铁路罐式箱LNG运输振动三分相蒸发计算模型及安全评估技术研究

摘要

LNG(Liquefied Natural Gas)就是将矿场生产的天然气经过净化、制冷、液化等措施后，在常压、-160℃下成为液态的天然气。LNG是一种多组分混合物，其温度变化会引起压力上升的问题，LNG运输量越大时间越长，储罐泄漏风险就会增大。为了解决这些问题，就需要弄清楚运输过程中LNG储罐内温度场分布、压力和蒸发变化规律，对储罐可能的泄漏及蒸气云扩散危害后果进行研究。针对铁路罐式箱LNG运输振动特殊性，分析了振动条件下，罐内低温液体对流传热系数受到振动振幅和频率的影响;分析了振动条件下，罐内低温液体边界层的起始点受到上下震荡、左右摇晃和前后晃动的影响。对卧式低温储罐振动条件下的无损存储规律进行了研究，结合已有的三分相无损存储模型和边界层研究成果，基于质量守恒和能量守恒原理，建立铁路罐式箱LNG运输振动蒸发规律的新模型，用C语言编写了计算程序，并进行了实例验证。对铁路LNG罐式箱格尔木-拉萨运输试验进行了研究，得出运输过程中LNG罐式箱压力变化值等实验数据，由模型计算得出的LNG存储计算结果与试验数据进行了比较，模拟计算值与试验值吻合的比较好。
　　铁路LNG罐式箱储存大量低温且易燃易爆的LNG，一旦发生泄漏将对周边人群、财产及大气环境造成极大的危害。选择合适方法对铁路LNG罐式箱可能泄漏及蒸汽云扩散危害后果进行模拟研究具有重要意义。本文综合了大量文献研究成果，结合本研究的特点，制定了LNG泄漏扩散模型定量评价方法，借助于国外大型LNG泄漏扩散现场实验数据集，对基于PHAST计算模型在铁路LNG罐式箱泄漏扩散模拟上的“有效性”进行定量研究，评价结果表明:PHAST对于铁路LNG罐式箱泄漏扩散行为的模拟具有有效性。
　　构建铁路LNG罐式箱运输条件下安全评估程序。利用铁路罐式箱LNG运输振动蒸发模型分析了各种影响密闭LNG罐式箱的压力和蒸发率的因素，结果显示在计算的压力范围内:密闭LNG罐式箱存在“最佳初始充装率”，当初始充装率小于最佳初始充装率时，储罐的安全存储时间随初始充装率增大而增大;初始充装率大于最佳初始充装率时，储罐的安全存储时间随初始充装率增大而减小;充装率等于最佳初始充装率时密闭LNG储罐的安全存储时间最长。储罐保温层导热系数越大，储罐内压力上升的越快，安全存储时间越短。对铁路LNG罐式箱泄漏实例分析:不同罐内压力泄漏对比、不同风速的泄漏对比、不同大气稳定度泄漏对比、不同破裂泄漏尺寸泄漏对比、不同泄漏角度泄漏对比、不同环境温度下泄漏对比。模拟结果显示，泄漏源强度越大，扩散面积越大;泄漏现场的风速对LNG的消散起比较大的作用，风速越大，LNG消散速度越快，扩散面积越小;大气稳定度对LNG浓度消散起决定性作用，大气越不稳定，LNG消散越快;储罐泄漏口径对LNG泄漏扩散影响巨大，口径越大，LNG扩散距离和面积越大，危害面积越大。对铁路LNG罐式箱和铁路LPG(Liquefied Petroleum Gas)罐式箱泄漏后果进行模拟分析，分析结果显示LNG泄漏影响范围要小于LPG事故影响范围。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 我国铁路LNG运输经济性分析

1．3 LNG运输危险性分析

1．4 问题的提出及意义

2．1 LNG储罐静态蒸发率研究现状

2．2 储罐内液体晃动的研究现状

2．3 LNG储罐泄漏扩散规律的研究

2．4 存在的问题

2．5 本文主要研究内容和思路

第三章 铁路罐式箱LNG运输振动热传递过程分析及试验验证分析

3．1 铁路罐式箱LNG运输振动条件下热传递过程分析

3．1．1 铁路罐式箱LNG运输振动传热边界层的变化

3．1．2 铁路罐式箱LNG运输振动条件下低温流体自然流态分析

3．2 铁路LNG罐式箱运输试验研究

3．2．1 铁路LNG罐式箱试验目的

3．2．2 铁路LNG罐式箱试验运行要求

3．2．3 铁路LNG罐式箱试验过程与数据分析

3．3 输运振动状态与静止状态的罐式箱LNG储存数据对比

3．4 本章小结

第四章 铁路LNG罐式箱漏热量模型的建立及实例分析

4．1 铁路LNG罐式箱蒸发模型的建立

4．1．1 铁路LNG罐式箱蒸发率的控制方程

4．1．2 铁路LNG罐式箱漏热量计算

4．1．3 控制方程的离散化

4．1．4 计算程序

4．2 铁路LNG罐式箱蒸发过程实例数值计算

4．3 卧式低温液氮小容器模型计算与试验数据对比

4．4 本章小结

第五章 铁路LNG罐式箱运输安全评估技术

5．1 LNG罐式箱运输评估技术

5．1．1 LNG罐式箱运输安全评估程序

5．1．2 国外重气扩散模型评估的研究

5．1．3 LNG泄漏扩散有效性评估思路

5．1．4 评价数据集的选择及偏差统计分析

5．2 铁路LNG罐式箱运输安全评估体系

5．2．1 铁路LNG罐式箱安全运输评估步骤

5．2．2 铁路LNG罐式箱运输安全评估准则

5．3 本章小结

第六章 铁路罐式箱LNG运输安全评估实例分析

6．1 LNG罐式箱运输安全理论分析

6．1．1 储罐压力强度计算理论

6．1．2 储罐泄漏扩散计算理论

6．2 铁路LNG罐式箱蒸发过程计算分析

6．2．1 初始充装率对铁路LNG罐式箱压力的影响

6．2．2 铁路LNG罐式箱罐壁的导热系数对罐内压力的影响

6．2．3 铁路LNG罐式箱外环境温度的影响

6．3 铁路LNG罐式箱泄漏扩散模拟分析

6．3．1 泄漏源强度影响

6．3．2 风速影响分析

6．3．3 大气稳定度对扩散的影响

6．3．4 泄漏孔径对扩散的影响

6．3．5 不同角度泄漏影响

6．3．6 环境温度的影响分析

6．4 LNG泄漏与LPG泄漏对比分析

6．5 本章小结

第七章 结论

参考文献

附录