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摘要: 研究LNG的翻滚机理，根据LNG的储存状态对LNG在储罐中的翻滚做出准确判断对LNG翻滚的预防有着重要意义。建立了LNG储罐的翻滚模型，并利用FluentTM软件，通过模拟储罐的翻滚过程研究了储罐的初始密度差、分层高度、储罐罐容对LNG翻滚的影响。结果表明：储罐中LNG分层间的初始密度差越大，罐容越大，储罐发生翻滚的时间越早，储罐翻滚越剧烈；相反，储罐中的分层高度越大，由于分层高度使储罐相邻两分层之间的黏滞力增大，储罐翻滚越不易发生，翻滚持续时间越长。通过分析储罐翻滚的影响因素，可以更全面地对LNG翻滚做出预防，保证储罐运行安全。Abstract: Studying on the liquefied natural gas (LNG) roll-over mechanism to accurately judge the LNG roll-over in storage tank according to the LNG storage status has great significance on the prevention of LNG roll-over. Roll-over model of LNG in storage tank is established, and FluentTM software is used to simulate the roll-over process in order to identify the influence of initial density difference, stratification level and tank capacity on the LNG roll-over. The simulation results show that the larger the initial density difference between stratified LNGs, the larger tank capacity, the sooner and more tense roll-over happens; conversely, since stratification height may increase the viscous force between adjacent stratified LNGs, the higher the stratification level in the tank, the more difficult the and longer the roll-over occurs. Through analyzing the influencing factors, LNG roll-over can be prevented comprehensively to ensure the tank safety.
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在LNG的存储过程中，由于充装LNG和储罐内原有LNG的组分、温度不同，或者含氮（N2）较多的LNG内部N2的优先蒸发，可能出现分层现象，进而导致翻滚现象的发生[1]。翻滚发生时，两分层剧烈混合，瞬间产生大量汽化气（BOG），使储罐内压力急剧上升，对储罐和其他附属设备的安全造成威胁，甚至威胁人身安全。通常翻滚发生时，需要被迫打开安全阀泄压，大量的天然气被释放到空气中，不仅存在很大的危险性，同时还造成重大的经济损失[2]。在翻滚的理论研究上，Chatterjee & Geist提出了首个翻滚模型（C-G模型，1972），之后经过Heestand等[3]（HSM模型，1983），Bates等[4]（Bates-Morrison模型，1997），覃朝辉等[5]（覃朝辉模型，1999）的发展，LNG分层和翻滚模型逐渐完善。在实验方面，国外Shi J Q、Muro、Graffis等，国内游立新、程栋等分别针对不同形状、不同大小的储罐，利用盐-水、水-糖、F11-F113、液氧-液氮等介质进行了大量的翻滚实验研究。基于这些对翻滚的原因、机理的理论和实验研究结果，提出了一些预防翻滚的措施，对储罐的安全储存具有重要意义。
近年来，随着世界LNG产业的飞速前进，中国的LNG接收终端亦蓬勃发展，LNG的应用领域逐渐增多[6-8]，LNG储罐发生翻滚的概率也随之增大。而在储罐发生翻滚的过程中，不同密度差、储罐罐容等都有可能对翻滚造成影响。因此在前人的研究基础上，对储罐中LNG翻滚的影响因素进行研究，以便更全面地对储罐翻滚做出预防，保证储罐的安全储存。
1. 模型建立
1.1 分层翻滚机理
LNG在储罐中储存时，由于储罐的储存温度约为－160 ℃，与外部环境温度相差较大，因此罐壁的漏热会导致储罐中LNG的密度变化，使不同高度之间的LNG出现密度差，即分层。分层产生后，各层形成相对独立的自然对流循环（图 1），在环境漏热及轻组分蒸发的双重作用下，两分层的密度逐渐趋于一致，最终发生翻滚（图 2）[9-10]。
1.2 模型建立及假设条件
分层产生后，储罐中LNG分为多个分层（图 3a），而翻滚发生在相邻的两个分层之间。取储罐中高度相同（均为1 m）的两层作为研究对象，忽略LNG储罐的分层过程，不考虑气相空间，只对翻滚过程进行研究[11]，建立LNG储罐翻滚的物理模型（图 3b），并设置模型的初始条件和边界条件如下：①侧壁和底部壁面的边界条件是速度ux均为无滑移条件；对于LNG组分的质量分数S而言，
1.3 模拟条件设置
采用FluentTM软件进行模拟，模型选取接收站常见的16×104 m3储罐，设定其上、下分层密度分别为424 kg/m3、423.5 kg/m3。计算区域采用结构化网格进行网格划分，网格总数约为16 000个。选用mixture模型，边界条件设为绝热壁面。正常状态下，由于储存在较大型储罐内的LNG液体产生大空间紊流态自然对流，因此紊流方程采用κ-ε方程[12]。
为了对模拟中不同工况下的翻滚程度进行对比分析，采用翻滚系数f来表征翻滚的剧烈程度[13]：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2015/3/href="yqcy-34-3-258-E1.png")
(1) 式中：f为翻滚系数；Δρmax为翻滚过程中的最大密度差，kg/m3；Δρ0为初始密度差，kg/m3；Δt为翻滚时间，s。
2. 影响因素模拟分析
2.1 初始密度差的影响
针对直径为79 m的16×104 m3的LNG储罐，取初始密度差0.5 kg/m3，1.0~9.0 kg/m3（间隔1.0 kg/m3）分别进行模拟，得到LNG储罐翻滚的最大速度随时间变化的曲线（图 4）和翻滚系数随初始密度差变化的曲线（图 5）。
随着时间的增加，储罐中LNG的翻滚速度逐渐减小趋于平稳。而初始密度差越大，储罐发生翻滚时，LNG的速度也越大，翻滚越剧烈（图 4）。翻滚系数随初始密度差的增加先缓慢增加，然后剧烈增加，表明储罐中LNG的翻滚随着初始密度差的增大由平稳向剧烈转变，这个转折点所对应的初始密度差即为储罐翻滚的临界密度差，当初始密度差小于临界密度差时，认为储罐储存安全，大于临界密度差时，即认为储罐内发生了翻滚（图 5）[14]。在翻滚的过程中，上下分层的密度差相当于翻滚的动力，密度差越大，推动翻滚发生的动力越大，翻滚发生得越早，翻滚也就越剧烈。
2.2 分层高度的影响
对直径为80 m的16×104 m3储罐，分别取其分层高度为1 m、1.5 m、2.0 m，取初始密度差0.5 kg/m3，1.0~9.0 kg/m3（间隔1.0 kg/m3）进行数值模拟，得到初始密度差为1 kg/m3时，储罐翻滚的最大速度随时间的变化而变化的曲线（图 6）和翻滚系数随初始密度差变化的关系曲线（图 7）。
分层高度越大，速度出现峰值越晚，峰值越大，而随着分层高度的增加，速度剧烈变化的范围也增大，表明随着分层高度的增加，储罐翻滚持续的时间增长，储罐发生翻滚的时间延迟（图 7）。
16×104 m3储罐的临界密度差在分层高度为1 m、1.5 m、2 m时分别为3 kg/m3、4 kg/m3、5 kg/m3，随着分层高度的增加，储罐翻滚的剧烈程度增大，临界密度差增大。这是由于分层高度的增加使单一分层的体积增大，各分层LNG液体与罐壁的接触面积增加，因此，液体与罐壁之间的黏滞力增大使分层变得更加稳定，延缓了翻滚的发生。
2.3 储罐罐容的影响
对16×104 m3（直径79 m）、3×104 m3（直径40 m）、5 000 m3（直径20 m）的LNG储罐，取初始密度差分别为0.5 kg/m3、1.0~9.0 kg/m3（间隔1.0 kg/m3）进行数值模拟，得到初始密度差为1 kg/m3时，储罐翻滚的最大速度随时间的变化曲线（图 8）和翻滚系数随初始密度差的变化关系（图 9）。
可见，随着罐容的增加，翻滚的最大速度逐渐增加，而翻滚速度越大，LNG移动的速度越大，翻滚越剧烈（图 8）。罐容为16×104 m3、3×104 m3、5 000 m3的储罐的临界密度差分别为3 kg/m3、3~5 kg/m3、5 kg/m3，随着罐容的增加，储罐翻滚的临界密度差减小（图 9）。这是由于罐容的增大使储罐翻滚时产生的漩涡增多，漩涡之间的相互作用增加，因此相同初始密度差下，储罐罐容越大，LNG的稳定性就越差，对应储罐发生翻滚的临界密度差也越小。
3. 结论
（1）不同初始密度差下储罐翻滚的剧烈程度不同。相邻分层的初始密度差越大，翻滚发生的越早，翻滚时的速度越大，翻滚越剧烈，且存在一个储罐翻滚的临界密度差：当初始密度差小于临界密度差时，认为储罐储存安全；大于临界密度差时认为储罐内发生了翻滚。
（2）对于同一储罐，分层高度越小，翻滚发生的时间越早；分层高度越大，翻滚持续的时间越长，翻滚时的速度越大，翻滚越剧烈。而分层高度的增大使分层变得稳定，翻滚延迟，储罐翻滚的临界密度差也增大。
（3）储罐罐容越大，翻滚时的漩涡越多，速度越大，储罐中LNG翻滚越剧烈，相邻分层之间的LNG越不稳定，储罐翻滚的临界密度差越小。
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