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1、液化天然气储运与利用中的几个关键问题马晓茜 廖艳芬(华南理工大学电力学院) 摘要随着我国对液化天然气(LNG)的大量进口和广泛应用,LNG的储运和利用过程中安全性、环保和经济性问题就显得越来越突出。文中提出:建立描述LNG涡旋的分形模型、描述对流分层和泄漏扩散的时空混沌模型、描述爆炸和轰燃的突变模型,以及应用模糊理论、人工神经网络,结合非线性理论,构造出完整的预测和评价模型,实现对LNG储运常见事故的实时预测和储运系统安全性的智能化评价。通过燃气互换性和污染物排放及控制特性的研究,得到天然气置换其他燃气的最优方法,以及天然气洁净利用的方法。研究燃气蒸汽联合循环发电机组性能
2、和安全性问题,获得机组运行安全临界指数,结合运行参数对机组性能影响的敏感性分析,建立优化运行、经济调度的模型,形成调峰燃气蒸汽联合循环机组优化运行、经济调度辅助决策系统,指导机组安全、经济运行。分析LNG气化站运行性能、燃气轮机电站机组特性,建立冷能转化和利用数学模型,以及LNG冷能利用评估模型,通过效益分析,经济评价,优化LNG冷能利用系统,实现冷能的经济利用。关键词 液化天然气 非线性问题 燃气互换 调峰发电 冷能利用 人工智能 安全措施 目前天然气在世界能源结构中居第二位,占24%,预计将会超过石油而位居第一。在我国,以煤为主的能源结构造成了严重的环境污染,已经严重威胁
3、经济和社会的可持续发展,我国政府已经把调整能源结构,加大天然气在能源结构中的比例定为能源发展政策。随着西部开发战略的推进,我国将形成四川、鄂尔多斯、塔里木盆地和海域四个主要天然气基地,此外,周边国家有丰富的天然气资源供我国选择利用,42005年中国进口天然气将达到320×10t,2010年将4达到2000×t。随着天然气的到来,如何安全、10高效、、清洁合理地利用天然气,成为社会各界高度关注的问题。在天然气储运前将其液化,使其体积缩小到原来体积的1/625(即液化天然气LNG),是天然气贮存与输送的一种重要方式,我国拟在广东、福建、浙江建立LNG接收站。但是,LNG储运、利用过
4、程中存在以下(1)在LNG储运过程中存在着涡旋振动、关键问题:泄用的关键问题,对指导我国天然气的发展有着十分重要的意义。1 安全性问题中的非线性机理LNG涡旋,是因不同组分密度差异,或因氮先蒸发而分层,或自动分层后,发生的液层间强烈的混合现(象,当系统分层平衡破坏,形成的“翻腾”Rollover),将引起液体蒸发率剧增和涡旋[1～3]。同时,LNG站内LNG泵输送过程中的震动也会导致液体流动的振动和混沌,已有研究可以说明LNG分层、涡旋、振动的原因,但对内部流动、混合过程却缺乏数学描述和定量计算。LNG涡旋是典型的非线性问题,大涡串级成小涡的过程是典型的分形,可用分形理论的间歇
5、性、分数维、标度指数等概念来描述,以利于对涡旋和振动强度的定量预测。同时,不同密度差形成液体内部对流运动,与大气热对流,火灾中烟气羽流等有一定的相似。笔者曾研究火灾烟气羽流,发现烟气羽流也存在混沌解[4]3露扩散、爆炸燃烧等安全性问题,汽化后天然气在管网中存在腐蚀、泄漏、爆炸等安全性问题;(2)替代其他燃料存在燃气互换性的问题;(3)天然气燃烧温度高存在氮氧化物排放问题;(4)LNG发电机组调峰运行存在安全与经济性问题;(5)LNG冷能利用问题。目前,我国LNG工业处于起步阶段,研究LNG储运和利3基金项目:国家自然科学基金资助项目(50474034)。,目前正尝试采用混沌学来
6、描述LNG内部对流,对这一非线性动力系统的运动状态和规律作出定量的判断。在考虑LNG储运安全性时,还应充分考虑到贮存和装卸时,若LNG意外泄漏或溢出,LNG急速气化、扩散,并与空气混合形成易燃、易爆的混合气体。气化后364液化天然气储运与利用中的几个关键问题 2005甲烷的密度比空气的小,形成浮力羽流,气态天然气浮力羽流不断卷吸周围的大气从而出现卷曲及剧烈的紊乱,还可能引发火灾,因而研究泄漏液化气体在空气中的扩散过程,了解空间位置各点的速度和浓度分布,对于随后的火灾研究具有重要意义。当盛有具有一定压力LNG的储罐失效时,或处于外界火灾环境时,很可
7、能发生沸腾液体膨胀蒸汽爆炸(BLEVE)现象。同时LNG产生“翻腾”引起液体蒸发率剧增,加剧BLEVE,[5～7]的发生。另外,泄露扩散后的可燃气,达到可燃浓度界限时,在一定温度下,或遇到明火会形成轰燃,继而形成难以控制的火灾。蒸汽爆炸和轰燃发生、发展的相关因素很多,具有不连续性和突变性。要理解蒸汽爆炸,则必须了解高压LNG在加热和突然降压过程中的行为,由于蒸汽爆炸和轰燃可能在毫秒数量级的时间内发生,所以,对蒸汽爆炸和轰燃现象的研究存在很大的困难。突变理论是一种拓扑数学理论,能直接处理多相关
