安全仿真技术在液化天然气储运系统中的应用

安全仿真技术在液化天然气储运系统中的应用

梁锋

梁锋

（广东中恒安检测评价有限公司惠州516000）

摘要：对于液化天然气企业来说，生产安全是企业从始到终都要重视的问题。及时识别生产过程中存在的危险问题，在系统服役期间保证生产安全是液化天然气系统运营企业面对的最棘手的问题。随着技术的发展和观念的改变，现代企业安全监察已经从事后究责转变为事前预防。现代的安全科学生产主要包括两方面的内容：安全仿真技术和安全模拟技术。在液化天然气系统中，安全仿真技术已经发挥了很大的故障监测与安全预防功能，它可以实时在线仿真液化天然气系统在服役过程中存在的危险，并对存在的故障和危险进行解析分析，从而可以更好的辅助人们规避风险。

关键词：故障；生产安全；安全仿真技术；分析

1.引言

液化天然气（LNG）由于具备石油、煤炭等其他燃料无法比拟的优越性而得到广泛的应用。然而，由于LNG在加工储运过程中危险性很大，因此对其安全性和存在的故障隐患进行预测和评价显得格外重要。对液化天然气储运系统发生事故泄露形成急剧蒸发和扩散的风险评价和分析方法主要有三个：野外实验、实验室测试和数字仿真。前两种方法的优点是还原了液化天然气储运系统中故障发生的真实状况，但缺点是事故发生过程液化天然气的扩散及状态的变化不易记录，从而导致实验人员不能有效了解故障的生成、发展及对周边环境的影响规律。数字仿真可以有效弥补以上两种实验的缺陷，在仿真模拟液化天然气储运系统的过程中，可以有效记录不同时间点的故障变化情况、故障发生程度以及最终的故障造成的危害和后果。从而为后续编制故障发展不同阶段对应的不同预防、防治措施提供了原始资料研究。

2.液化天然气储运系统的危险仿真

液化天然气储运系统中存在着许多潜在的危险，其中主要包括以下几点：

（1）液化天然气储运系统装置本身由于操作失误而产生的危害；

（2）液化天然气储运系统控制模块由于发生不可控故障而对整个系统产生的危害；

（3）边界条件的急剧变化，如突变的温度、压力等会使得液化天然气对系统产生冲击，从而引起了系统硬件的薄弱环节，导致薄弱环节失效，不能正常稳定工作。

（4）液化天然气储运系统中某一部位的故障，由于液化天然气的流动传播放大原因，最终会导致严重的不利后果。

虚拟仿真技术是现代计算机科学技术背景下诞生的一种综合性技术，它以系统论、相似原理、信息技术和控制论为基础，以计算机和专用设备为硬件支撑，利用仿真软件内设定的模拟实际情况的模型或对设想的情况进行动态模拟实验，针对这些危险性较大的安全仿真技术主要有：

2.1定量模拟仿真技术

在液化天然气储运系统中，一般应用三大守恒定律进行分析：动量守恒定律、能量守恒定律和质量守恒定律。针对液化天然气储运系统，在其工作过程中的动能、质量传递和其他一些内在的物理性质及其在一定的函数条件下的变化，定量模拟仿真技术中应用现代数学工具：微积分和线性代数原理对其进行精准量化描述其变化，这种在计算机系统中定量、实时反映液化天然气储运系统中的内部动态变化的技术就是定量模拟仿真技术。最常见的在液化天然气储运系统作模拟仿真研究的软件是HYSYS。为了增加对危险分析的真实性和高度仿真性效果的精准描述，该软件具有实时动态模拟的特点，可以动态模拟分析液化天然气储运系统的工艺运行特点，从而可以更好的为后续故障诊断与安全评价提供数据依据。其次，在安全控制方面，其可以根据具体故障情况，给出不同的方案以减轻或减少危险源给整个系统带来的安全损失。除此之外，它还可以将控制与生产一起研究，研究其相互影响和作用，在必要时，以发挥其各自的预防故障优势。在软件进行模拟开工的过程中，可以有效监测其过程中存在的隐形失误，从而确定安全、合理、经济的开工方案。在常用的仿真软件中，仿真对象及过程一般处于稳态状态，在液化天然气输送装置内，由于条件的突发和系统的局部不稳定性，使得常用软件无法模拟这种瞬态变化，HYSYS可以有效模拟分析液化天然气储运系统的局部瞬态变化。所有的模拟都是为了指导生产运营，HYSYS软件利用其强大的数据库系统，模拟分析装置的极限状态，从而分析系统的问题。

2.2定性模拟仿真技术

定性模拟仿真技术是一种基于模糊评价的仿真技术。它与定量模拟仿真技术的区别是用非数学工具来对信息、结果输出和建模等环节进行表达的仿真技术。它以定性的方式合理推导、模拟系统的各种不同行为。定性模型由于没有数据库做支撑，且其内部数学物理模型简化了很多，因此，比定量模型简单。在液化天然气储运系统中，对于一些需要模糊评价分析的数据、装置等一般应用定性模拟分析。现在，主流的定性模拟方法是HAZOP安全分析法，现有技术其采用符号定向图（SDG）模拟解决HAZOP分析实质是定性仿真方法。SDG的引进使得HAZOP的安全评价效率出现了一个质的飞跃，是现代大型液化天然气储运系统定性模拟分析的一项较受青睐的技术。

3液化天然气储运系统的硬件组成部分的仿真

在考虑液化天然气储运系统的安全性和故障诊断时，组成该系统的硬件部分也是一个对整体系统安全服役密不可分的重要环节。由于液化天然气储运系统的大型化和复杂性，导致在检查维修设备材料的方面需要需要投入很多时间和精力，且在对储运系统进行耐久性测试时，其结果也往往充满不确定性。在分析液化天然气储运系统硬件组成部分仿真时，ANSYS/FE-SAFE是其比较常用的应用软件。该软件主要由四部分组成，分别是：信号处理程序、材料数据库管理系统、用户界面和疲劳分析程序。该软件的原理是采用大规模集成有限元分析，在给定实际工作载荷的情况下计算不同装置所受的弹性应力。该软件的优势是可以对不同工况下的边界条件进行设定，比如在一定的温度辐射和磁场强度下，可以有效还原系统所处的真实情况。

3.1液化天然气及爆炸、燃烧的仿真技术

液化天然气储运系统中液化天然气的泄露和爆炸等安全事故是常见多发的一类安全事故，其危害性和扩展性很大。在现代常用CFX软件中，由于其可以兼顾流体和固体的多相位流固耦合分析，因此，常被应用于分析大型液化天然气储运系统。它能实时再现三维几何系统，并可以设置流体在不同部位的温度、压强和相位的变化规律。同时，其可以实时再现真实情况下液化天然气储运系统所处的边界条件、基于控制体积法的有限元数值方法、求解的并行计算等功能。它的强大的三维模型计算器功能可以使得最终计算结果以非常逼真的三维立体云图效果展现出来，动态展示了液化天然气泄漏、扩散、爆炸和燃烧的一系列发展过程，使得人们更好的研究事故发展机理。

3.2对于技术故障的仿真

这种虚拟仿真技术主要应用于液化天然气储运系统中装置出现故障的时候。它可以对各种不同装置进行寿命预测，对非正常故障状态进行检测，对故障进行识别和检测。从性质角度分析和量化研究两方面区别，这种技术故障诊断方法也可以分为定性模拟法和定量模型法。

3.3安全仿真训练

现在大型液化天然气储运系统往往需要有工作人员配合控制。以往的教学产品不能满足现代大型液化天然气输送系统的教学。应运而生的就是虚拟安全仿真训练，其可以训练工作人员按照规定有序完成工作内容，且有突发事件发生时，可以妥善做好相关处理工作。

4.结语

虚拟仿真技术由于其技术优先性以及可视化、沉浸感等多种优点，使得其在液化天然气储运系统中的安全监察、故障诊断与排查，故障解决方案等方面发挥了强大的作用。

参考文献：

[1]房旷.液化天然气储运系统设计与传热传质优化研究[D].电子科技大学，2013.

[2]王际辉，唐大伟，颜晓虹.液化天然气储运系统的流动沸腾换热及可视化实验研究[J].中国科学院研究生院学报，2007，24（l）：34一38

[3]徐鹏.树状分形分叉网络的输运特性[D].武汉：华中科技大学，2008.