LNG罐箱剩余维持时间安全预报方法、系统、终端及存储介质与流程

lng罐箱剩余维持时间安全预报方法、系统、终端及存储介质
技术领域
1.本发明属于lng存储安全技术领域，更具体地，涉及一种lng罐箱剩余维持时间预报方法、系统、终端及存储介质。


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(即实时状态距安全阀起跳状态的时间间隔)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.行业现有关于lng罐箱剩余维持时间预报方法，基本上是基于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根据饱和均质模式计算所得，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，这主要由以下几个方面的缺点造成：(1)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测试转换所得，尚未考虑不同环境温度、充装率、罐内初始温度压力、lng组分差异、罐箱晃动等影响因素，其结果类似于工信部提供的车辆油耗，其更侧重于反应车辆是否节油(相对值)，而非车辆实际油耗(绝对值)；(2)所采用的饱和均质计算模型没有考虑到罐内温度不均匀(即热分层)对计算结果的影响；(3)部分算法虽然引入俄罗斯修正模型，改模型源自于20世纪80年代及以前的相关固定储罐试验数据分析回归结果，在当时的绝热技术下支撑结构传热仅占总漏热量的20％不到，而现有绝热技术采用更先进的工艺和材料，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，支撑结构传热仅占总漏热量的远超20％，造成罐内温度不均匀(即热分层)更为严重，采用俄罗斯修正模型的计算结果也出现了较大偏差，即现有算法中没有考虑lng储罐内罐支撑形式对漏热不均匀性的影响。(4)现有预报算法尚未考虑lng罐箱在营运期间绝热性能下降所导致的影响，如绝热层真空度的下降、粉末填料不均匀性聚集、多层缠绕材料表面涂料老化导致的热折射率下降等因素；(5)现有算法均是针对陆上静态储罐的计算方法，尚未针对实时状态，特别是lng罐箱海上运输过程中内部介质受风浪影响产生晃荡的特殊情况。(6)现有算法中无法考虑到充装率过大导致涨罐时的剩余维持时间计算。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种lng罐箱剩余维持时间预报方法、系统、终端及存储介质，根据lng罐箱有效容积、安全阀起跳压力、实时罐内气相压力、实时罐内温度、罐内液相充装率、lng罐箱的日蒸发率(或漏热系数)准确预测安全阀起跳的时间(简称剩余维持时间)。并可以根据lng储罐的绝热型式、支撑型式、lng组分及物性
参数、环境温度、运动载荷等因素的影响，对预测的剩余维持时间进行修正，以提高对lng罐箱内部状态的感知程度。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种lng罐箱剩余维持时间安全预报方法，包括如下步骤：
6.s100：lng罐箱基本参数及信息采集输入；
7.s200：根据lng罐箱基本参数及采集信息判定其是否为液池充装或用户使用状态液池充装或用户使用状态，若否则进入步骤s300，若是则结束预报；
8.s300：根据安全阀起跳压力计算其对应的最小液相质量、最小液相密度、剩余lng总质量及平均密度，并判断罐箱安全阀在一般储运状态下是否会起跳，若起跳则为满罐并进入步骤s400,若不起跳则为空罐并结束预报；
9.s400：确定安全阀的起跳压力，并预报是否发生涨罐；
10.s500：基于实时状态计算到最终安全阀起跳时对应lng罐箱的总漏热量，并计算获得其日均漏热量；
11.s600：根据lng罐箱总漏热量及日均漏热量，确定其理论剩余维持时间，获得lng罐箱实时状态下剩余维持时间并进行安全预报。
12.进一步地，步骤s300中，最小液相质量、最小液相密度、剩余lng总质量及平均密度为：
13.m
min
＝ρ
gpv
×vꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
14.ρ
gpv
＝a
g％
p
sv6
b
g％
p
sv5
c
g％
p
sv4
d
g％
p
sv3
e
g％
p
sv2
f
g％
p
sv
g
g％
ꢀꢀ
(2)
15.m0＝ρ
l0
×v×
φ ρ
g0
×v×
(1-φ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0016][0017]
式中：
[0018]mmin
—安全阀起跳压力对应的最小液相质量，kg
[0019]
ρ
gpv
—安全阀起跳压力对应的最小气相密度，kg/m3[0020]
v—储罐有效容积，m3[0021]ag％
、b
g％
、c
g％
、d
g％
、e
g％
、f
g％
、g
g％
—特定lng组分下，压力换算气相密度多项式系数
[0022]
p
sv
—安全阀起跳压力,mpa
[0023]
m0—罐内现有气液总质量，kg
[0024]
ρ
l0
—罐内液相密度，kg/m3[0025]
φ—充装率，％
[0026]
ρ
g0
—罐内气相密度，kg/m3[0027]
ρ0—平均密度，kg/m3。
[0028]
进一步地，步骤s400中，根据安全阀起跳压力计算涨罐密度及现有充装率计算最小液相密度，判断是否发生涨罐：
[0029]
ρ
lpv
＝a
l％
p
sv6
b
l％
p
sv5
c
l％
p
sv4
d
l％
p
sv3
e
l％
p
sv2
f
l％
p
sv
g
l％
ꢀꢀ
(5)
[0030][0031]
pz＝k
l％
ρ
lmin3
l
l％
ρ
lmin2
m
l％
ρ
lmin
n
l％
ꢀꢀ
(7)
[0032]
式中：
[0033]
ρ
lpv
—安全阀起跳压力对应的最小液相密度，kg/m3；
[0034]al％
、b
l％
、c
l％
、d
l％
、e
l％
、f
l％
、g
l％
—特定lng组分下，压力换算液相密度多项式系数；
[0035]
p
sv
—安全阀起跳压力,mpa；
[0036]
ρ
lmin
—涨罐密度，kg/m3；
[0037]
ρ
l0
—罐内液相密度，kg/m3；
[0038]
v—储罐有效容积，m3；
[0039]
φ—充装率，％；
[0040]
ρ
g0
—罐内气相密度，kg/m3；
[0041]
pz—最小液相密度计算其对应的饱和压力,mpa；
[0042]kl％
、l
l％
、m
l％
、n
l％
—特定lng组分下，液相密度换算饱和压力多项式系数。
[0043]
进一步地，步骤s400中，判断lng储罐的充装率是否超过充装极限，其中：
[0044]
充装极限＝安全阀起跳对应温度下的lng密度/实时温度下的密度
×
98％；
[0045]
其中，98％为罐箱有效容积最大利用率，根据安全阀安装管道根部伸入罐箱内部的位置确定。
[0046]
进一步地，步骤s500中，lng罐箱的总漏热量通过下述方法计算：
[0047]
δq＝ρ
gnvgnhgn
ρ
lnvlnhln-ρ
givgihgi
ρ
livlihli
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0048]
式中：δq—总漏热量，kj；
[0049]
ρ
gn
—安全阀起跳压力对应气相的密度，kg/m3；
[0050]
ρ
ln
—安全阀起跳压力对应液相密度，kg/m3；
[0051]hgn
—安全阀起跳压力对应气体的焓，kj/kg；
[0052]hln
—安全阀起跳压力对应液体的焓，kj/kg；
[0053]vgn
—安全阀起跳压力对应气体的体积，m3；
[0054]vln
—安全阀起跳压力对应液体的体积，m3；
[0055]
ρ
gi
—实时气相密度，kg/m3；
[0056]
ρ
li
—实时液相密度，kg/m3；
[0057]hgi
—实时气体的焓，kj/kg；
[0058]hli
—实时液体的焓，kj/kg；
[0059]vgi
—实时气体的体积，m3；
[0060]vli
—实时液体的体积，m3。
[0061]
进一步地，步骤s200中，lng储罐的储运状态判断包括如下几种状态：
[0062]
液池充装或用户使用状态：充装率30分钟变化率超过10％，罐体加速度为零及位置信息30分钟内变化小于1km；
[0063]
堆场静置：充装率30分钟变化率小于10％，罐体加速度为零及位置信息30分钟内变化小于1km；
[0064]
运输状态：充装率30分钟变化率小于10％，罐体加速度大于零及位置信息30分钟内变化大于1km。
[0065]
按照本发明的第二个方面，提供一种lng罐箱剩余维持时间安全预报系统，包括：
[0066]
信息采集模块：用于采集输入lng罐箱基本参数及信息；
[0067]
液池充装或用户使用池充装或用户使用状态判断模块：用于根据lng罐箱基本参
数及采集信息判定其是否为液池充装或用户使用状态液池充装或用户使用状态；
[0068]
安全阀是否起跳判断模块：用于根据安全阀起跳压力计算其对应的最小液相质量、最小液相密度、剩余lng总质量及平均密度，判断罐箱在一般储运状态下是否会起跳；
[0069]
起跳压力判断模块：用于确定安全阀的起跳压力，并预报是否发生涨罐；
[0070]
总漏热量及日均漏热量计算模块：用于基于实时状态计算到最终安全阀起跳时对应lng罐箱的总漏热量，并计算获得其日均漏热量；
[0071]
理论剩余维持时间计算模块：用于根据lng罐箱总漏热量及日均漏热量，确定其理论剩余维持时间，获得lng罐箱实时状态下剩余维持时间并进行安全预报。
[0072]
按照本发明的第三个方面，提供一种电子设备，包括：
[0073]
至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，
[0074]
所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；
[0075]
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行所述的方法。
[0076]
按照本发明的第四个方面，提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行所述的方法。
[0077]
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，能够取得下列有益效果：
[0078]
1.本发明的预报方法，采用实测lng罐箱日均漏热量计算lng罐箱安全阀起跳的剩余维持时间，可综合考虑不同环境温度、充装率、罐内初始温度压力、lng组分差异、罐箱晃动、热分层、罐箱支撑形式及罐箱绝热性能老化的因素，反应罐箱实际绝热性能，可实现精确剩余维持时间预报。
[0079]
2.本发明的预报方法，计算方法在饱和均质模型的基础上考虑了lng罐箱内温度场不均匀对计算结果的影响，采用了修正后的俄罗斯修正模型，使得计算结果更加准确。
[0080]
3.本发明的预报方法，通过实测lng罐箱日均漏热量，可对lng罐箱的绝热性能进行实时监测，并对绝热性能下降严重的lng罐箱实现故障预警，确保lng罐箱的安全营运。
[0081]
4.本发明的预报方法，在算法中引入了运动载荷修正系数，使得算法在lng罐箱海上运输过程中内部介质受风浪影响产生晃荡的特殊情况下，计算结果更加准确。
[0082]
5.本发明的预报方法，算法考虑了体积涨罐场景，可根据充装率判断lng罐箱是否会发生涨罐，并在确定发生涨罐的情况下，对安全阀起跳压力进行修正，对安全阀提前起跳实现准确预报。
[0083]
6.本发明的预报方法考虑了lng罐箱不同状态，即堆场静置、运输、空罐及满罐排列组合状态，适用于不同状态下实时精准剩余维持时间预报。
附图说明
[0084]
图1为本发明实施例一种lng罐箱剩余维持时间预报方法流程示意图；
[0085]
图2为本发明实施例一种lng罐箱剩余维持时间预报系统组成示意图。
具体实施方式
[0086]
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。
[0087]
lng是以-161℃低温储存于lng罐箱内部，其内部压力接近于大气压力。根据热力学定律，随着温度的升高，lng的饱和蒸气压随之增加，对应的lng罐箱内部压力也随之上升。为了确保lng罐箱内部压力维持在较低水平，不至于超出lng罐箱的设计压力而引发事故灾害，从主动防护层面，lng罐箱箱体采用高真空加粉末填充或多层缠绕等的高绝热措施来降低罐箱内外的热量传输，进而缓解罐内lng温度和压力的上升；从被动防护层面，lng罐箱设置安全阀，当罐内压力接近设计压力时起跳，释放压力避免箱体损坏。但是安全阀起跳会导致部分可燃气体的释放，遇到引火源会发生火灾爆燃，导致次生灾害。如果能够准确预测安全阀起跳时间，可以增强对罐内状态的安全感知程度，同时可以在运输或存放过程中避开危险场景，避免灾害事故的发生。为了解决上述问题，本发明实施例提供一种lng罐箱剩余维持时间预报方法，剩余维持时间即为目前状态到安全阀起跳的时间间隔，实际上就是预报安全阀起跳时间，包括如下步骤：
[0088]
步骤一：基本参数输入及信息采集
[0089]
包括lng罐箱效容积、安全阀起跳压力、静态蒸发率、绝热型式、支撑型式；lng组分及物性参数，具体参数见下表：
[0090][0091]
采集lng罐箱相关信息参数，包括罐内温度、压力、充装率、罐体加速度及位置信息。
[0092][0093]
步骤二：储运状态判断
[0094]
根据采集的充装率、罐体加速度及定位，判断罐箱是处于液池充装或用户使用状态(充装率30分钟变化率超过10％，罐体加速度为零及位置信息30分钟内变化小于1km)、堆场静置(充装率30分钟变化率小于10％，罐体加速度为零及位置信息30分钟内变化小于1km)还是运输状态(充装率30分钟变化率小于10％，罐体加速度大于零及位置信息30分钟内变化大于1km)，如果处于液池充装或用户使用状态则不进行计算，否则进入以下步骤分别计算lng罐箱剩余维持时间。
[0095]
步骤三：充装状态判断
[0096]
根据lng罐箱内部充装率，将lng罐箱的充装状态划分为满罐和空罐两种状态。其中空罐系指罐箱内部有剩余的lng，随罐内温度上升至安全阀起跳压力对应的lng饱和温度，罐内压力仍不足以导致安全阀起跳的状态。具体判断方法为：根据安全阀起跳压力计算其对应的最小液相质量(或最小液相密度)，当罐内剩余lng总质量(或平均密度)小于及罐内现有气液总质量(或最小液相密度)则确定为空罐，在储运过程中lng罐箱不会发生安全阀起跳，否则为满罐状态。
[0097]
其中安全阀起跳压力计算其对应的最小液相质量、最小液相密度、剩余lng总质量及平均密度计算原理如下：
[0098]mmin
＝ρ
gpv
×vꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0099]
ρ
gpv
＝a
g％
p
sv6
b
g％
p
sv5
c
g％
p
sv4
d
g％
p
sv3
e
g％
p
sv2
f
g％
p
sv
g
g％
ꢀꢀ
(2)
[0100]
m0＝ρ
l0
×v×
φ ρ
g0
×v×
(1-φ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0101][0102]
式中：
[0103]mmin
—安全阀起跳压力对应的最小液相质量，kg
[0104]
ρ
gpv
—安全阀起跳压力对应的最小气相密度，kg/m3[0105]
v—储罐有效容积，m3[0106]ag％
、b
g％
、c
g％
、d
g％
、e
g％
、f
g％
、g
g％
—特定lng组分下，压力换算气相密度多项式系数
[0107]
p
sv
—安全阀起跳压力,mpa
[0108]
m0—罐内现有气液总质量，kg
[0109]
ρ
l0
—罐内液相密度，kg/m3[0110]
φ—充装率，％
[0111]
ρ
g0
—罐内气相密度，kg/m3[0112]
ρ0—平均密度，kg/m3。
[0113]
其中公式(2)安全阀起跳压力对应的最小气相密度ρ
gpv
的计算原理是基于lng罐内的气液两相均处于热力学饱和状态，每个饱和状态下的温度、压力及相关的密度均是一一对应的，故根据物质的热力学特性可以查表得到各种压力所对应的密度，然后可根据相应的结果数列根据需要的精度进行多项式拟合，具体拟合次数可根据对结果的精度需求而定。对于多组分的混合物则需要先查表得出各组分的压力和密度对应数列，然后根据分压定律确定特定组分不同压力对应的密度。
[0114]
步骤四：确定安全阀起跳压力
[0115]
部分情况，为了提高lng罐箱的利用效率，会采用较大的充装率，但当充装率过大时，随着罐内温度的升高，lng液相体积也会增加，当lng液相体积接近或等于罐箱最大有效容积时，但由于液相的不可压缩性，导致安全阀起跳，这种现象称之涨罐，即罐内气相压力尚未达到安全阀起跳压力时，安全阀发生起跳。当预计会发生涨罐时，需要重新确定安全阀起跳的压力，根据充装率判断是否涨罐：
[0116]
方法一：充装极限＝(安全阀起跳对应温度下的lng密度/实时温度下的密度)
×
98％(98％为罐箱有效容积最大利用率，是根据安全阀安装管道根部伸入罐箱内部的位置(长度)确定，目前标准及制造工艺最高可达到98％)。如果现有充装率≥充装极限，则认为会发生涨罐。
[0117]
方法二：根据安全阀起跳压力计算涨罐密度及现有充装率计算最小液相密(见公式(2))度，判断是否发生涨罐(即最小液相密度大于涨罐密度)。具体计算原理如下：
[0118]
ρ
lpv
＝a
l％
p
sv6
b
l％
p
sv5
c
l％
p
sv4
d
l％
p
sv3
e
l％
p
sv2
f
l％
p
sv
g
l％
ꢀꢀ
(5)
[0119][0120]
pz＝k
l％
ρ
lmin3
l
l％
ρ
lmin2
m
l％
ρ
lmin
n
l％
ꢀꢀ
(7)
[0121]
式中：
[0122]
ρ
lpv
—安全阀起跳压力对应的最小液相密度，kg/m3；
[0123]al％
、b
l％
、c
l％
、d
l％
、e
l％
、f
l％
、g
l％
—特定lng组分下，压力换算液相密度多项式系数；
[0124]
p
sv
—安全阀起跳压力,mpa；
[0125]
ρ
lmin
—涨罐密度，kg/m3；
[0126]
ρ
l0
—罐内液相密度，kg/m3；
[0127]
v—储罐有效容积，m3；
[0128]
φ—充装率，％；
[0129]
ρ
g0
—罐内气相密度，kg/m3；
[0130]
pz—最小液相密度计算其对应的饱和压力,mpa；
[0131]kl％
、l
l％
、m
l％
、n
l％
—特定lng组分下，液相密度换算饱和压力多项式系数。
[0132]
在判断会发生涨罐后，根据现有充装率计算最小液相密度，然后则根据最小液相密度计算其对应的饱和压力，该压力即为安全阀起跳实际起跳对应压力。
[0133]
步骤五：计算总漏热量
[0134]
安全阀没有起跳，lng罐箱内的介质总质量没有发生变化，在质量守恒的前提下，lng罐箱只有热量的输入，属于独立封闭体系，热量的输入可反映在封闭体系内能变化上。根据热力学第二定律，罐内体系近似于等容变化过程，可通过罐内压力来计算各个状态下
的系统内能，进一步可得出基于实时状态到最终安全阀起跳时对应罐箱的总漏热量，具体计算原理如下：
[0135]
δq＝ρ
gnvgnhgn
ρ
lnvlnhln-ρ
givgihgi
ρ
livlihli
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0136]
式中：δq—总漏热量，kj；
[0137]
ρ
gn
—安全阀起跳压力对应气相的密度，kg/m3；
[0138]
ρ
ln
—安全阀起跳压力对应液相密度，kg/m3；
[0139]hgn
—安全阀起跳压力对应气体的焓，kj/kg；
[0140]hln
—安全阀起跳压力对应液体的焓，kj/kg；
[0141]vgn
—安全阀起跳压力对应气体的体积，m3；
[0142]vln
—安全阀起跳压力对应液体的体积，m3；
[0143]
ρ
gi
—实时气相密度，kg/m3；
[0144]
ρ
li
—实时液相密度，kg/m3；
[0145]hgi
—实时气体的焓，kj/kg；
[0146]hli
—实时液体的焓，kj/kg；
[0147]vgi
—实时气体的体积，m3；
[0148]vli
—实时液体的体积，m3。
[0149]
步骤六：计算日均漏热量
[0150]
lng罐箱日均漏热量的计算原理与步骤五中总漏热量的相同，即基于实时压力及前一天(24小时前)压力测算储罐日均(24小时)漏热量。相对于罐箱出厂的静态热漏热量属于批量罐箱的抽样值，采用实测日均漏热量更能反映实际罐箱的真实绝热性能，并随着罐箱绝热性能在其使用期间下降而一同变化，可实时反映lng罐箱的实际绝热性能。
[0151]
步骤七：计算理论剩余维持时间
[0152]
在不考虑热不均匀、运动载荷等其他因素的影响，lng储罐的理论剩余维持时间＝总漏热量/日均漏热量。
[0153]
本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，本发明的实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)、通信接口(communications interface)、至少一个存储器(memory)和通信总线，其中，至少一个处理器，通信接口，至少一个存储器通过通信总线完成相互间的通信。至少一个处理器可以调用至少一个存储器中的逻辑指令，以执行前述各个方法实施例提供的方法的全部或部分步骤。
[0154]
此外，上述的至少一个存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个方法实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0155]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上
述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0156]
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，并不用于限制本发明，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。