LNG储罐分层高度对翻滚的影响.docx

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LNG储罐分层高度对翻滚的影响

LNG储罐分层高度对翻滚的影响

1  概述 

随着国家能源结构的调整，LNG作为一种清洁能源已经走进了人们的生活。

煤改气工程、清洁供暖工程的实施导致我国冬季天然气用量的爆发式增长，冬季用气的短缺问题日益严重，由于LNG的清洁和便利运输使得LNG储配站在全国各地大规模建设。

在储运的过程中，LNG很容易因吸热发生分层翻滚现象，导致大量LNG闪蒸，造成严重的经济损失和安全事故，因此研究LNG的分层翻滚特性尤为重要。

文献

［1-5］表明，相邻的两个LNG分层的密度差大于0.5kg/m3或者温度差大于0.2 ℃时，就会发生LNG翻滚。

 国内主要在LNG翻滚模型的建立、分层与翻滚的机理以及分层翻滚的预防

［6-7］等方面进行了研究，而且对分层特性对翻滚的影响研究主要集中在大型LNG接收站

［8-11］，对于储气调峰中常用到的储罐内LNG分层翻滚研究较少。

本文通过建立不同分层高度下的3×104 m3的LNG储罐分层与翻滚模型，研究不同分层高度对LNG翻滚的影响，为储气调峰中常用的LNG储罐的运营和管理提供理论支持。

2  物理模型和数学模型的建立

2.1  物理模型和网格划分 

在实际工程中，为了监测储罐内LNG的状态，常在储罐内竖向上每间隔一定的距离安装温度、密度等测量装置，来观察LNG的物性变化。

通过相邻传感器之间的密度差和温度差来判断是否发生翻滚，实际上就是将储罐分成多个连续等高的分层，可以假定分层现象发生在相邻的两层之间。

 相关研究表明

［12-13］，LNG的长时间储存、不同产地的LNG充入罐内、漏热等都可以形成一定密度差的相邻两层，当密度差达到一定程度时，翻滚现象就会发生。

基于此，将LNG储罐的分层和翻滚模型进行如下简化：

 ①以3×104 m3的大型LNG储罐为例，建立直径为42m，分层高度分别为2m、3m、4m、5m、6m的二维模型，不考虑壁厚。

 ②假设因漏热情况已经造成LNG分层的形成，不考虑罐壁面的传热，忽略气相空间，仅对液相部分进行模拟。

 ③取储罐中相邻的两层为研究对象，上层为LNG-1，下层为LNG-2。

 ④模拟过程中用到的LNG参数见表1、表2，表1中标准焓是在压力为101.325kPa，温度为111K条件下。

表1  LNG的物性参数［10］

表2  LNG的组成和物理性质

⑤研究分层高度对翻滚现象的影响，分别取分层高度为2m、3m、4m、5m、6m的两层。

在翻滚模型的计算区域选用结构化网格划分，网格尺寸为0.1m×0.1m，分层高度为2m、3m、4m、5m、6m时的网格总数分别为16800、25200、33600、21000、50400，分层高度为2m的网格划分见图1。

本次模拟采用了多相流中的mixture模型，仍以分层高度为2m的二分层为例，初始化后的密度云图见图2，图2中密度单位为kg/m3。

图1  分层高度为2m的网格划分

图2  分层高度为2m时初始化后密度云图

 图3是分层高度为2m时密度和分界面速度监测点布置。

在模拟过程中，共设置了21个监测点，分别监测两层密度和分界面速度的变化。

密度监测点a1～a7分布在下层底部，c1～c7分布在上层顶部，分界面速度监测点b1～b7位于上下两层的分界面处。

最后选择每组数据的平均值作为本组的最终数据，例如分界面速度由b1～b7测得值之和除以7得到。

图3  分层高度为2m时密度和分界面速度监测点布置

 2.2  数学模型的建立 

根据Boussinesq假设，通过分析计算得到LNG储罐分层与翻滚所采用的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分方程与k-ε方程等

［14］。

3  模拟计算 

3.1 Fluent中的各项设置 

利用Fluent6.3.26软件进行模拟，选择2D单精度计算器。

求解器设置：

选择类型Pressure-Based、速度形式Absolute、时间UnSteady、2D空间Planar。

模型设置：

湍流模型选择标准模型。

LNG分层翻滚模型选择mixure混合模型。

材料设置：

自定义材料分别按表1录入LNG-1、LNG-2的物性参数。

操作条件设置：

设置了重力加速度为9.81m/s2，方向为y轴的负方向，工作压力为101325Pa。

操作温度设置为111K。

边界条件设置：

因讨论的是二层翻滚的现象，与计算域的边界关系不大，因此将上层LNG的左右两个壁面、下层LNG的左右两个壁面以及上层LNG的顶部和下层LNG的底部设置为无滑移的wall。

区域fluid的材料设置：

上区域设置为LNG-1，下区域设置为LNG-2。

3.2  求解

求解控制参数：

在solutionmethods中，压力速度耦合选择SIMPLE。

Gradient选择leastsquarescellbased,pressure选择secondorder,momentum、energy均选择secondorderupwind。

亚松弛因子：

在solutioncontrols中，pressure、density、bodyforces分别取0.3、1、1，momentum、energy分别取0.7、1.

收敛临界值：

energy取1.0×10-5,其他取0.001.

初始化：

initializationmethods选择standardinitialization，computefrom选择all-zones，对全区域进行初始化，对LNG-2所在的区域进行patch。

设置时间步长0.01s进行计算，总计算时间为1000s，一步设置20次。

4  模拟结果分析 

4.1  不同计算时间、不同分层高度的密度云图 ①80s时，分层高度为2～6m的密度云图 计算时间为80s时，分层高度为2m、3m、4m、5m、6m的密度云图分别见图4a～4e，图4b~4e的图例同图4a，密度单位均为kg/m3。

图4  计算时间为80s时，分层高度为2m、3m、4m、5m、6m的密度云图

 由图4a～4e可知，在计算时间为80s时，分层高度为2m的分层翻滚已经发生了一段时间，壁面处已经完成了混合；分层高度为3m时，上下两层混合的程度弱于分层高度为2m时，但强于分层高度为4m时；分层高度为4m、5m、6m的分层在重力作用下从壁面处开始上下相对运动，但相对运动不太明显。

 ②120s时，分层高度为2～6m的密度云图 计算时间为120s时，分层高度为2m、3m、4m、5m、6m的密度云图分别见图5a～5e，图5a~5e的图例同图4a，密度单位均为kg/m3。

图5  计算时间为120s时，分层高度为2m、3m、4m、5m、6m的密度云图

 由图5a～5e可知，在计算时间为120s时，2m高的分层在重力作用下已经开始剧烈的混合，轻重LNG之间的分层完全被破坏；3m高的分层壁面处LNG已经出现了翻滚现象，且翻滚有向中间发展的趋势；4m、5m、6m高的分层，轻重LNG的分层还没有被破坏，且波动强度随着分层高度的增加逐渐减弱。

 ③160s时，分层高度为2～6m的密度云图 计算时间为160s，分层高度为2m、 3m、4m、5m、6m的密度云图分别见图6a~6e，图6a~6e的图例同图4a，密度单位均为kg/m3。

图6  计算时间为160s时，分层高度为2m、3m、4m、5m、6m的密度云图

 由图6a～6e可知，在计算时间为160s时，分层高度为2m时，翻滚已经快结束，基本上已经形成上轻下重的状况；分层高度为3m时，上下层LNG已经剧烈掺混，且下层底部已经有重LNG堆积；分层高度为4m时，上重下轻的分界面已经被破坏，重LNG（指密度大的LNG）在重力作用下，已经开始向下运动，轻LNG（指密度小的LNG）在重LNG挤压下向上运动，但它的运动程度比分层高度为3m时弱；分层高度为5m和6m时，上重下轻的分界面均没有被破坏，但分层高度为5m的运动更加剧烈。

 综上可知，不同分层高度下，LNG储罐发生翻滚的现象有所不同，分层高度越小，翻滚发生的时间越早；分层高度越大，分界面越难以被破坏，翻滚进行的程度会滞后。

4.2  不同分层高度时监测数据的分析 

4.2.1 不同分层高度时上下监测面的密度差 

分层高度为2m、3m、4m、5m、6m时上下监测面密度差随计算时间的变化分别见图7～11，其中密度差为上监测面的密度减去下监测面的密度。

以密度差开始剧烈变化点作为翻滚的开始点，以翻滚后第一次密度差趋于平稳作为翻滚过程的结束点。

图7  分层高度为2m时上下监测面的密度差

 图8  分层高度为3m时上下监测面的密度差

 图9  分层高度为4m时上下监测面的密度差

 图10  分层高度为5m时上下监测面的密度差

 图11  分层高度为6m时上下监测面的密度差

 由图7可知，分层高度为2m时，60s后翻滚开始， 480s时翻滚过程基本结束，整个过程持续420s，最终上下监测面密度差稳定在-1.42 kg/m3。

 由图8可知，分层高度为3m时，70s后翻滚开始，520s时翻滚过程基本结束，整个过程持续450s，最终上下监测面密度差稳定在-1.33 kg/m3。

 由图9可知，分层高度为4m时，80s后翻滚开始，560s时翻滚过程基本结束，整个过程持续480s，最终上下监测面密度差稳定在-1.02 kg/m3。

 由图10可知，分层高度为5m时，90s后翻滚开始，630s时翻滚过程基本结束，整个过程持续540s，最终上下监测面密度差稳定在-1.09 kg/m3。

 由图11可知，分层高度为6m时，100s后翻滚开始，680s时翻滚过程基本结束，整个过程持续580s，最终上下监测面密度差稳定在-1.09 kg/m3。

 综上所述，不同的分层高度影响LNG储罐分层后发生翻滚的时间，分层高度越大，翻滚持续的时间越长，翻滚产生的潜在威胁越大。

 4.2.2 不同分层高度对最大分界面速度的影响 不同分层高度下分界面速度随时间的变化见图12。

图12  不同分层高度下分界面速度随时间的变化

 由图12可知，当上下监测面密度差一定时，在翻滚的过程中翻滚的剧烈程度不同，具体表现在分界面达到最大速度的时间和最大速度的值不同。

分层高度为2m时，在110s时达到最大分界面速度0.145m/s；分层高度为3m时，在140s时达到最大分界面速度0.155m/s；分层高度为4m时，在150s时达到最大分界面速度0.226m/s；分层高度为5m时，在160s时达到最大分界面速度0.252m/s；分层高度为6m时，在180s时达到最大分界面速度0.308m/s。

综上所述，分层高度越大，翻滚过程中最大分界面速度越大，越具有破坏性，更容易发生安全事故；分层高度对翻滚过程中最大分界面速度出现的时间也有影响，分层高度越大，最大分界面速度出现的时间越滞后。

5  结论和建议 

针对LNG储配站常用的3×104 m3LNG储罐，建立了分层高度为2m、3m、4m、5m、6m的LNG分层翻滚模型，利用Fluent软件进行LNG翻滚的模拟，得到结论：

 ①不同分层高度下，LNG储罐发生翻滚的现象有所不同，分层高度越小，翻滚发生的时间越早；分层高度越大，分界面越难以被破坏，翻滚开始的程度会滞后。

 ②分层高度影响LNG储罐翻滚持续时间，分层高度越大，翻滚持续时间越长，翻滚产生的潜在威胁越大。

 ③分层高度越大，翻滚过程中最大分界面速度越大，越具有破坏性，更容易发生安全事故；分层高度对翻滚过程中最大分界面速度出现的时间也有影响，分层高度越大，最大分界面速度出现的时间越滞后。

 建议：

尽量避免物性参数（密度、温度）相差很大的LNG充装进同一储罐；在运行过程中密切监视储罐内LNG物性参数的变化，尽量避免形成大的分层。

参考文献：

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