一种LNG罐箱剩余维持时间运动修正方法及系统与流程

一种lng罐箱剩余维持时间运动修正方法及系统
技术领域
1.本发明属于lng燃料动力船安全技术领域，更具体地，涉及一种lng 罐箱剩余维持时间运动修正方法及系统。


背景技术：

2.lng罐箱水陆(水路、铁路、公路)多式联运是与管道运输、lng散装 运输船并行的第三种新型的lng物流方式，并在国家碳减排和碳达峰大战 略背景下逐渐由之前的试点转为常态化运行。其中lng罐箱剩余维持时间 是涉及lng罐箱安全运输的关键参数，现有法律法规及相关技术规则要求 lng罐箱在船舶载运期间以及车辆载运lng罐箱通过隧道、涵洞时不允许安 全阀起跳导致可燃气体的泄漏，为此只有通过准确的lng罐箱剩余维持时 间预报，才能避免上述意外的发生。
3.而行业现有关于lng罐箱剩余维持时间预报方法，基本上都是通过饱 和均质模型计算的lng罐箱到起跳状态所需漏热量和lng罐箱生产厂家在 lng罐箱型式试验所测得的静态日蒸发率之间的比值计算得到，其预报结果 仅可用于lng罐箱绝热性能的评比，预报精度不足以应用到实际lng罐箱 运输过程特别是水陆多式联运的安全控制。作为预报基础的“静态日蒸发 率”是根据国标《gb/t 18443.5》在标准状态下以液氮为介质静态测试转 换所得，其所测得的值为标准状态下的静态日蒸发率，实际罐箱储运过程 中，因环境温度、气液体积、罐内温度压力、lng组分、罐箱运动等因素的 变化，日蒸发率会有明显变化。饱和均值算法虽然可引入俄罗斯模型进行 修正，但仍未考虑到罐箱在运输过程中的运动影响。
4.针对上述存在问题，结合lng罐箱实船运输实验数据，仅用热流不均 匀系数修正模型这种行业已有方法计算所得结果与lng罐箱实际无损维持 时间之间有明显误差，lng罐箱在行业已有方法计算所得剩余维持时间之前 发生安全阀起跳的情况普遍存在，这也反映出了行业已有方法应用于实际 罐箱时有一定的安全隐患，需要针对运动导致日蒸发率的变化提出模型修 正，减小预报与实际的误差，并消除上述隐患。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种lng罐箱剩 余维持时间运动修正方法，为了弥补现有计算模型中未考虑罐箱在实际在 途运输中，因为运动导致的静置状态的温度分层被破坏，导致现有算法中 热流不均匀系数修正模型计算得出的剩余维持时间与实际维持时间之间存 在误差的缺陷，提出一种精确的lng罐箱实际维持时间的修正方法。罐箱 实时状态监测参数和初始参数，结合运动参数(振幅和频率)从而实现lng 罐箱实际维持时间的精确预报，提高对lng罐箱状态信息感知程度，提升 lng罐箱运输过程中的安全控制水平。
6.为实现上述目的，按照本发明一个方面，提出了一种lng罐箱剩余维 持时间运动修正方法，包括以下步骤：
7.s1采集参数：lng罐箱效容积、安全阀起跳压力、静态蒸发率、绝热 型式、lng组分
及物性参数、lng罐箱相关信息参数；
8.s2根据饱和均值模型计算得到的lng储罐剩余维持时间t；
9.s3基于热流不均匀系数修正模型对饱和均值模型计算得到的维持时间 t进行修正，得到在堆场静置状态下的满罐剩余维持时间；
10.s4判断lng罐是否为运动状态，若是，则构建剩余维持时间的运动修 正模型，在热流不均匀系数修正计算结果基础上，根据运动修正模型对剩 余维持时间进行修正，得到在运输状态下的余维持时间，否则，输出步骤 s3获取的静置状态下的满罐剩余维持时间。
11.进一步地，步骤s3中，所述热流不均匀系数修正模型为：
[0012][0013][0014][0015]
式中：
[0016]
p
*
—无因次压力；
[0017]
φi—实时充满率；
[0018]
f—无因次漏热率；
[0019]
q—单位面积漏热流密度,w/m2[0020]
q—实时状态下的液体质量，kg；
[0021]
a—储罐内容器外表面积，m2；
[0022]alng20
—lng静态蒸发率(质量分数)，％/d；
[0023]
k2—环境温度修正系数；
[0024]
γ
lng
—标准大气压下饱和lng的气化潜热，kj/kg；
[0025]
c—实时状态下的液体比热容，kj/(kg
·
k)；
[0026]
ti—实时状态下液体平均温度，k；
[0027]
pn—终了压力，即安全阀起跳压力，mpa；
[0028]
pi—实时压力，mpa；
[0029]
p
cr
—临界压力，mpa。
[0030]
进一步地，步骤s4中，所述运动修正模型为：
[0031]
d＝(a
×rev3
+b
×rev2
+c
×rev
+d)
[0032]
式中：
[0033]
d—运动修正系数；
[0034]rev
—振动雷诺数；
[0035]
a，b，c，d—运动模型修订系数。
[0036]
进一步地，所述振动雷诺数为：
[0037][0038]
式中：
[0039]rev
—振动雷诺数；
[0040]amp
—运动振幅，m；
[0041]
f—运动频率，hz；
[0042]
rd—储罐圆柱段直径；
[0043]
vn—lng在温度ti下的粘度。
[0044]
进一步地，步骤s1中，lng罐箱相关信息参数包括：罐内温度、压力、 充装率以及罐体加速度。
[0045]
按照本发明的另一个方面，提供一种lng罐箱剩余维持时间运动修正系 统，包括：
[0046]
参数采集模块，用于采集lng罐箱效容积、安全阀起跳压力、静态蒸 发率、绝热型式、lng组分及物性参数、lng罐箱相关信息参数；
[0047]
剩余维持时间计算模块：用于根据饱和均值模型计算得到的lng储罐 剩余维持时间t；
[0048]
热流不均匀系数修正模块，用于基于热流不均匀系数修正模型对饱和 均值模型计算得到的维持时间t进行修正，得到在堆场静置状态下的满罐 剩余维持时间；
[0049]
运动模型修正模块，用于判断lng罐是否为运动状态，若是，则构建 剩余维持时间的运动修正模型，在热流不均匀系数修正计算结果基础上， 根据运动修正模型对剩余维持时间进行修正，得到在运输状态下的余维持 时间，否则，输出步骤s3获取的满罐剩余维持时间。
[0050]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要 具备以下的技术优点：
[0051]
1.本发明通过对运动模型优化，可以实现lng罐箱剩余无损维持时间 的精准预测，其预报结果误差明显小于现有计算方法，更接近与实际过程 中的剩余维持时间，极大提升lng罐箱运输过程中的安全控制水平。
[0052]
2.本发明中，罐箱在运输的过程中，罐箱的振动会导致罐内lng与罐 壁之间的热交换系数发生变化，为了对该类物理现象进行描述，引入振动 雷诺数参入到罐箱维持时间的修正模型中。振动较小时，换热系数与静置 状态大致相同，随着振动能量的增大，强化换热效果较为明显。
附图说明
[0053]
图1为本发明实施例中热分层原理示意图；
[0054]
图2是本发明优选实施例涉及的一种lng罐箱剩余维持时间运动修正 方法的流程图；
[0055]
图3为本发明实施例中运动修正前后的lng压力曲线对比示意图。
具体实施方式
[0056]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，
对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。
[0057]
理想状态下，从外界传入到lng罐箱内部的热量应是均匀分部到罐箱 内部介质，及饱和热均质状态。但实际情况是外界传入的热量首先被靠近 箱体的液相介质吸收，该部分液相由于受热膨胀，密度降低会逐渐向上方 汇集。所以外界传入的热量大部分积存在液相的上方(由于气相体积较小， 所占表面积小，且导热系数及热容量较低，其吸收的热量相对于液相可忽 略不计)。因此，在lng罐箱内部，lng并非均匀饱和的，而是存在温度梯 度和热分层。lng的分层会形成压力的急剧上升，压力上升速度更快，因此 lng罐箱安全阀起跳的剩余维持时间会比饱和热均质状态下的理论剩余维 持时间显著降低。
[0058]
基于上述热分层原理，本发明专利采用热流不均匀系数修正模型结合 试验结果拟合修正系数对初始剩余维持时间进行修正。其中热流不均匀系 数修正模型源自于20世纪基于大量固定式低温储罐试验数据的回归拟合的 无量纲模型。
[0059]
低温储罐的漏热途径主要有两个方面：罐体绝热材料漏热和内罐支撑 结构漏热。绝热材料漏热占总漏热量的50％-80％，支撑结构漏热占总漏热量 的20％-50％，相关比例与绝热方式和绝热性能的好坏、内支撑结构的型式与 材料等有关。由于支撑结构与内容器接触面积很小，因此支撑结构的局部 热流密度是隔热材料部分热流密度的几十甚至上百倍。
[0060]
根据相关文献及统计资料，俄罗斯模修正型成形较早，适用于支撑所 占漏热量＜20％的低温储罐，该类储罐的绝热方式主要为真空粉末填充，结 构形式较为单一，罐体热量传入相对均匀。而目前lng罐箱绝大多输采用 了技术更为先进的高真空多层绝热，内部支撑结构也进行了优化，有两点、 四点和八点支撑。随着低温绝热技术的不断进步，高真空多层绝热方式的 普及和新材料、新结构、新工艺的应用，相关文献及数据反映，在高真空 多层绝热容器无损贮存时间的推算中热流不均匀系数修正模型产生了较大 的误差。热流不均匀系数修正模型并未反映影响低温容器无损贮存时间的 一个重要因素：沿内容器表面热量传入的不均匀性。
[0061]
根据相关厂商的设计资料，以液氮作为研究介质，对于高真空多层绝 热玻璃钢八点支撑的低温容器，最常见的50层反射层与隔热层组合的绝热 材料部分的热量密度在0.8-1.3w/m2，而支撑结构局部热流密度为385w/m2。 这样悬殊的热流密度会使得内容器支撑结构局部的温度场很不均匀，采用 热流不均匀系数修正模型也会出现较大的误差。而现有lng罐箱所采用的 高真空多层绝热比传统的粉末真空绝热来的更加悬殊，因此不均匀度更高。 热流密度的不均匀带来了容器内液体温度场的不均匀，相应带来的压力升 高更加剧烈。
[0062]
如图1所示，本发明实施例提供的一种lng罐箱剩余维持时间运动修 正方法，包括以下步骤：
[0063]
1、基本参数输入，包括：lng罐箱效容积、安全阀起跳压力、静态蒸 发率、绝热型式、lng组分及物性参数。
[0064][0065][0066]
2、采集lng罐箱相关信息参数，包括罐内温度、压力、充装率、罐体 加速度。
[0067][0068][0069]
3、剩余维持时间计算：根据饱和均值模型计算得到的lng储罐剩余维 持时间t。
[0070]
4、俄罗斯模型修正：为此本专利算法在采用热流不均匀系数修正模型 的基础上，根据试验数据统计回归结果，引入无因次变量——热流不均匀 系数，来反映不同结构型式的低温储运容器因为漏热热流密度不均匀而给 容器无损贮存带来的影响，用以修正俄罗斯模型，即热流不均匀模型。热 流不均匀系数值越小，说明在相同漏热量的条件下，局部扰动增强，整体 扰动减弱，导致温度场的均匀性变差，相应升压速度加快，无损贮存时间 变短；热流不均匀系数值越大，说明在相同漏热量的条件下，局部扰动减 弱，整体扰动增强，导致温度场的均匀性变好，无损贮存时间变长，容器 内的低温液体的状态越接近于饱和均质模型这一理想极限；而热流不均匀 系数等于1时，容器无损贮存的升压规律恰好符合俄罗斯模型的统计规律。 得到在堆场静置状态下的满罐剩余维持时间，具体计算原理如下：
[0071][0072][0073][0074]
式中：
[0075]
p
*
—无因次压力；
[0076]
φi—实时充满率；
[0077]
f—无因次漏热率；
[0078]
q—单位面积漏热流密度,w/m2[0079]
q—实时状态下的液体质量，kg；
[0080]
a—储罐内容器外表面积，m2；
[0081]alng20
—lng静态蒸发率(质量分数)，％/d；
[0082]
k2—环境温度修正系数；
[0083]
γ
lng
—标准大气压下饱和lng的气化潜热，kj/kg；
[0084]
c—实时状态下的液体比热容，kj/(kg
·
k)；
[0085]
ti—实时状态下液体平均温度，k；
[0086]
pn—终了压力，即安全阀起跳压力，mpa；
[0087]
pi—实时压力，mpa；
[0088]
p
cr
—临界压力，mpa。
[0089]
以上为无因次准则式的俄罗斯模型，该公式是学者在研究氧、氮和氩等 低温液体储罐时通过实验数据的归纳得到充装率、压力以及漏热率的影响 规律。
[0090]
5、运动模型修正：
[0091]
相对于在陆上静置状态主要是考虑热分层对lng罐箱温度和压力上升 的影响，lng罐箱在运输过程中，特别是海上运输，由于受到海上风浪的影 响，lng罐箱内部介质会随同船舶运动而产生晃荡。一方面，晃荡作用可以 打破罐箱静置时罐内lng产生的热分层现象，降低或消除罐内lng的温度 梯度，使罐内lng充分混合，有助于形成饱和均质状态，延长罐箱无损维 持时间。另一方面，晃荡作用会加剧液体间的相对运动，增加液体分子间 的摩擦，使其内能增加、液体温度温度，进而使饱和压力上升，减少无损 维持时间。所以在运动状态下lng罐箱温度和压力的上升规律需要考虑运 动载荷所带来的的影响。
[0092]
为进一步将运动载荷转换为剩余维持时间的修正系数，根据对试验测 试结果进行分析后，发现罐箱随船运动时的无损维持时间与静态陆上静置 期间的无损维持时间存在一定的差异，运动状态下优于静止状态(压力升 高更慢)。初始压力升高曲线两者基本相同，中期动态实验罐箱压力升高 更加的均匀，后期二者数据比较接近。在综合考虑采用三阶函数来进行运 动修正。若lng罐箱处于运输状态，则应在热流不均匀系数修正计算结果 基础上，根据运动修正模型对剩余维持时间进行修正，得到在运输状态下 的余维持时间：
[0093]
d＝(a
×rev3
+b
×rev2
+c
×rev
+d)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0094]
式中：
[0095]
d—运动修正系数；
[0096]rev
—振动雷诺数；
[0097]
a，b，c，d—运动模型修订系数。
[0098]
为明确运动载荷对lng罐箱剩余未时间的影响规律，本专利根据陆上 台架实验和实船试验的结果，对不同海况下的运动载荷下的进行分析归纳， 发现罐箱在运动过程中，其蒸发率可能会出现一定的变化。当罐箱处于相 对平稳(3级海况)或相对恶劣(8级海况)的工况时，其日均漏热量较静 态会降低，更有利于罐箱内低温介质的长期储存，而某些海况(4级海况) 其日均漏热量与静态基本相同。此类物理现象为换热面振动强化对流换热 现象，其振动强度可使用振动雷诺数r
ev
来表示：
[0099][0100]
式中：
[0101]rev
—振动雷诺数；
[0102]amp
—运动振幅，m；
[0103]
f—运动频率，hz；
[0104]
rd—储罐圆柱段直径；
[0105]
vn—lng在温度ti下的粘度。
[0106]
分析罐箱实船运输实验数据发现，经过远洋运输的罐箱较对比静置的 罐箱，其实际维持时间较长。究其原因可发现，在运输的过程中，罐箱的 振动会导致罐内lng与罐壁之间的热交换系数发生变化，为了对该类物理 现象进行描述，引入振动雷诺数参入到罐箱维持时间的修正模型中。振动 较小时，换热系数与静置状态大致相同，随着振动能量的增大，强化换热 效果较为明显。
[0107]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。