐壁厚，建立两分层二维模型及三分层二维模型。

b.本文研究的是已经分层后的LNG储罐内速度场和密度场的变化情况，不分析造成分层的原因和过程，假设模拟开始时分层已经产生。

c.不考虑气相部分，只对液相部分进行研究。

d.模拟不考虑传热。

e.设LNG的流动符合牛顿内摩擦定律，不考虑流动耗散和黏性耗散。

模拟中采用的LNG物性参数见表1。表1中标准焓是在压力为101.325 kPa、温度为111 K条件下。

表1 LNG物性参数

出于对计算量和网格质量的考虑，在计算区域中网格划分成为结构化网格，两分层翻滚模型网格总数为16 000，三分层翻滚模型网格总数为24 000，网格划分见图2。

图2网格划分

② 数学模型的建立

基于Boussinesq假设，通过处理可以得到大型LNG储罐的分层与翻滚的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分方程等。

3 LNG翻滚的数值模拟

① 模拟设置和控制参数

a.FLUENT中各项设置

利用Fluent6.3.26进行模拟，选用2d单精度求解。求解器设置：选择Pressure-Based、时间设置为Unsteady。模型设置：选用多相流模型Mixture,相设置为2个；湍流选择标准κ-ε湍流模型[6]。材料设置：按表1中LNG的物性参数进行自定义设置。操作条件：操作空间压力为101 325 Pa；设置重力加速度为9.81 m/s2，方向为y轴负方向。对三分层二维模型，边界条件和区域条件设置：8个边界都设置为无滑移的wall；3个区域分别设为3个流体。区域fluid的材料设置：上区域材料设置为液体1，中区域材料设置为液体2，下区域材料设置为液体3，以达到控制不同密度差。求解时间：计算时间为1 000 s。

b.求解控制参数

在Solution Methods中，压力速度耦合选择SIMPLE。Gradient选择Least Squares Cell Based，Pressure选择Second Order，Momentum、Energy均选择Second Order Upwind。亚松弛因子：在Solution Controls中，Pressure、Density、Body Forces分别取0.3、1、1，Momentum、Energy分别取0.7、1。收敛临界值取默认值，初始化。对全局进行初始化，然后patch中间区域确定相为第二相，Value输入数值为1，Patch下区域确定为第三相，Value输入数值为1。

② 不同分层数工况下的翻滚模拟分析

对三分层二维模型，选取初始密度差为1 kg/m3，分层高度为2 m，上、中、下分层密度分别为425 kg/m3、424 kg/m3、423 kg/m3，各分层内的LNG密度保持均匀一致。对储罐内LNG三分层的翻滚过程模拟，并将两分层、三分层的分界面速度进行对比分析。LNG两分层中上分层为液体1，下分层为液体2的模拟及分析参见文献[7]。

a.三分层工况模拟分析

三分层翻滚模拟中各层密度随时间的变化见图3，三分层分界面速度随时间的变化见图4。

图3 三分层翻滚模拟中各层密度随时间的变化

图4 三分层分界面速度随时间的变化

由图3、4可以看出，初始80 s内，重力作用还未打破各层间的分界面，层内还没开始混合，各层内的密度几乎保持不变，分界面上的速度近乎为0。80～150 s，因为各层间的密度存在着差异，在重力作用下各层开始混合，挤压分界面，各层密度发生剧烈变化。150～200 s，中下层之间先进行混合再与上层混合，所以下分界面的速度略高于上分界面，这一阶段各层密度变化剧烈，分界面速度达到最大值。200～600 s，三分层间的液体仍在混合翻滚，但在前期剧烈混合后，三分层间的密度差变小，混合的动力减小，翻滚的剧烈程度降低，各层密度变化减小，分界面速度减慢。600 s后，混合基本结束，新的分层形成，储罐内液体重回稳定状态，各层密度变化很小，稳定后相邻层液体的密度差缩小，上层密度低，上中层的密度差约0.6 kg/m3，与下层密度相比，中层密度低于下层密度，中下层密度差约为0.5 kg/m3，总体呈现上轻下重的结构。

b.分层数目对翻滚的影响

两分层与三分层分界面速度随时间变化的比较见图5。

图5 两分层与三分层分界面速度随时间变化的比较

由图5可以看出，三分层发生翻滚的时间比两分层稍早，三分层下分界面的最大速度约为0.15 m/s，上分界面的最大速度约为0.12 m/s，两分层分界面最大速度约为0.095 m/s，三分层的两个分界面速度均高于两分层，三分层翻滚更剧烈。三分层结构的翻滚一直持续到600 s后才逐渐平稳，两分层结构的翻滚在300 s后基本停止。经过比较可知：在容积直径相同的储罐条件下，密度差相同的三分层翻滚程度比两分层剧烈，且翻滚达到稳定的持续时间更长。

③ 不同分层高度对翻滚的影响

a.相同密度差下同分层高度的影响

为了研究不同分层高度对翻滚的影响，设储罐中两分层的初始密度差为1 kg/m3，上下层密度分别为425 kg/m3、424 kg/m3，取其分层高度分别为l m、2 m、3 m进行数值模拟，两分层不同分层高度分界面速度随时间变化见图6。

图6 两分层不同分层高度分界面速度随时间变化

由图6可以看出，密度差及其他条件相同的情况下，分层高度越大，翻滚开始的时间越晚，整个翻滚过程持续的时间越长；分层高度越小，翻滚开始的时间越早，整个翻滚过程持续的时间越短。

b.不同分层高度下临界密度差的变化

当LNG储罐内相邻两分层的密度差达到某一密度差时，翻滚持续时间不随密度差的增大而发生变化，该密度差称为临界密度差。为了研究不同分层高度对临界密度差的影响，取分层高度分别为l m、2 m、3 m进行数值模拟，设两分层的初始密度差分别为1 kg/m3、1.5 kg/m3、2 kg/m3、3 kg/m3、4 kg/m3、5 kg/m3、8 kg/m3。不同分层高度下翻滚持续时间随密度差的变化见图7。

图7 不同分层高度下翻滚持续时间随密度差的变化

由图7可以发现，分层高度为1 m时，翻滚持续时间短，临界密度差为3 kg/m3；分层高度为2 m时，翻滚持续时间加长，临界密度差为4 kg/m3；分层高度为3 m时，临界密度差为5 kg/m3。临界密度差随分层高度增大而增大。

4 LNG分层翻滚的预防措施

通过模拟不同初始密度差下的两分层翻滚过程，发现在初始密度差小于临界密度差时，储罐内的翻滚持续时间长；初始密度差大于临界密度差时，翻滚持续时间不再缩短。结合已发生过的LNG翻滚事故和对LNG翻滚机理的研究，在实际的生产操作中可采用以下措施对LNG翻滚进行预防。

① 不同产地的LNG分别储存。由于密度差是造成翻滚的最重要因素，不同气源地的LNG组成和密度都存在不同，所以在储存时可将不同产地的LNG分别储存，减少因密度差不同产生分层，避免翻滚现象产生。这个方法对储罐数量较多的LNG接收站较便于操作。

② 采用正确的充装方式。当槽车中的LNG密度大于储罐内的LNG密度时，选择从顶部进行充装；当槽车中的LNG密度小于储罐内的LNG密度时，选择从底部进行充装。该种充装方式，能使新进LNG与原有的LNG充分混合，避免或者延缓分层的发生。

③ 采用混合喷嘴及多孔管等设备进行充装，使液体混合得更均匀，利用搅拌器和潜液泵等设备，定期开启，通过搅拌和循环罐内液体，保持罐内的液体密度均匀一致，预防和消除分层的产生。

5 结论

① 上、中、下分层密度分别为425 kg/m3、424 kg/m3、423 kg/m3时，分析三分层各层密度及分界面速度的变化，对比两分层与三分层分界面速度随时间变化。两分层高度分别为l m、2 m、3 m时，分析不同分层高度分界面速度随时间变化及临界密度差的变化。

② 上、中、下分层密度分别为425 kg/m3、424 kg/m3、423 kg/m3时，各层LNG密度经过剧烈变化，600 s后，混合基本结束，新的分层形成，储罐内液体重回稳定状态，相邻层液体的密度差缩小，上中层的密度差约0.6 kg/m3，中下层密度差约为0.5 kg/m3，总体呈现上轻下重的结构。

③ 在相同的储罐条件下，密度差相同的三分层上分界面速度、下分界面速度均大于两分层分界面速度，三分层翻滚程度比两分层剧烈，翻滚持续时间更长。

④ 对于两分层模型，分层高度分别为l m、2 m、3 m时，密度差及其他条件相同的情况下，分层高度越大，翻滚开始时间越晚，翻滚持续时间越长。

⑤ 对两分层模型，不同分层高度下，随着层间密度差的增大，翻滚持续时间先减小，然后在层间密度差达到临界密度差后，趋于不变。两分层高度分别为l m、2 m、3 m时，临界密度差分别为3 kg/m3、4 kg/m3、5 kg/m3。临界密度差随分层高度增大而增大。