姚 云 張湘鳳 曲順利 王武昌 李玉星

(1中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司 濟(jì)南 250101)

(2中國(guó)石油大學(xué)(華東) 青島 266580)

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)翻滾現(xiàn)象臨界判據(jù)的數(shù)值模擬

姚 云1張湘鳳1曲順利1王武昌2李玉星2

(1中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司 濟(jì)南 250101)

(2中國(guó)石油大學(xué)(華東) 青島 266580)

利用Fluent軟件分別對(duì)160 000、30 000和5 000立方米LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的翻滾現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將翻滾過(guò)程中的密度變化幅值與翻滾時(shí)間的比值定義為翻滾系數(shù)來(lái)表征翻滾的劇烈程度，得到了不同罐容LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的翻滾現(xiàn)象隨初始密度差的變化規(guī)律。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):不同罐容的LNG儲(chǔ)罐均存在一個(gè)翻滾的臨界密度差，當(dāng)初始密度差小于臨界密度差時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)相鄰兩層LNG的混合過(guò)程較為平穩(wěn);當(dāng)儲(chǔ)罐中相鄰兩層LNG的密度差大于臨界密度差時(shí)，翻滾有明顯的加速趨勢(shì)。計(jì)算結(jié)果表明160 000立方米儲(chǔ)罐的臨界密度差區(qū)間為0.78—0.82千克每立方米，30 000和5 000立方米儲(chǔ)罐的臨界密度差區(qū)間為4—5千克每立方米。這些臨界密度差區(qū)間值可作為不同罐容儲(chǔ)罐的分層與翻滾判據(jù)，用于指導(dǎo)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)和實(shí)際工程操作。

LNG儲(chǔ)罐 翻滾 臨界密度差 判據(jù) 數(shù)值模擬

1 引言

LNG儲(chǔ)罐的分層和翻滾對(duì)LNG安全儲(chǔ)存存在很大的威脅［1-2］。為了避免LNG在儲(chǔ)存過(guò)程中發(fā)生分層和翻滾現(xiàn)象，必須采取一定的預(yù)防措施。找到LNG發(fā)生分層和翻滾的判據(jù)，結(jié)合LNG儲(chǔ)罐的密度、溫度等測(cè)量系統(tǒng)對(duì)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)、判定是一種行之有效的方法。在LNG的儲(chǔ)存過(guò)程中，儲(chǔ)罐內(nèi)不同液位處LNG的溫度、密度會(huì)產(chǎn)生變化而出現(xiàn)密度差和溫度差。生產(chǎn)操作中，一般通過(guò)控制LNG儲(chǔ)罐內(nèi)相鄰LNG液體層的密度差和溫度差來(lái)預(yù)防發(fā)生分層和翻滾事故［3-6］。然而，目前關(guān)于產(chǎn)生分層翻滾現(xiàn)象的密度判據(jù)和溫度判據(jù)的研究較少。由于LNG儲(chǔ)罐內(nèi)出現(xiàn)分層是產(chǎn)生翻滾的根本原因［7-11］，溫度的不同只是造成密度發(fā)生變化的原因，因此本文僅針對(duì)翻滾發(fā)生的密度判據(jù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的數(shù)值模擬研究。通過(guò)研究不同初始密度差對(duì)LNG翻滾的影響，得到了LNG儲(chǔ)罐安全儲(chǔ)存的臨界密度差作為儲(chǔ)罐內(nèi)發(fā)生翻滾與否的判據(jù)。當(dāng)儲(chǔ)罐中LNG的密度差小于臨界密度差時(shí)，認(rèn)為這個(gè)密度差條件下的兩種LNG能夠在儲(chǔ)罐中安全儲(chǔ)存，它們的混合不會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐的安全造成危害;當(dāng)儲(chǔ)罐中LNG的密度差大于臨界密度差時(shí)，認(rèn)為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐內(nèi)發(fā)生翻滾，會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐的安全儲(chǔ)存造成威脅，應(yīng)當(dāng)提前采取相應(yīng)的安全措施。

2 物理模型和模擬條件

選取了160 000、30 000和5 000 m3三種罐容的LNG儲(chǔ)罐作為研究對(duì)象，160 000 m3儲(chǔ)罐的直徑為80 m，30 000 m3儲(chǔ)罐的直徑為44 m，5 000 m3儲(chǔ)罐的直徑為22 m。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，數(shù)值模擬中取儲(chǔ)罐內(nèi)兩層相鄰高度各為1 m的LNG分層進(jìn)行研究，且假定每個(gè)分層內(nèi)的密度均勻，分層界面為固定界面。因?yàn)閮H研究密度差對(duì)翻滾的影響，所以不考慮傳熱的影響。為了監(jiān)測(cè)模擬過(guò)程中的密度變化，在模型上設(shè)定了9各監(jiān)測(cè)點(diǎn)。模型和監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖1所示。

對(duì)每一個(gè)儲(chǔ)罐模型的兩個(gè)分層設(shè)定不同密度差，設(shè)定上分層密度為424 kg/m3，高度為1 m，調(diào)整下分層的密度來(lái)設(shè)定不同的密度差對(duì)翻滾過(guò)程進(jìn)行模擬。數(shù)值模擬中采用Fluent軟件中的mixture模型，k-ε方程，邊界條件設(shè)為壁面。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分和初始化后的密度分層云圖如圖2所示。

圖1 LNG儲(chǔ)罐翻滾模擬的物理模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.1 Physical model for rollover phenomenon simulation in LNG tank and its monitoring positions

圖2 LNG儲(chǔ)罐的計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格(上)和初始密度云圖(下)Fig.2 Computer grids(above)and initial density cloud chart(below)of LNG tank

3 結(jié)果分析

對(duì)模擬得到的結(jié)果進(jìn)行處理，在處理過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行以下定義:

(1)初始密度差——初始化之后上下兩分層密度的差值，kg/m3;

(2)翻滾開(kāi)始時(shí)間——各監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度開(kāi)始發(fā)生變化的時(shí)間，s;

(3)翻滾結(jié)束時(shí)間——各監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度趨于穩(wěn)定的時(shí)間，s;

(4)翻滾時(shí)間——翻滾結(jié)束的時(shí)間減去翻滾開(kāi)始的時(shí)間，s;

(5)翻滾過(guò)程中最大密度差——在上述定義的翻滾過(guò)程中監(jiān)測(cè)到的密度變化的最大值和最小值之差，kg/m3;

(6)翻滾系數(shù)——翻滾過(guò)程中最大密度差除以翻滾時(shí)間，即翻滾過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)密度變化，用來(lái)表征儲(chǔ)罐內(nèi)LNG翻滾的劇烈程度，kg/(m3·s)。

3.1 翻滾過(guò)程中密度變化幅值隨初始密度差的變化

翻滾過(guò)程中160 000、30 000和5 000 m3三種LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的密度變化幅值隨初始密度差的變化，如圖3、圖4和圖5所示。可以看出，除了個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)外，不同罐容下，翻滾過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的密度變化幅值基本隨著初始密度差的變化呈線性趨勢(shì)增加，而且從坐標(biāo)值看出，各罐容下線性變化的斜率基本一致，這說(shuō)明初始密度差的大小決定了翻滾過(guò)程中相鄰LNG分層的密度變化范圍的大小，罐容大小基本對(duì)翻滾過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的密度變化幅值沒(méi)有影響。

圖3 翻滾過(guò)程中160 000 m3儲(chǔ)罐的密度變化幅值隨初始密度差的變化曲線Fig.3 Change curves of amplitude for density change along initial density difference during rollover process in 160 000 m3LNG tank

圖4 翻滾過(guò)程中30 000 m3最大密度差隨初始密度差的變化曲線Fig.4 Change curves of maximum density difference along initial density difference during rollover process in 30 000 m3LNG tank

圖5 翻滾過(guò)程中5 000 m3最大密度差隨初始密度差的變化曲線Fig.5 Change curves of maximum density difference along initial density difference during rollover process in 5 000 m3LNG tank

3.2 翻滾過(guò)程中翻滾系數(shù)隨初始密度差的變化

圖6 160 000 m3儲(chǔ)罐的翻滾系數(shù)隨初始密度差的變化曲線Fig.6 Change curves of rollover coefficient along initial density difference in 160 000 m3LNG tank

圖7 30 000 m3儲(chǔ)罐的翻滾系數(shù)隨初始密度差的變化曲線Fig.7 Change curves of rollover coefficient along initial density difference in 30 000 m3LNG tank

圖8 5 000 m3儲(chǔ)罐的翻滾系數(shù)隨初始密度差的變化曲線Fig.8 Change curves of rollover coefficient along initial density difference in 5 000 m3LNG tank

圖6、圖7和圖8分別給出了160 000、30 000和5 000 m3三種LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的翻滾系數(shù)隨初始密度差的變化規(guī)律?？梢钥闯?，不同罐容下，翻滾系數(shù)均隨著初始密度差的增加而增大，但是在初始密度差較小時(shí)翻滾系數(shù)增加較為緩慢，近似于一條水平直線;而在初始密度差超過(guò)一定值時(shí)，翻滾系數(shù)急劇增加，近似于一條斜率為正值的直線。這兩條直線之間存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即是所求的臨界密度差。

由翻滾系數(shù)的定義可知，當(dāng)翻滾系數(shù)隨初始密度差增加而增大較為緩慢時(shí)，表明單位時(shí)間內(nèi)密度變化速度(翻滾系數(shù))的改變較為緩慢，密度差的改變對(duì)翻滾的劇烈程度影響較小。在此密度差范圍內(nèi)的翻滾系數(shù)的值較小，即翻滾過(guò)程不劇烈。因此，在此密度差區(qū)間下，LNG處于安全儲(chǔ)存狀態(tài)。但當(dāng)翻滾系數(shù)隨初始密度差的增加而急劇增大時(shí)，即表示單位時(shí)間內(nèi)密度變化速度(翻滾系數(shù))急劇增加，密度差的改變對(duì)翻滾的劇烈程度影響較大。在此密度差范圍內(nèi)的翻滾系數(shù)的值較大，即翻滾過(guò)程劇烈。因此，可以認(rèn)為在此密度差區(qū)間下，LNG儲(chǔ)存是危險(xiǎn)的，應(yīng)防止這種情況的出現(xiàn)。因此，這兩個(gè)區(qū)間的交點(diǎn)(兩條直線的轉(zhuǎn)折點(diǎn))對(duì)應(yīng)的初始密度差即是臨界密度差。因?yàn)橛?jì)算過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的密度差臨界值有所不同，所以取轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近的密度差區(qū)間作為臨界密度差區(qū)間。

由圖6可以看出，當(dāng)初始密度差小于0.78—0.82 kg/m3區(qū)間時(shí)，翻滾系數(shù)的值很小(＜2)，且變化趨勢(shì)平緩;而當(dāng)初始密度差大于0.78—0.82 kg/m3區(qū)間時(shí)，翻滾系數(shù)急劇上升。因此，取轉(zhuǎn)折點(diǎn)區(qū)間0.78—0.82 kg/m3為160000 m3儲(chǔ)罐的臨界密度差區(qū)間。

由圖7可以看出，當(dāng)初始密度差小于4 kg/m3時(shí)，翻滾系數(shù)在0—10之間變化，雖在密度差小于1時(shí)，翻滾系數(shù)也有所波動(dòng)，但相對(duì)整個(gè)區(qū)間來(lái)說(shuō)波動(dòng)幅度較小。而當(dāng)初始密度差大于5 kg/m3時(shí)，翻滾系數(shù)急劇上升，曲線斜率增大，密度差從4 kg/m3變化到5 kg/m3，翻滾系數(shù)的最大值則增加到了25以上?？梢钥吹竭@兩個(gè)區(qū)間之間轉(zhuǎn)折明顯，因此取轉(zhuǎn)折點(diǎn)區(qū)間4—5 kg/m3為30 000 m3儲(chǔ)罐的臨界密度差區(qū)間。同理，由圖8可得到5 000 m3儲(chǔ)罐的臨界密度差區(qū)間也為4—5 kg/m3。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)160 000、30 000和5 000 m3三種LNG儲(chǔ)罐內(nèi)翻滾現(xiàn)象的數(shù)值模擬，分析了不同初始密度差對(duì)LNG儲(chǔ)罐翻滾規(guī)律的影響，得到以下結(jié)論:

(1)隨著初始密度差的增加，翻滾過(guò)程的密度變化幅值(最大密度差)越大，翻滾系數(shù)也越大，說(shuō)明翻滾越劇烈。

(2)翻滾系數(shù)隨初始密度差的增大，存在一個(gè)明顯的臨界密度差值，即為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐安全儲(chǔ)存的密度判據(jù)。160 000 m3儲(chǔ)罐的臨界密度差值位于0.78—0.82 kg/m3之間，30 000 m3和5 000 m3儲(chǔ)罐的臨界密度差值位于4—5 kg/m3之間。

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Numerical simulation on critical criteria of rollover phenomenon in LNG tank

Yao Yun1Zhang Xiangfeng1Qu Shunli1Wang Wuchang2Li Yuxing2
(1Shandong Chemical Engineering Co.，Ltd，China National offshore Oil Corporation，Jinan 250101，China)
(2China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266580，China)

The rollover phenomenon in LNG tank with 160 000，30 000 and 5 000 cubic meters was simulated by Fluent CFD software respectively.The ratio of density change amplitude and the rollover time during the rollover progress was defined as rollover coefficient，which was used to describe the intensity of rollover in LNG tank.The effects of the initial density difference of the adjacent LNG layers in LNG tank on the rollover were presented.It is found that a critical density difference exists with every LNG tank.When the density difference of adjacent LNG layers in tank is smaller than cirtical value，the mixing progress of the adjacent LNG layer is smoothly.However，when the density difference of adjacent LNG layers in tank is larger than cirtical value，the rollover of adjacent LNG layers becomes more violent.In addition，the calculated results show that the range of the cirtical density difference of 160 000 cubic meters LNG tank is between 0.78-0.82 kg per cubic meters，while the range of critical difference values of 30 000 and 5 000 cubic meters LNG tank are both in the range of 4-5 kg per cubic meters.

LNG tank;rollover;critical density difference;critcal criteria;numerical simulation

TB611

A

1000-6516(2012)06-0037-04

2012-09-12;

2012-12-09

姚 云，女，33歲，博士、工程師。