基于VR的虚拟现实演练系统在LNG接收站应用研究

基于VR的虚拟现实演练系统在LNG接收站应用研究

叶泽斌

国家管网集团广西防城港天然气有限责任公司 广西壮族自治区防城港市 538000

1  引言

近些年，随着国民经济的快速增长，国内天然气消费量以年均16%以上的速度增长。建设大型LNG储备库首先要考虑储罐及管道的安全问题，一旦泄漏，不仅可能产生冷爆，还由于其能迅速挥发扩散，遇火源产生火灾爆炸等。因此，对应急和维修以及相关人员的应急处置，提出了巨大的挑战。由于LNG接收站安全限制，无法开展全部基于实际的应急演练和抢修，研制一套基于VR的LNG应急培训演练系统和应急处置装置，为大型LNG接收站平安运行提供一个演练和培训的平台。

2  虚拟现实技术

虚拟现实(Virtual Reality，VR)因其真实性、可操作性、可重复性、交互性、沉浸性等优点，已被广泛用于石油化工等行业，建立LNG接收站精确三维场景、研究开发LNG泄漏扩散半径数值模拟、设定典型应急培训案例。随着VR技术的成熟，将其引入LNG产业作为应急培训的工具有助于解决上述调研中列举的LNG产业应急培训存在的问题。

3  基于VR的虚拟现实应急技术

基于VR技术的虚拟现实场景是承载应急培训演练过程的LNG泄漏及处置过程是整个应急培训演练系统的基石。主要内容如下：

1）、系统总体功能框架

整个LNG三维虚拟现实应急培训演练系统预计实现四个核心功能模块：模型场景建立及LNG泄漏扩散模拟、抢修管理、培训与考核、应急演练。

LNG三维虚拟现实应急培训演练系统总体功能框图

2）、系统硬件架构

LNG三维虚拟现实应急培训演练系统硬件架构主要包括视觉通道、听觉通道、人机交互和信号监控反馈通道。

LNG三维仿真系统硬件架构

3)、系统软件架构

软件模块主要包括设备模型管理模块、仿真控制系统模块、虚拟现实模块、数据接收模块、知识描述模块和数据库等。

LNG三维仿真系统软件架构

4  LNG泄漏扩散燃烧爆炸CFD数值模拟

    系统核心应设置与现场LNG扩散相匹配的模型，用于分析扩散规律和范围，用于为决策者提供应急抢修依据。

LNG泄漏扩散及火灾爆炸影响因素

根据实际LNG接收站的情况，针对LNG泄漏情况，需要对LNG接收站的火灾爆炸进行CFD模拟，以得到更准确的预测值。

1）、不同环境温度下LNG泄漏扩散体积浓度分布

根据模拟设置了12℃、17℃、22℃、27℃、32℃这5个环境温度下，在发生泄漏时候的20s、60s、100s、150s、200s下LNG泄漏的体积浓度分布。环境温度越高在保证泄漏速度相同时，LNG泄漏扩散体积浓度分布范围约广，浓度值也相对上升。

不同环境温度下LNG泄漏扩散体积浓度分布

2）、不同风速风向下LNG接收站风场

可以发现，在风向为45°时，在1、2、4罐中间区域形成较大风速的风，在10m/s的风速环境下特定点风速可以达到45m/s；在1、2号罐与山体之间和4号罐与山体之间的区域也有较大风速的风形成。

不同风速风向下LNG接收站风场

3)、不同泄漏速率下LNG泄漏扩散体积浓度分布与危险范围

100kg/s、200kg/s、400kg/s三种泄漏速率下，泄漏时间分别为30s、50s、100s、150s、200s时的扩散体积浓度，可以发现，泄漏速率高，同时间内LNG泄漏扩散范围大。

不同泄漏速率下LNG泄漏扩散范围

5 低温LNG泄漏多场多相耦合数学建模

   对低温天然气泄漏过程进行了三维建模、数理建模及模拟结果虚拟可视化的研究，充分模拟了在不同环境条件（风速、风向、温度、湿度等）、不同泄漏位置等多因素影响下的LNG泄漏、扩散过程。

1）多相流体数值模拟数学模型

2）温度场数学模型

3）气-液相变数学模型

4）气体扩散数学模型

1.3.4.2数学模型测试算例

为验证数学模型在泄漏过程模拟的适用性，进行了不同参数条件下的二维和三维模拟分析测试。

泄漏口质量流量5Kg/S，泄漏口直径3mm，不同时刻泄漏区域

5）泄漏三维空间建模

将不同参数组合的模拟图形库导入到场景中，并制作交互界面，实现了LNG接收站不同工况下气体泄漏的动态显示，以期更加有利于作业人员在不同事故发生时，完成相应的应急演练处置方法训练。

基于数值模拟的虚拟应急演练系统交互

6 应用展望

1）该系统解决了事故演练中感知性、交互性不足等问题，在LNG泄漏应急处置演练方面达到国内领先，对行业安全发展具有重要的现实意义。同时可通过更改泄漏场景在其他石油化工行业中进行推广改进。

2）LNG泄漏应急处置方法库对于LNG管道、法兰等的LNG泄漏处理具有指导意义。石油及其他需要管道传输的化工行业站场管道分布、环境地貌与LNG接收站类似，因此可参考应急方处置法库的LNG泄漏时的环境参数变量、LNG管道孔径参数等内容开发应用与不同行业的管道介质泄漏应急处置方法库。