LNG储罐内翻滚现象临界判据的数值模拟

姚 云 张湘凤 曲顺利 王武昌 李玉星

(1中海油山东化学工程有限责任公司 济南 250101)

(2中国石油大学(华东) 青岛 266580)

LNG储罐内翻滚现象临界判据的数值模拟

姚 云1张湘凤1曲顺利1王武昌2李玉星2

(1中海油山东化学工程有限责任公司 济南 250101)

(2中国石油大学(华东) 青岛 266580)

利用Fluent软件分别对160 000、30 000和5 000立方米LNG储罐内的翻滚现象进行了数值模拟，并将翻滚过程中的密度变化幅值与翻滚时间的比值定义为翻滚系数来表征翻滚的剧烈程度，得到了不同罐容LNG储罐内的翻滚现象随初始密度差的变化规律。研究结果发现:不同罐容的LNG储罐均存在一个翻滚的临界密度差，当初始密度差小于临界密度差时，储罐内相邻两层LNG的混合过程较为平稳;当储罐中相邻两层LNG的密度差大于临界密度差时，翻滚有明显的加速趋势。计算结果表明160 000立方米储罐的临界密度差区间为0.78—0.82千克每立方米，30 000和5 000立方米储罐的临界密度差区间为4—5千克每立方米。这些临界密度差区间值可作为不同罐容储罐的分层与翻滚判据，用于指导储罐设计和实际工程操作。

LNG储罐 翻滚 临界密度差 判据 数值模拟

1 引言

LNG储罐的分层和翻滚对LNG安全储存存在很大的威胁［1-2］。为了避免LNG在储存过程中发生分层和翻滚现象，必须采取一定的预防措施。找到LNG发生分层和翻滚的判据，结合LNG储罐的密度、温度等测量系统对LNG储罐内的情况进行实时的监测、判定是一种行之有效的方法。在LNG的储存过程中，储罐内不同液位处LNG的温度、密度会产生变化而出现密度差和温度差。生产操作中，一般通过控制LNG储罐内相邻LNG液体层的密度差和温度差来预防发生分层和翻滚事故［3-6］。然而，目前关于产生分层翻滚现象的密度判据和温度判据的研究较少。由于LNG储罐内出现分层是产生翻滚的根本原因［7-11］，温度的不同只是造成密度发生变化的原因，因此本文仅针对翻滚发生的密度判据进行了较为详细的数值模拟研究。通过研究不同初始密度差对LNG翻滚的影响，得到了LNG储罐安全储存的临界密度差作为储罐内发生翻滚与否的判据。当储罐中LNG的密度差小于临界密度差时，认为这个密度差条件下的两种LNG能够在储罐中安全储存，它们的混合不会对储罐的安全造成危害;当储罐中LNG的密度差大于临界密度差时，认为LNG储罐内发生翻滚，会对储罐的安全储存造成威胁，应当提前采取相应的安全措施。

2 物理模型和模拟条件

选取了160 000、30 000和5 000 m3三种罐容的LNG储罐作为研究对象，160 000 m3储罐的直径为80 m，30 000 m3储罐的直径为44 m，5 000 m3储罐的直径为22 m。为了简化计算，数值模拟中取储罐内两层相邻高度各为1 m的LNG分层进行研究，且假定每个分层内的密度均匀，分层界面为固定界面。因为仅研究密度差对翻滚的影响，所以不考虑传热的影响。为了监测模拟过程中的密度变化，在模型上设定了9各监测点。模型和监测点如图1所示。

对每一个储罐模型的两个分层设定不同密度差，设定上分层密度为424 kg/m3，高度为1 m，调整下分层的密度来设定不同的密度差对翻滚过程进行模拟。数值模拟中采用Fluent软件中的mixture模型，k-ε方程，边界条件设为壁面。计算区域网格划分和初始化后的密度分层云图如图2所示。

图1 LNG储罐翻滚模拟的物理模型及监测点位置Fig.1 Physical model for rollover phenomenon simulation in LNG tank and its monitoring positions

图2 LNG储罐的计算区域网格(上)和初始密度云图(下)Fig.2 Computer grids(above)and initial density cloud chart(below)of LNG tank

3 结果分析

对模拟得到的结果进行处理，在处理过程中对数据参数进行以下定义:

(1)初始密度差——初始化之后上下两分层密度的差值，kg/m3;

(2)翻滚开始时间——各监测点密度开始发生变化的时间，s;

(3)翻滚结束时间——各监测点密度趋于稳定的时间，s;

(4)翻滚时间——翻滚结束的时间减去翻滚开始的时间，s;

(5)翻滚过程中最大密度差——在上述定义的翻滚过程中监测到的密度变化的最大值和最小值之差，kg/m3;

(6)翻滚系数——翻滚过程中最大密度差除以翻滚时间，即翻滚过程中单位时间内密度变化，用来表征储罐内LNG翻滚的剧烈程度，kg/(m3·s)。

3.1 翻滚过程中密度变化幅值随初始密度差的变化

翻滚过程中160 000、30 000和5 000 m3三种LNG储罐内的密度变化幅值随初始密度差的变化，如图3、图4和图5所示。可以看出，除了个别数据点外，不同罐容下，翻滚过程中各监测点处的密度变化幅值基本随着初始密度差的变化呈线性趋势增加，而且从坐标值看出，各罐容下线性变化的斜率基本一致，这说明初始密度差的大小决定了翻滚过程中相邻LNG分层的密度变化范围的大小，罐容大小基本对翻滚过程中各监测点处的密度变化幅值没有影响。

图3 翻滚过程中160 000 m3储罐的密度变化幅值随初始密度差的变化曲线Fig.3 Change curves of amplitude for density change along initial density difference during rollover process in 160 000 m3LNG tank

图4 翻滚过程中30 000 m3最大密度差随初始密度差的变化曲线Fig.4 Change curves of maximum density difference along initial density difference during rollover process in 30 000 m3LNG tank

图5 翻滚过程中5 000 m3最大密度差随初始密度差的变化曲线Fig.5 Change curves of maximum density difference along initial density difference during rollover process in 5 000 m3LNG tank

3.2 翻滚过程中翻滚系数随初始密度差的变化

图6 160 000 m3储罐的翻滚系数随初始密度差的变化曲线Fig.6 Change curves of rollover coefficient along initial density difference in 160 000 m3LNG tank

图7 30 000 m3储罐的翻滚系数随初始密度差的变化曲线Fig.7 Change curves of rollover coefficient along initial density difference in 30 000 m3LNG tank

图8 5 000 m3储罐的翻滚系数随初始密度差的变化曲线Fig.8 Change curves of rollover coefficient along initial density difference in 5 000 m3LNG tank

图6、图7和图8分别给出了160 000、30 000和5 000 m3三种LNG储罐内的翻滚系数随初始密度差的变化规律。可以看出，不同罐容下，翻滚系数均随着初始密度差的增加而增大，但是在初始密度差较小时翻滚系数增加较为缓慢，近似于一条水平直线;而在初始密度差超过一定值时，翻滚系数急剧增加，近似于一条斜率为正值的直线。这两条直线之间存在明显的转折点，即是所求的临界密度差。

由翻滚系数的定义可知，当翻滚系数随初始密度差增加而增大较为缓慢时，表明单位时间内密度变化速度(翻滚系数)的改变较为缓慢，密度差的改变对翻滚的剧烈程度影响较小。在此密度差范围内的翻滚系数的值较小，即翻滚过程不剧烈。因此，在此密度差区间下，LNG处于安全储存状态。但当翻滚系数随初始密度差的增加而急剧增大时，即表示单位时间内密度变化速度(翻滚系数)急剧增加，密度差的改变对翻滚的剧烈程度影响较大。在此密度差范围内的翻滚系数的值较大，即翻滚过程剧烈。因此，可以认为在此密度差区间下，LNG储存是危险的，应防止这种情况的出现。因此，这两个区间的交点(两条直线的转折点)对应的初始密度差即是临界密度差。因为计算过程中，各监测点处的密度差临界值有所不同，所以取转折点附近的密度差区间作为临界密度差区间。

由图6可以看出，当初始密度差小于0.78—0.82 kg/m3区间时，翻滚系数的值很小(＜2)，且变化趋势平缓;而当初始密度差大于0.78—0.82 kg/m3区间时，翻滚系数急剧上升。因此，取转折点区间0.78—0.82 kg/m3为160000 m3储罐的临界密度差区间。

由图7可以看出，当初始密度差小于4 kg/m3时，翻滚系数在0—10之间变化，虽在密度差小于1时，翻滚系数也有所波动，但相对整个区间来说波动幅度较小。而当初始密度差大于5 kg/m3时，翻滚系数急剧上升，曲线斜率增大，密度差从4 kg/m3变化到5 kg/m3，翻滚系数的最大值则增加到了25以上。可以看到这两个区间之间转折明显，因此取转折点区间4—5 kg/m3为30 000 m3储罐的临界密度差区间。同理，由图8可得到5 000 m3储罐的临界密度差区间也为4—5 kg/m3。

4 结论

通过对160 000、30 000和5 000 m3三种LNG储罐内翻滚现象的数值模拟，分析了不同初始密度差对LNG储罐翻滚规律的影响，得到以下结论:

(1)随着初始密度差的增加，翻滚过程的密度变化幅值(最大密度差)越大，翻滚系数也越大，说明翻滚越剧烈。

(2)翻滚系数随初始密度差的增大，存在一个明显的临界密度差值，即为LNG储罐安全储存的密度判据。160 000 m3储罐的临界密度差值位于0.78—0.82 kg/m3之间，30 000 m3和5 000 m3储罐的临界密度差值位于4—5 kg/m3之间。

1 伍颖，刘武，张晓琳，等.液化天然气储运中的翻滚现象及预防措施［J］.管道技术与设备，2008(6):9-12.

2 占小跳.液化天然气储存中的安全问题及应对措施［J］.水运科学研究，2006(3):50-53.

3 Phil Cleaver，Mike Johnson，Ben Ho.A summary of some experimental data on LNG safety［J］.Journal of Hazardous Materials，2007，140:429-438.

4 Advanced Liquified Natural Gas Storage Tank Management，a report by Dominik Uznanski，Pieter Versluijs.Technology ＆ Services，2009 10:1-7.

5 Natonal Fire Protection Association.NFPA 59 A-2006 Standard for the production，storage，and handling of liquefied natural gas(LNG)［S］.Massachusetts:National Fire Protection Association，2009:32-35.

6 王海蓉，梁栋.LNG分层翻滚事故可预测性与盐水模化实验［J］.油气储运，2012(4):246-349.

7 乔国发.影响LNG储存容器蒸发率因素的研究［D］.青岛:中国石油大学(华东)，2007:25-71.

8 林文胜，顾安忠，李品友.液化天然气的分层与翻滚研究进展［J］.真空与低温，2000，6(3):125-132.

9 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.

10 李霞，马贵阳，杜明俊，等.LNG球罐分层翻滚汽化过程的数值模拟分析［J］.辽宁石油化工大学学报，2010(4):42-44.

11 侯金伟.LNG储罐分层与翻滚的数值模拟［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2009:1-8.

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岁，博士、工程师。