LNG储罐中储液分层密度差对翻滚的影响

孙亚峰 雷琦 赵婷

摘要：针对LNG储罐中储液分层密度差对翻滚的影响问题，本次研究通过建立模型的方式，对两分层以及分层密度差对翻滚的影响进行全面的分析研究，为判断储罐内出现分层翻滚问题的极限判断奠定理论基础。研究表明：当储罐中上层液体的密度大于下层液体的密度时，上层的液体会向下层移动，此时两液体的界面会发生状态性的变化，当两相邻液体的密度差越大时，出现翻滚问题的时间就越早，翻滚时间相对较长，同时，翻滚现象也相对较为剧烈。

关键词：LNG储罐;储液分层;密度差;翻滚;模型建立

LNG是目前一种常见的清洁能源，主要是通过储罐对其进行保存，但是如何保障LNG储罐的安全是一项重大问题。在LNG储罐储存的过程中，非常容易出现分层问题，进而在储罐内部形成液体翻滚现象，最终会引发LNG储罐的安全问题[1]。目前，国内外学者对于LNG储罐内液体的翻滚问题进行了多方面的研究，但是研究成果主要集中在如何避免出现液体翻滚问题以及模型的建立方面，对于储液分层密度差对翻滚的影响研究相对较少，这给LNG储罐使用企业造成了一定的困扰，针对此问题，本次研究通过建立模型的方式，进行了储液分层密度差对翻滚的影响研究，为判断储罐内是否出现了液体翻滚问题奠定基础。

一、分层与翻滚模型的建立

（一）物理及数学模型

在LNG储罐使用的过程中，工作人员可以通过储罐内的监测点，对一定高度位置处液体的密度、温度以及压力等参数进行监测，可以及时掌握储罐内液体的物性变化信息[2]。在对LNG储罐进行模拟的过程中，可以将整个储罐分为多层次的LNG层，一般情况下，液体翻滚问题基本都出现在LNG层面上，目前的研究结果已经表明，如果LNG储罐内的LNG资源属于不同来源，或者在LNG资源充装的过程中，由于LNG之间存在一定的密度差，所以非常容易出现分层问题，如果两个层面之间的LNG密度差达到一定的数值，就会出现翻滚问题。为了进行密度差对翻滚问题的影响研究，将整个物理模型简化如下：①将整个LNG储罐的体积设置为16×104m3，其直径设定为80m，在建立模型的过程中，不考虑LNG储罐的壁厚;②在进行模拟研究的过程中，不考虑储罐的漏热问题，同时忽略储罐内的气相空间，只对储罐内的液体进行模拟;③储罐内放置有四種密度的LNG资源，其密度分别为425kg·m-3、424.5kg·m-3、424kg·m-3、423kg·m-3;④在整个模拟的过程中，假定储罐内LNG的整个流动过程中只符合牛顿的内摩擦定理，不存在耗散问题。在模型建立以后，对整个模拟模型进行网格划分，总共划分网格16000个，每个网格的大小皆为0.1m×0.1m，模拟过程中的时间步长为0.001s，模拟过程中采用的软件为FLUENT，边界条件选择wall类型。在建立数学模型的过程中，LNG储罐内的液体翻滚问题主要基于Boussinesp假设，因此，其数学模型主要可以分为三种类型，分别是动量方程、组分方程以及液体翻滚问题的连续性方程。

（二）翻滚模型

在储罐内出现液体翻滚问题时，不同层面的LNG资源之间存在物性参数的差别，因此，在进行模拟的过程中需要选择多相流模型，在FLUENT软件中可供选择使用的多相流模型主要可以分为三个，分别是体积模型、混合模型以及欧拉模型，对于混合模型而言，这是一种简化后的多相流模型，主要可以对存在速度差的多相流进行模型，在进行模型的过程中，假定两相之间的耦合性相对较强，然后通过对动量方程、能量方程等各种类型方程进行求解的方式，最终达到模拟的目的，混合模型的应用范围相对较广，因此，本次研究将使用混合模型作为最终的翻滚模型[3]。在进行参数设置的过程中，将操作空间内的压力设定为101.325kPa，所受到的重力设定为9.81m/s2，储罐内液体的密度从上到下依次减小，以此达到形成密度差的目的，整个模拟过程的时间设定为1000s。

二、LNG储罐中储液分层密度差对翻滚的影响分析

（一）两分层翻滚分析

通过对两分层翻滚问题进行分析后发现，在开始以后的80s以内，由于重力还并没有完全发挥作用，因此LNG资源的分层问题并没有完全被打破，在80s-200s的时间内，受到上下层LNG资源存在密度差以及受到重力因素影响的问题，LNG资源已经出现了上下混合问题，分界面出现了严重的挤压，液体已经出现了翻滚问题，每个层面的LNG资源都存在较大的密度变化，在200s-400s的时间内，不同层面LNG资源之间的密度差已经变小，翻滚问题的剧烈程度也有所降低，在400s以后，LNG资源已经达到了相对稳定的状态，翻滚问题完全结束。

（二）分层密度差对翻滚的影响分析

通过进行分层密度差对翻滚问题的影响模拟研究后发现，当两个层面之间的密度差达到2 kg·m-3时，分界面出现严重波动问题的时间为100s，且整个液体翻滚过程可以持续530s左右，当两个层面之间的密度差达到1 kg·m-3时，分界面出现严重波动问题的时间为170s，整个液体翻滚过程可以持续460s，当两个层面之间的密度差达到0.5kg·m-3时，分界面出现严重波动问题的时间为220s，整个液体翻滚过程可以持续300s。通过分析可以发现，当LNG储罐中两个层面之间的密度差相对较大时，则分界面出现严重波动问题的时间就越早，整个液体翻滚问题的持续时间就越大，同时，翻滚问题也相对较为剧烈。

三、结论

在本次研究中，通过建立模型的方式，进行了LNG储罐内储液分层密度差对翻滚问题的影响研究，通过研究发现，随着LNG储罐内两个层面液体之间密度差的增加，分界面严重波动问题出现的时间就越早，翻滚问题持续的时间越长，翻滚问题就越剧烈，本次研究的结论可以为LNG储罐内监测点的设定提供理论指导。

参考文献：

[1] 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（04）：9-14.

[2] 步勇成，王娜，赵晓丹.大型LNG储罐翻滚两分层和三分层模型模拟[J].煤气与热力，2019，39（04）：66-69+74+98.

[3] 王海蓉，马晓茜.液化天然气（LNG）储存容器中的分层与翻滚[J].低温工程，2006（01）：53-57.