液化天然气港口转储系统泄漏逸散机理与演变研究

【摘要】：能源是世界发展的重要资源，环境是人类生存的基本条件，能源与环境问题是当今人类面临的世界性难题，解决该难题，既要开发新型能源，又要保护环境免受污染。LNG是清洁高效的能源，拥有丰富的来源，合理开发和利用LNG是人类解决未来环境与能源问题的重要途径，受到国内外的高度重视。我国是LNG利用大国，大量的LNG通过船舶从国外进口，由港口通过管线转输至储罐进行储存。LNG在转储过程中会面临着火灾、爆炸、热力学毁坏、快速相变、低温破坏、窒息等危害，危害的发生会严重影响生命和财产的安全。 文中研究对象为到港LNG船舶、LNG传输管线和LNG储罐所构成的LNG转储系统。鉴于LNG转储系统的危险性，文中在国内外研究成果的基础上，对LNG船舶、储罐、管线的泄漏逸散机理、LNG液池的形成、演变、蒸气云的扩散进行了研究，具体研究内容与结论如下： （1）将液化天然气的港口转运及储存作为一个完整的系统，对船舶在码头装卸区LNG的泄漏原因、初始泄漏率模型、泄漏口的位置及其他影响因素等问题进行了研究。发展了LNG转储系统泄漏逸散的初始泄漏率模型，根据泄漏口与水线面的位置关系，将LNG船舶的泄漏逸散分为水线面以上、水线面和水线面以下三种情况，以一艘双层船壳的薄膜型LNG船舶为实例，对三种情况下的泄漏逸散分别进行了计算和预测。所发展的初始泄漏率模型具有一定的适应性；对于双层船壳的薄膜型LNG船舶，当泄漏口位于水面以下时，无论船舶仅外壳单层穿刺还是外壳和储罐双层穿刺，最终都会达到一种平衡状态。 （2）对LNG罐区和管线的泄漏风险、LNG管线泄漏蒸发率、罐内翻滚现象进行了研究。研究了LNG储罐的翻滚现象，给出了消除分层和翻滚的措施，通过分开储存或内部搅拌充注方式，使LNG储罐内的密度差和温度差减小为零，可以防止LNG分层与翻滚。建立了LNG管线泄漏蒸发率模型，以LNG通过管线转到储罐的过程中管线发生完全破裂为例，对泄漏蒸发率进行了理论预测。研究了在LNG泄漏逸散的过程中能量的传递和不同地面基质的传热，在考虑了不同地面基质的热力学特性后所建立的LNG蒸发率模型能够较好的反应LNG的蒸发。 （3）对泄漏中液池的演变过程、演变模型、液池蒸发、热通量变化规律、池火等进行了研究。LNG转储系统出现裂口形成射流，液体射流会分裂成雾状小液滴，小液滴在下落过程中将会部分蒸发或者全部蒸发。当LNG射流量较大时，将会形成液池，当LNG液池的厚度超出维持稳定的最小值时，稳定性将会被打破，LNG液池不断地扩展和蒸发，直至液池的半径达到最大值。随着蒸发率的增加，沸腾气泡的密度也随着增加，当液体和蒸气的相互作用阻止了流体向过热表面的接触导致温度足够高时，核沸腾将会停止，随着过热温度的继续增加，沸腾变得相对稳定，逐渐成为过渡沸腾。当热通量达到最小值时，过渡沸腾转变为薄膜沸腾。泄漏之初液体的沸腾温度几乎没有变化，液池蒸发的后期，蒸气的组分几乎不变，但是液体的沸腾温度剧烈升高。对于大型LNG液池的燃烧，建立了池火的简化模型，能较好的反应火焰的特点和在不同风向时火焰的发展趋势。 （4）对LNG泄漏后蒸气云的扩散过程、影响因素、扩散距离模型进行研究。由于风的存在，将使烟羽向下风向扩展。在烟羽和携带的空气之间存在一种平衡，烟羽向下风向扩展，密度快速降低，而其携带的空气将阻止这一现象的快速发生，使扩展以及密度的快速降低得到平衡。在考虑了风速、大气稳定度、地面粗糙度、障碍物以及重气属性等因素后所建立的LNG蒸气云扩散在下风向的最大距离的数学模型具有良好的适用性。 （5）对LNG转储系统的事故预防及应急响应措施进行了研究。研究LNG转储系统的泄漏逸散机理的最终目的是要防止LNG转储系统事故的发生，降低由LNG转储过程中的泄漏逸散事故所造成的损失。根据LNG转储系统的泄漏逸散机理，主要从转储系统的安全管理、事故的预防、应急响应措施的制定等三个方面进行了研究。 【关键词】：液化天然气 转储系统 逸散 液池 蒸气云
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE88;U698.5
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目次10-13
• 第1章 绪论13-31
• 1.1 引言13-17
• 1.2 研究的背景和意义17-21
• 1.2.1 研究的背景17-21
• 1.2.2 研究的意义21
• 1.3 LNG 港口转储系统逸散的国内外研究概况21-28
• 1.4 论文的研究内容及研究思路28-31
• 1.4.1 研究内容28-30
• 1.4.2 研究思路30-31
• 第2章 LNG 转储系统的组成与分析31-40
• 2.1 LNG 转储系统的组成31
• 2.2 LNG 转储系统设备特点31-33
• 2.2.1 LNG 运输船舶的特点31-32
• 2.2.2 LNG 储罐的特点分析32-33
• 2.2.3 LNG 转输管线的特点33
• 2.3 LNG 的转储过程及泄漏逸散33-35
• 2.3.1 LNG 转储的生产过程33-34
• 2.3.2 LNG 转储系统泄漏孔口34
• 2.3.3 LNG 转储逸散的分析方法34-35
• 2.3.4 LNG 转储泄漏逸散原因35
• 2.4 LNG 转储系统的水击现象及其破坏35-38
• 2.5 LNG 转储系统泄漏逸散分析流程38-39
• 2.6 本章小结39-40
• 第3章 LNG 运输船的泄漏逸散40-61
• 3.1 LNG 船舶液货舱41-42
• 3.2 LNG 船舶逸散诱发因素分析42-46
• 3.2.1 船舶碰撞分析42-45
• 3.2.2 间接因素分析45-46
• 3.3 LNG 船舶泄漏逸散模型与分析46-59
• 3.3.1 LNG 船舶泄漏的一般描述46-47
• 3.3.2 不同位置泄漏口的逸散机理分析47-59
• 3.4 本章小结59-61
• 第4章 LNG 储罐和传输管线的泄漏逸散61-79
• 4.1 典型 LNG 转储系统的储罐和管线布局61-62
• 4.2 LNG 转储系统的工艺组成62-65
• 4.3 LNG 储罐的泄漏逸散分析65-75
• 4.3.1 储罐的类型65-66
• 4.3.2 LNG 储罐的泄漏逸散模型66-67
• 4.3.3 蒸发传热与罐内温度的变化67-71
• 4.3.4 LNG 储罐的逸散机理与防治措施71-75
• 4.4 LNG 管线的泄漏逸散分析75-78
• 4.4.1 LNG 管道输送特点75
• 4.4.2 不同地面基质对管道蒸发率的影响75-76
• 4.4.3 LNG 传输管线的逸散分析76-78
• 4.5 本章小结78-79
• 第5章 LNG 液池及池火79-96
• 5.1 液池的形成与演变79-88
• 5.1.1 液池在水面的演变79-81
• 5.1.2 液池在陆面的演变81-82
• 5.1.3 时变池扩散82-83
• 5.1.4 液池在光滑面的蒸发83-85
• 5.1.5 液池的蒸发与传热85-87
• 5.1.6 蒸发过程中成分的变化87-88
• 5.2 池火88-92
• 5.3 燃烧率92-95
• 5.4 本章小结95-96
• 第6章 蒸气云扩散96-111
• 6.1 蒸气云扩散的影响因素96-100
• 6.1.1 风速96-98
• 6.1.2 大气稳定度98-99
• 6.1.3 地面粗糙度99-100
• 6.2 障碍物对蒸气云扩散的影响仿真100-107
• 6.2.1 模型的建立101-103
• 6.2.2 仿真结果103-107
• 6.3 烟羽长度107-109
• 6.4 本章小结109-111
• 第7章 LNG 转储系统事故预防及应急响应措施111-120
• 7.1 LNG 转储系统的安全与预防111-117
• 7.1.1 LNG 船舶安全与预防111-113
• 7.1.2 LNG 储罐和管线的安全与预防113-117
• 7.2 LNG 转储系统泄漏逸散应急响应措施的制定117-119
• 7.3 本章小结119-120
• 第8章 结论与展望120-123
• 8.1 结论120-121
• 8.2 创新点121-122
• 8.3 展望122-123
• 致谢123-124
• 参考文献124-131
• 攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研情况131

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