LNG储罐分层高度对翻滚的影响.docx

1、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

2、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3104m3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

3、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：以3104m3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。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。取储罐中相邻的两层为研究对象，上层为LNG-1，下层为LNG-2。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。

4、表1LNG的物性参数10表2LNG的组成和物理性质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0.1m0.1m，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

5、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a1a7分布在下层底部，c1c7分布在上层顶部，分界面速度监测点b1b7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b1b7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-方程等14。3模拟计算3.1Fluent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Pres

6、sure-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

7、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1.010-5,其他取0.001.初始化：initializationmethods选择standardinitia

8、lization，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80s时，分层高度为26m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4a4e，图4b4e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4a4e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；

9、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。120s时，分层高度为26m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5a5e，图5a5e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5a5e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

10、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。160s时，分层高度为26m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6a6e，图6a6e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6a6e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L

11、NG）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711，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

12、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-1.42kg/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-1.33kg/m3。由图9可知，分层高度为4m时，80s后翻滚开始，5

13、60s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-1.02kg/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-1.09kg/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-1.09kg/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

14、。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

15、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3104m3LNG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：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。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。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

16、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：1刘小丽.中国天然气市场发展现状与特点J.天然气工业，2010，30（7）：1-6.2程旭东，朱兴吉.LNG储罐外墙温度应力分析及预应力筋设计J.石油学报，2012，33（3）：499-505.3杨丝桑，相华.LNG全容储罐保冷系统及其性能探究J.天然气与石油，2016，34（4）：65-69.4王武昌，李玉星，孙法峰，等.大型LNG储罐内压力及蒸发率的影响因素分析J.天然

17、气工业，2010，30（7）：87-92.5王建芳，唐永科，刘彬彬.环境温度对车载LNG低温绝热气瓶日蒸发率影响的实验研究J.山西科技，2014（4）：40-42.6王良军，刘扬.大型储罐内LNG翻滚机理和预防措施J.天然气工业，2008，28（5）：97-99.7温杰贵，吴小飞.液化天然气储罐LNG的翻滚机理和预防措施J.油气储运，2012，31（s1）：157-159.8曲顺利，李玉星，李政龙，等.大型LNG储罐翻滚的影响因素J.油气储运，2015，34（3）：258-261.9王萍，彭文山，曹学文，等.大型LNG储罐储液翻滚特性的多阶段研究J.石油工程建设，2016，42（1）：14-20.10王萍，曹学文，彭文山，等.大型LNG储罐储液分层特性对翻滚的影响分析J.石油工程建设，2015，41（4）：1-6.11孙福涛，蒲亮，齐迪.大型LNG储罐分层破坏及翻滚过程的数值研究J.低温工程，2017（1）：47-53.12王良军，刘扬.大型储罐内LNG翻滚机理和预防措施J.天然气工业，2008，28（5）：97-99.13余霆.大型全容式LNG储罐的漏热分析（硕士学位论文）D.北京：中国石油大学（北京），2010：10-27.14乔国发.影响LNG储存容器蒸发率因素的研究（硕士学位论文）D.青岛：中国石油大学（华东），2007：34-37.