一種lng泄露收集盤的設計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種LNG泄露收集盤的設計方法，根據質量守恒定律，建立收集盤中泄露LNG的輸入輸出動態(tài)關系模型，向所述模型賦予初始值，根據設定的步長進行遞歸調用，從而得到所述收集盤內存有的LNG質量隨時間變化的曲線；根據所述曲線確定收集盤的底盤面積、圍堰高度以及與所述收集盤相連的收集管的截面積；其中所述曲線的變化規(guī)律為：當收集盤內的LNG液位達到一定的高度時，原有規(guī)模下的繼續(xù)泄露不會導致LNG液位的進一步增高，并且隨著泄露的減弱停止，而收集和蒸發(fā)的作用持續(xù)，收集盤內的LNG液位逐漸下降直至趨近于零。
【專利說明】
一種LNG泄露收集盤的設計方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及液化天然氣技術領域，特別涉及一種LNG泄露收集盤的設計方法。
【背景技術】
[0002] 依據國內外液化天然氣(LNG)陸上設施設計相關規(guī)范(GB50183\NFPA 59A\EN1473 等)要求，需在LNG場站設計LNG泄漏收集系統，收集事故狀態(tài)下意外遺撒的LNG到指定區(qū)域， 對其進行安全集中處理，以避免低溫LNG四處漫流所帶來的低溫傷害，以及氣化后形成的易 燃易爆蒸氣云所帶來的火災爆炸風險。
[0003] LNG泄漏收集盤是收集系統中的重要組成部分，實驗與模擬結果均顯示，收集盤的 合理設置可有效的減弱泄漏LNG的氣化，其中設計的要點在于確保LNG在收集盤內不能發(fā)生 溢流。然而對于實際工藝裝置設置的收集盤而言，設計難點在于其收集過程為一動態(tài)過程， 潛在泄漏量根據收集盤對應保護設備的操作條件不同，且泄漏發(fā)生的同時，收集盤內的LNG 沿著收集管導出，并且LNG的低溫效應決定了收集盤內形成的液池會發(fā)生顯著的蒸發(fā)效應， 因而整個過程是一個高度的熱質耦合的動態(tài)過程?，F收集盤的常規(guī)做法，往往簡單參考已 有的項目經驗進行收集盤的結構設計，不考慮收集保護點的特異性，或忽略收集過程的多 種因素的效應，未能有效的實現收集保護的目的，又或者過保守，各保護區(qū)均設置較高較大 的收集盤，對于設備結構造成較大的負荷，且對裝置的維修操作帶來困難。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種既能有效收集泄露LNG又能合理利用資源的LNG泄露 收集盤的設計方法。
[0005] 本發(fā)明提出的設計方法采用以下技術方案：
[0006] 根據質量守恒定律，建立收集盤中泄露LNG的輸入輸出動態(tài)關系模型，向所述模型 賦予初始值，根據設定的步長進行遞歸調用，從而得到所述收集盤內存有的LNG質量隨時間 變化的曲線;根據所述曲線確定收集盤的底盤面積、圍堰高度以及與所述收集盤相連的收 集管的截面積;其中所述曲線的變化規(guī)律為：當收集盤內的LNG液位達到一定的高度時，原 有規(guī)模下的繼續(xù)泄露不會導致LNG液位的進一步增高，并且隨著泄露的減弱停止，而收集和 蒸發(fā)的作用持續(xù)，收集盤內的LNG液位逐漸下降直至趨近于零。
[0007] 根據本發(fā)明提出的LNG泄露收集盤的設計方法，其特征在于，所述輸入輸出動態(tài)關 系模型的建立方法包括：
[0008] SI:計算t時刻下收集盤內存有的泄露LNG的質量m(t):
[0009] m(t)=pSh(t)
[0010] 其中P為泄露LNG的液體密度，S為收集盤的底盤直徑，h(t)為t時刻收集盤內的液 池高度；
[0011 ] S2:計算t時刻下從LNG儲液罐中泄露出的LNG質量mspm(t)，所述mspm(t)為一分 段函數：
[0012] 當 CKt^ilOmin 時，
[0013] mspii(t) = Ο?Α〇μ〇
[0014] 其中Cd為小孔泄漏系數，取值在0.6-1之間，AO為泄漏孔徑的截面積，
[0015]
[0016]
[0017]
[0018] S3:計算經由收集管被收集出去的LNG質量m?i(t):
[0019] 泄露LNG收集的質量速率取決于收集池內液池的高度與收集管內的阻力損失關 系，計算式為：
[0020]
[0021] 其中ζ為收集管的阻力系數,S1為收集管的截面積；
[0022] S4:根據熱量守恒定律計算從收集盤中蒸發(fā)掉的泄露LNG質量mevap(t);
[0023] S5:建立收集盤內泄露LNG的質量守恒等式及其遞歸等式：
[0024]
[0025] m(t+Δ t) =m(t)+Δ m(t)。
[0026] 3、根據權利要求2所述的LNG泄露收集盤的設計方法，其特征在于，所述步驟S4中 計算從收集盤中蒸發(fā)掉的泄露LNG質量m_ P(t)的步驟包括：
[0027] S41:確定熱量平衡等式：
[0028]
[0029]其中Qnet為收集盤在Δ t時刻內的熱量輸入輸出凈值，Qc_為Δ t時刻內的空氣中 對流傳入收集盤液池內的熱量，Qmd為△ t時刻通過太陽輻射以及長波輻射傳入液池的熱 量，Qspm，Q?i分別為At時刻內泄漏入收集盤內LNG以及收集走的LNG本身引起的熱量傳遞， Qevap為收集盤△ t時刻內因蒸發(fā)而帶走的熱量。
[0030] S42:逐項計算熱量平衡等式中的各項因子：
[0031] S421:計算物質傳遞熱量：
[0032] Qspii=mspii(t) Xcp(Ti) X (Ti-Tk)
[0033] Qcoi=mcoi(t) Xcp(TpOOi) X (TpOOi-Tk)
[0034] 上式中，Ti，TpciciI分別為泄漏LNG以及收集盤液池中LNG的溫度，Tk = 273.15K，4代 表不同溫度下LNG的比熱容；
[0035] 當泄露停止時，對應的QspiIi也為0;
[0036] S422:計算對流傳遞熱量：
[0037]
[0038]上式中人3為空氣的熱傳導系數，r為液池在某一時刻液池擴展的半徑，L為液池的 直徑，
[0039]
[0040] 其中 Pr 為 Prandt 1 常數，Pr = Cpaya/X，Re 為雷諾數，Re = UaPa (2r) /μ3 [00411其中Cpa為空氣比熱容，ya為空氣動力粘度；
[0042] S423:計算輻射傳遞熱量
[0043] 熱福射熱量Qrad分為兩部分，一部分為太陽熱福射Qsolar，一部分為長波福射Qlong， 如下式所示：
[0044]
[0045]
[0046]
[0047] 其中Sr為熱通量，ε為液池釋放系數(0.95)，〇為Stefan-Boltzmann常數；
[0048] S424:計算蒸發(fā)熱量
[0049]
[0050] 上式中，
[0051 ] Sc為空氣的施密特(Schmidt)常數，計算式為Sc=ya/paDac;
[0052] ya為空氣的動力粘度，Pa為空氣密度，Dac為空氣的擴散系數，Ua(Z = Im)為Im高度 處環(huán)境風速，A Hv為特定溫度下的蒸發(fā)潛熱，M。為泄漏液體的分子量，P/為泄漏液體的飽和 蒸汽壓，R為氣體常數8314;
[0053] S43:通過以上步驟S421-S424計算出液池溫度為TpciciI下收集盤內的凈能量變化 Qnet，然后得出收集盤液池中溫度隨時間的變化函數：
[0054]
[0055] 上式中，Cp(TpciciI)代表溫度ΤΡ?ι下LNG的比熱容，m(pool)代表在溫度Τ Ρ?ι下收集盤 內存有的泄露LNG的質量；
[0056] S44:根據不同時刻收集盤液池的溫度變化，計算出每一時刻液池蒸發(fā)帶出的熱 量，繼而求出每一時刻蒸發(fā)帶走的LNG量：
[0057]
[0058]與現有技術相比，本發(fā)明提出的LNG泄露收集盤的設計方法，通過模擬整個泄漏的 發(fā)生過程來實現收集盤的優(yōu)化設計，并基于模擬結果進行針對性的結構化設計，實現收集 盤的優(yōu)化配置，確保泄漏收集保護功能的實現。
【附圖說明】
[0059]圖1為本發(fā)明的泄露收集盤中的動態(tài)熱質平衡示意圖。
【具體實施方式】
[0060] 下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0061] LNG泄漏收集物理過程如圖1中所示，當閥門、法蘭、管件等處完整性破壞，因管道 中LNG輸送壓力高于外界環(huán)境壓力，LNG從系統中泄漏至收集盤。進入收集盤的LNG，部分沿 著收集分管流入收集總管導至收集池，部分因外界環(huán)境高溫蒸發(fā)，剩余的部分留在收集池 中。當泄漏入收集盤的LNG量大于蒸發(fā)與導出量，則收集盤內LNG液位增高。隨著盤內液位的 增高，LNG排出的推動力增大，導出速率增加。同時，盤內的LNG不斷蒸發(fā)，形成物質損失。因 而，當盤內液位到一定高度時，繼續(xù)泄漏入的LNG已不會導致液位的進一步的增高。隨著泄 漏的減弱停止，收集與蒸發(fā)的作用持續(xù)，收集池的液位開始下降，直到液位趨近于0。模擬整 個泄漏發(fā)生過程，即可實現收集盤的優(yōu)化設計。
[0062] 具體而言，當LNG儲液罐發(fā)生泄漏時，泄露出的LNG首先會被集中到LNG泄露收集盤 內，LNG泄露收集盤的中心設有排液孔，排液孔與收集管相連，從而將泄露出的LNG通過收集 管導入LNG泄露收集池進行統一處理。因此對于LNG泄露收集盤的設計而言，需要確定的參 數主要包括收集盤的底盤直徑、圍堰高度以及收集管的截面積等。建模的依據是根據質量 守恒定律，即任一時刻t下，收集盤內的LNG質量m(t)等于從儲液罐中泄露出的LNG總質量 mspm(t)減去通過收集管收集到的LNG質量nwU)，再減去蒸發(fā)掉的LNG質量mevap(t)，如等 式(1)所示：
[0063] m(t) =mSpii(t)-mc〇i(t)-mevap(t) (I)
[0064] 并且m(t+Δ t) =m(t)+Δm(t) (2)
[0065] 逐項計算上述每一個質量因子，即分別計算收集盤內的LNG質量m(t)，從儲液罐中 泄露出的LNG總質量mspm(t)，通過收集管收集到的LNG質量m ccii(t)，以及蒸發(fā)掉的LNG質量 HbvapU)。具體計算過程如下：
[0066] 求解 m(t)
[0067] m(t) =pSh(t) (3)
[0068] 等式(3)中P為泄露LNG的液體密度，S為收集盤的底盤直徑，h (t)為t時刻收集盤內 的液池高度。
[0069] 求解 mspm(t)
[0070] LNG泄漏過程認為發(fā)生的泄漏在IOmin內可引起相關安全措施的建立，如上下游的 物料關斷，上游輸送栗緊急停車等。因而m spm(t)的求解為一分段函數：
[0071] 當 CKt^ilOmin 時，
[0072] mspii(t) = Ο?Α〇μ〇 (4)
[0073] 其中Cd為小孔泄漏系數，取值在0.6-1之間，AO為泄漏孔徑的截面積，
[0074]
(5)
[0075] 當 t>10min 時，
[0076] mspii(t) = 0 (6)
[0077] 求解 mc〇i(t)
[0078] LNG收集的質量速率取決于收集池內液池的高度與收集管內的阻力損失關系，計 算式為：
[00791
(7)
[0080]式(7)中，ζ為收集管的阻力系數,S1為收集管的截面積。
[0081 ]求解 m evap (t)
[0082] mevap(t)的蒸發(fā)速率取決于液池在t時刻的溫度，而溫度受到收集池內LNG熱量平 衡的制約，故而需結合熱量平衡進行聯立確定。
[0083]根據熱量守丨旦定律，收集盤內任一時刻的熱量輸入、輸出項如下式所不：
[0084]
(8)
[0085] 其中Qne3t為收集盤在Δ t時刻內的熱量輸入輸出凈值，Q_VS Δ t時刻內的空氣中 對流傳入收集盤液池內的熱量，Qmd為△ t時刻通過太陽輻射以及長波輻射傳入液池的熱 量，Qspm，Q?i分別為At時刻內泄漏入收集盤內LNG以及收集走的LNG本身引起的熱量傳遞， Qevap為收集盤△ t時刻內因蒸發(fā)而帶走的熱量。
[0086] 逐項計算式如下：
[0087] a)物質傳遞熱量
[0088] (9)
[0089] (10)
[0090] 上叭屮，Ti, ?ρ。。:^、別刀泄綱LlW以雙H 乂集盤液池中LNG的溫度，Tk = 273.15K，cP代 表不同溫度下LNG的比熱容；
[0091] 當泄露停止時，對應的QspiIi也為0。
[0092] b)對流傳遞熱量
[0093]
un
[0094] 上式中人3為空氣的熱傳導系數，r為液池在某一時刻液池擴展的半徑，L為液池的 直徑，
[0095]
[0096] 其中 Pr 為Prandt 1 常數，Pr = CpiJiaAa，Re 為雷諾數，Re = UaPa (2r) /μ3
[0097] 其中Cpa為空氣比熱容，ya為空氣動力粘度。
[0098] c)輻射傳遞熱量
[00"] 熱福射熱量Qrad分為兩部分，一部分為太陽熱福射Qsolar，一部分為長波福射Qlong， 如下式所示：
[0100] (12)
[0101] (13)
[0102] (14)
[0103] 其中Sr為熱通量，ε為液池釋放系數(0.95)，σ為Stefan-Bol tzmann常數。
[0104] d)蒸發(fā)熱量
[0105]
(15 )
[0106] 上式中，
[0107] Sc為空氣的施密特(Schmidt)常數，計算式為Sc=ya/paDa。 (16)
[0108] ya為空氣的動力粘度，Pa為空氣密度，Dac為空氣的擴散系數，Ua(Z = Im)為Im高度 處環(huán)境風速，A Hv為特定溫度下的蒸發(fā)潛熱，M。為泄漏液體的分子量，P/為泄漏液體的飽和 蒸汽壓，R為氣體常數8314。
[0109] 通過以上a)，b)，c)，d)四個步驟可計算出液池溫度為TpcicilT收集盤內的凈能量變 化Q ne3t,然后得出收集盤液池中溫度隨時間的變化函數：
[01101
(17)
[0111] 上式中，Cp(TpciciI)代表溫度TpciciI下LNG的比熱容，m(p 〇〇l)代表在溫度TpciciI下收集盤 內存有的泄露LNG的質量。
[0112] 根據不同時刻收集盤內液池的溫度變化，則可計算出每一時刻液池蒸發(fā)帶出的熱 量，繼而求出每一時刻蒸發(fā)帶走的LNG量：
[0113]
[0114] 最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制;盡管 參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可 以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;而 這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明實施例技術方案的精神和范 圍。
【主權項】
1. 一種LNG泄露收集盤的設計方法，其特征在于，根據質量守恒定律，建立收集盤中泄 露LNG的輸入輸出動態(tài)關系模型，向所述模型賦予初始值，根據設定的步長進行遞歸調用， 從而得到所述收集盤內存有的LNG質量隨時間變化的曲線;根據所述曲線確定收集盤的底 盤面積、圍堰高度以及與所述收集盤相連的收集管的截面積;其中所述曲線的變化規(guī)律為： 當收集盤內的LNG液位達到一定的高度時，原有規(guī)模下的繼續(xù)泄露不會導致LNG液位的進一 步增高，并且隨著泄露的減弱停止，而收集和蒸發(fā)的作用持續(xù)，收集盤內的LNG液位逐漸下 降直至趨近于零。2. 根據權利要求1所述的LNG泄露收集盤的設計方法，其特征在于，所述輸入輸出動態(tài) 關系模型的建立方法包括： S1:計算t時刻下收集盤內存有的泄露LNG的質量m(t): m(t) =pSh(t) 其中P為泄露LNG的液體密度，S為收集盤的底盤直徑，h (t)為t時刻收集盤內的液池高 度； S2:計算t時刻下從LNG儲液罐中泄露出的LNG質量mspm(t)，所述mspm(t)為一分段函 數： 當 0〈t< lOmin 時， nispil (t) 一 CdAoI^o 其中Cd為小孔泄漏系數，取值在0.6-1之間，A0為泄漏孔徑的截面積，當 t>10min 時， mspii(t) =0 S3:計算經由收集管被收集出去的LNG質量1。1 (t): 泄露LNG收集的質量速率取決于收集池內液池的高度與收集管內的阻力損失關系，計 算式為：其中G為收集管的阻力系數，&為收集管的截面積； S4:根據熱量守恒定律計算從收集盤中蒸發(fā)掉的泄露LNG質量m_P(t); S5:建立收集盤內泄露LNG的質量守恒等式及其遞歸等式： rn( t) -nispil (t) _nic〇i (t) _nievap (t) m(t+At) =m(t)+Am(t) 〇3. 根據權利要求2所述的LNG泄露收集盤的設計方法，其特征在于，所述步驟S4中計算 從收集盤中蒸發(fā)掉的泄露LNG質量m_ P( t)的步驟包括： S41:確定熱量平衡等式： Qnet - Qc〇nv+Qrad+Qspil_Qevap -QcOl 其中Qnet為收集盤在At時刻內的熱量輸入輸出凈值，〇。_為At時刻內的空氣中對流傳 入收集盤液池內的熱量，Qrad為At時刻通過太陽輻射以及長波輻射傳入液池的熱量，Qspm， Q?i分別為At時刻內泄漏入收集盤內LNG以及收集走的LNG本身引起的熱量傳遞，Q_P為收 集盤At時刻內因蒸發(fā)而帶走的熱量。 S42:逐項計算熱量平衡等式中的各項因子： S421:計算物質傳遞熱量： Qspii=mspii(t) Xcp(Ti) X (Ti-Tk) Qc〇i=mc〇i(t) Xcp(Tp〇〇i) X (Tp〇〇i-Tk) 上式中，Ti，Tpcicli分別為泄漏LNG以及收集盤液池中LNG的溫度，Tk = 273.15K，C[^表不同 溫度下LNG的比熱容； 當泄露停止時，對應的Qspm也為0; S422:計算對流傳遞熱量：上式中1為空氣的熱傳導系數，r為液池在某一時刻液池擴展的半徑，L為液池的直徑，其中 Pr 為 Prandt 1 常數，Pr = Cpalia/Aa，Re 為雷諾數，Re = uapa (2r) /知 其中Cpa為空氣比熱容，ya為空氣動力粘度； S423:計算輻射傳遞熱量 熱福射熱量Qrad分為兩部分，一部分為太陽熱福射Qsolar，一部分為長波福射Qlong，如下 式所示： Qrad - Qsolar+Qlong Qsolar - Sr :Q-S:石爾 其中Sr為熱通量，e為液池釋放系數(0.95)，〇為Stefan-Bo 11zmann常數； S424:計算蒸發(fā)熱量上式中， Sc為空氣的施密特(Schmidt)常數，計算式為Sc = ya/paDac; h為空氣的動力粘度，Pa為空氣密度，Da。為空氣的擴散系數，ua(z = lm)為lm高度處環(huán)境 風速，A Hv為特定溫度下的蒸發(fā)潛熱，M。為泄漏液體的分子量，P/為泄漏液體的飽和蒸汽 壓，R為氣體常數8314; S43:通過以上步驟S421-S424計算出液池溫度為Tpcicli下收集盤內的凈能量變化Qnet，然 后得出收集盤液池中溫度隨時間的變化函數：上式中，CP(Tpcicli)代表溫度Tpcicli下LNG的比熱容，m(p 〇〇l)代表在溫度Tpcicli下收集盤內存 有的泄露LNG的質量； S44:根據不同時刻收集盤液池的溫度變化，計算出每一時刻液池蒸發(fā)帶出的熱量，繼 而求出每一時刻蒸發(fā)帶走的LNG量：
【文檔編號】G06F17/50GK106055739SQ201610331523
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】賀丁, 舒小芹, 扈潔瓊, 趙欣, 趙曉靜, 黃會偉
【申請人】中國寰球工程公司