液化天然氣港口轉儲系統(tǒng)泄漏逸散機理與演變研究

【摘要】：能源是世界發(fā)展的重要資源，環(huán)境是人類生存的基本條件，能源與環(huán)境問題是當今人類面臨的世界性難題，解決該難題，既要開發(fā)新型能源，又要保護環(huán)境免受污染。LNG是清潔高效的能源，擁有豐富的來源，合理開發(fā)和利用LNG是人類解決未來環(huán)境與能源問題的重要途徑，受到國內(nèi)外的高度重視。我國是LNG利用大國，大量的LNG通過船舶從國外進口，由港口通過管線轉輸至儲罐進行儲存。LNG在轉儲過程中會面臨著火災、爆炸、熱力學毀壞、快速相變、低溫破壞、窒息等危害，危害的發(fā)生會嚴重影響生命和財產(chǎn)的安全。 文中研究對象為到港LNG船舶、LNG傳輸管線和LNG儲罐所構成的LNG轉儲系統(tǒng)。鑒于LNG轉儲系統(tǒng)的危險性，文中在國內(nèi)外研究成果的基礎上，對LNG船舶、儲罐、管線的泄漏逸散機理、LNG液池的形成、演變、蒸氣云的擴散進行了研究，具體研究內(nèi)容與結論如下： （1）將液化天然氣的港口轉運及儲存作為一個完整的系統(tǒng)，對船舶在碼頭裝卸區(qū)LNG的泄漏原因、初始泄漏率模型、泄漏口的位置及其他影響因素等問題進行了研究。發(fā)展了LNG轉儲系統(tǒng)泄漏逸散的初始泄漏率模型，根據(jù)泄漏口與水線面的位置關系，將LNG船舶的泄漏逸散分為水線面以上、水線面和水線面以下三種情況，以一艘雙層船殼的薄膜型LNG船舶為實例，對三種情況下的泄漏逸散分別進行了計算和預測。所發(fā)展的初始泄漏率模型具有一定的適應性；對于雙層船殼的薄膜型LNG船舶，當泄漏口位于水面以下時，無論船舶僅外殼單層穿刺還是外殼和儲罐雙層穿刺，最終都會達到一種平衡狀態(tài)。 （2）對LNG罐區(qū)和管線的泄漏風險、LNG管線泄漏蒸發(fā)率、罐內(nèi)翻滾現(xiàn)象進行了研究。研究了LNG儲罐的翻滾現(xiàn)象，給出了消除分層和翻滾的措施，通過分開儲存或內(nèi)部攪拌充注方式，使LNG儲罐內(nèi)的密度差和溫度差減小為零，可以防止LNG分層與翻滾。建立了LNG管線泄漏蒸發(fā)率模型，以LNG通過管線轉到儲罐的過程中管線發(fā)生完全破裂為例，對泄漏蒸發(fā)率進行了理論預測。研究了在LNG泄漏逸散的過程中能量的傳遞和不同地面基質的傳熱，在考慮了不同地面基質的熱力學特性后所建立的LNG蒸發(fā)率模型能夠較好的反應LNG的蒸發(fā)。 （3）對泄漏中液池的演變過程、演變模型、液池蒸發(fā)、熱通量變化規(guī)律、池火等進行了研究。LNG轉儲系統(tǒng)出現(xiàn)裂口形成射流，液體射流會分裂成霧狀小液滴，小液滴在下落過程中將會部分蒸發(fā)或者全部蒸發(fā)。當LNG射流量較大時，將會形成液池，當LNG液池的厚度超出維持穩(wěn)定的最小值時，穩(wěn)定性將會被打破，LNG液池不斷地擴展和蒸發(fā)，直至液池的半徑達到最大值。隨著蒸發(fā)率的增加，沸騰氣泡的密度也隨著增加，當液體和蒸氣的相互作用阻止了流體向過熱表面的接觸導致溫度足夠高時，核沸騰將會停止，隨著過熱溫度的繼續(xù)增加，沸騰變得相對穩(wěn)定，逐漸成為過渡沸騰。當熱通量達到最小值時，過渡沸騰轉變?yōu)楸∧し序v。泄漏之初液體的沸騰溫度幾乎沒有變化，液池蒸發(fā)的后期，蒸氣的組分幾乎不變，但是液體的沸騰溫度劇烈升高。對于大型LNG液池的燃燒，建立了池火的簡化模型，能較好的反應火焰的特點和在不同風向時火焰的發(fā)展趨勢。 （4）對LNG泄漏后蒸氣云的擴散過程、影響因素、擴散距離模型進行研究。由于風的存在，將使煙羽向下風向擴展。在煙羽和攜帶的空氣之間存在一種平衡，煙羽向下風向擴展，密度快速降低，而其攜帶的空氣將阻止這一現(xiàn)象的快速發(fā)生，使擴展以及密度的快速降低得到平衡。在考慮了風速、大氣穩(wěn)定度、地面粗糙度、障礙物以及重氣屬性等因素后所建立的LNG蒸氣云擴散在下風向的最大距離的數(shù)學模型具有良好的適用性。 （5）對LNG轉儲系統(tǒng)的事故預防及應急響應措施進行了研究。研究LNG轉儲系統(tǒng)的泄漏逸散機理的最終目的是要防止LNG轉儲系統(tǒng)事故的發(fā)生，降低由LNG轉儲過程中的泄漏逸散事故所造成的損失。根據(jù)LNG轉儲系統(tǒng)的泄漏逸散機理，主要從轉儲系統(tǒng)的安全管理、事故的預防、應急響應措施的制定等三個方面進行了研究。 【關鍵詞】：液化天然氣 轉儲系統(tǒng) 逸散 液池 蒸氣云
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TE88;U698.5
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目次10-13
• 第1章 緒論13-31
• 1.1 引言13-17
• 1.2 研究的背景和意義17-21
• 1.2.1 研究的背景17-21
• 1.2.2 研究的意義21
• 1.3 LNG 港口轉儲系統(tǒng)逸散的國內(nèi)外研究概況21-28
• 1.4 論文的研究內(nèi)容及研究思路28-31
• 1.4.1 研究內(nèi)容28-30
• 1.4.2 研究思路30-31
• 第2章 LNG 轉儲系統(tǒng)的組成與分析31-40
• 2.1 LNG 轉儲系統(tǒng)的組成31
• 2.2 LNG 轉儲系統(tǒng)設備特點31-33
• 2.2.1 LNG 運輸船舶的特點31-32
• 2.2.2 LNG 儲罐的特點分析32-33
• 2.2.3 LNG 轉輸管線的特點33
• 2.3 LNG 的轉儲過程及泄漏逸散33-35
• 2.3.1 LNG 轉儲的生產(chǎn)過程33-34
• 2.3.2 LNG 轉儲系統(tǒng)泄漏孔口34
• 2.3.3 LNG 轉儲逸散的分析方法34-35
• 2.3.4 LNG 轉儲泄漏逸散原因35
• 2.4 LNG 轉儲系統(tǒng)的水擊現(xiàn)象及其破壞35-38
• 2.5 LNG 轉儲系統(tǒng)泄漏逸散分析流程38-39
• 2.6 本章小結39-40
• 第3章 LNG 運輸船的泄漏逸散40-61
• 3.1 LNG 船舶液貨艙41-42
• 3.2 LNG 船舶逸散誘發(fā)因素分析42-46
• 3.2.1 船舶碰撞分析42-45
• 3.2.2 間接因素分析45-46
• 3.3 LNG 船舶泄漏逸散模型與分析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機理分析47-59
• 3.4 本章小結59-61
• 第4章 LNG 儲罐和傳輸管線的泄漏逸散61-79
• 4.1 典型 LNG 轉儲系統(tǒng)的儲罐和管線布局61-62
• 4.2 LNG 轉儲系統(tǒng)的工藝組成62-65
• 4.3 LNG 儲罐的泄漏逸散分析65-75
• 4.3.1 儲罐的類型65-66
• 4.3.2 LNG 儲罐的泄漏逸散模型66-67
• 4.3.3 蒸發(fā)傳熱與罐內(nèi)溫度的變化67-71
• 4.3.4 LNG 儲罐的逸散機理與防治措施71-75
• 4.4 LNG 管線的泄漏逸散分析75-78
• 4.4.1 LNG 管道輸送特點75
• 4.4.2 不同地面基質對管道蒸發(fā)率的影響75-76
• 4.4.3 LNG 傳輸管線的逸散分析76-78
• 4.5 本章小結78-79
• 第5章 LNG 液池及池火79-96
• 5.1 液池的形成與演變79-88
• 5.1.1 液池在水面的演變79-81
• 5.1.2 液池在陸面的演變81-82
• 5.1.3 時變池擴散82-83
• 5.1.4 液池在光滑面的蒸發(fā)83-85
• 5.1.5 液池的蒸發(fā)與傳熱85-87
• 5.1.6 蒸發(fā)過程中成分的變化87-88
• 5.2 池火88-92
• 5.3 燃燒率92-95
• 5.4 本章小結95-96
• 第6章 蒸氣云擴散96-111
• 6.1 蒸氣云擴散的影響因素96-100
• 6.1.1 風速96-98
• 6.1.2 大氣穩(wěn)定度98-99
• 6.1.3 地面粗糙度99-100
• 6.2 障礙物對蒸氣云擴散的影響仿真100-107
• 6.2.1 模型的建立101-103
• 6.2.2 仿真結果103-107
• 6.3 煙羽長度107-109
• 6.4 本章小結109-111
• 第7章 LNG 轉儲系統(tǒng)事故預防及應急響應措施111-120
• 7.1 LNG 轉儲系統(tǒng)的安全與預防111-117
• 7.1.1 LNG 船舶安全與預防111-113
• 7.1.2 LNG 儲罐和管線的安全與預防113-117
• 7.2 LNG 轉儲系統(tǒng)泄漏逸散應急響應措施的制定117-119
• 7.3 本章小結119-120
• 第8章 結論與展望120-123
• 8.1 結論120-121
• 8.2 創(chuàng)新點121-122
• 8.3 展望122-123
• 致謝123-124
• 參考文獻124-131
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及參加的科研情況131

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