CN114282452A - 基于数字孪生的lng接收站风险后果仿真平台及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真平台及方法，该仿真平台包括DCS数据单元、模型构建系统和风险后果评价系统，DCS数据单元，被配置为采集数字孪生接收站系统的设计参数；模型构建系统，被配置为构建LNG接收站和周围建筑物的三维几何模型；气象条件模块，被配置为设置仿真气象条件；危险源辨识模块，被配置为辨识LNG接收站的潜在危险源；泄漏场景选取模块，被配置为选取泄漏场景；仿真分析模块，被配置为基于设置的气象条件、危险源及泄漏场景对构建的三维几何模型进行泄漏扩散模拟分析。本发明可以广泛应用于基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真中。
Description
技术领域
本发明是关于一种基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真平台及方法，涉及LNG接收站数字孪生技术领域。
背景技术
当前LNG接收站的定量化评价方法主要是基于DNV-Phast的QRA技术，生成结果为风险后果包络线或等高线，由于泄漏、扩散、爆炸模型的适用条件并非严格清晰，造成结果存在一定的不确定性，且难以结合实际工程中的三维立体空间考虑遮挡等竖向条件。
现有三维场景的三维后果评价，能够反映三维立体空间考虑遮挡等竖向条件，相比于上述二维计算结果，可靠性提高。但是现有三维场景的构建较为简单，与实际工程情况仍相去较远。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够在数值模拟层面得到精确失效事故危害结果的基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真平台及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
第一方面，本发明提供的基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真平台，该仿真平台包括DCS数据单元、模型构建系统和风险后果评价系统，所述风险后果评价系统包括气象条件模块、危险源辨识模块、泄漏场景选取模块和仿真分析模块，其中：
所述DCS数据单元，被配置为采集数字孪生接收站系统的设计参数；
所述模型构建系统，被配置为构建LNG接收站和周围建筑物的三维几何模型；
所述气象条件模块，被配置为设置仿真气象条件；
所述危险源辨识模块，被配置为辨识LNG接收站的潜在危险源；
所述泄漏场景选取模块，被配置为选取泄漏场景；
所述仿真分析模块，被配置为基于设置的气象条件、危险源及泄漏场景对构建的三维几何模型进行泄漏扩散模拟分析。
进一步地，危险源包括持续泄漏模式及瞬间泄漏模式。
进一步地，泄漏场景包括LNG卸料臂失效泄漏场景、LNG码头输送管线系统失效泄漏场景、LNG储罐失效泄漏场景、LNG储罐输出管线系统失效泄漏场景、LNG增压及气化系统失效泄漏场景、LNG槽车装车系统失效泄漏场景、LNG系统失效泄漏场景及BOG系统失效泄漏场景。
进一步地，所述仿真分析模块采用计算机流体动力学软件对构建的三维几何模型进行泄漏扩散模拟分析。
进一步地，LNG接收站按功能划分为码头区、储罐区、工艺区、公用工程区、槽车区及周围建筑物；周围建筑物包括消防站、维修车间和仓库、中控楼、主变楼、行政楼、宿舍和食堂、门卫、码头控制楼及海水变电所。
进一步地，构建LNG接收站和周围建筑的三维场景模型是基于LNG接收站的三维模型、总平面布置图、设备布置图、建筑图平面立面图及相关设计参数，构建LNG接收站三维几何模型，LNG接收站外周围建筑的几何模型是依据第三方卫星地图信息及地形测量图进行构建。
第二方面，本发明提供的基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真方法，包括：
构建LNG接收站和周围建筑的三维几何模型；
设置泄漏场景、设置气象条件及危险源辨识；
将LNG接收站和周围建筑的三维几何模型导入CFD仿真分析平台，利用CFD仿真分析平台流动和传热分析能力基于设置的气象条件、危险源以及泄漏场景对构建的三维几何模型进行泄漏扩散模拟分析。
进一步地，气象条件包括大气温度、大气稳定度、辐射热、风速和风向。
进一步地，危险源辨识包括持续泄漏模式及瞬间泄漏模式。
进一步地，构建LNG接收站和周围建筑的三维几何模型是基于LNG接收站的三维模型、总平面布置图、设备布置图、建筑图平面立面图及相关设计参数，构建LNG接收站三维几何模型，LNG接收站外周围建筑的几何模型是依据第三方卫星地图信息及地形测量图进行构建。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明从最大化利用接收站设计阶段取得的数字化交付成果角度出发，将数字交付三维模型直接导入水力分析仿真分析平台，实现数字镜像级别的建模，最大程度还原现场真实场景，利用水力分析仿真平台强大的流动和传热分析能力，结合导入的精细化程度极高的模型，可以在数值模拟层面得到最准确的失效事故危害结果；
2、本发明基于常规二维风险后果评价和三维后果评价的改进前提下，在商用风险后果三维仿真的基础上，开发了基于数字孪生的LNG接收站风险后果三维仿真平台，在达到数字孪生级别的三维场景构建模型下，借助基于数字孪生的LNG接收站风险后果评价方法进行三维后果的计算机流体力学仿真，最大程度反映LNG接收站中LNG或BOG(蒸发气)的泄漏、扩散、爆炸、连锁灾害后果(如爆炸抛弃物撞击设备或储罐、火灾或爆炸冲击波造成设备、设施性能破坏)等客观影响；
综上，本发明可以广泛应用于基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真中。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例LNG接收站规模和组成结构示意图；
图2为本发明实施例的基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真方法流程图；
图3为本发明实施例仿真原理示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
本发明提供的基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真平台及方法通过对接收站典型的工艺流程及主要设备进行分析，将接收站按功能划分为五个常规区块，分别为码头区、储罐区、工艺区、公用工程区及槽车区。通过对各区块主体设备和管道进行分析得出最严重的潜在失效事故泄漏场景，并结合设计阶段的数字化成果，建立数字镜像级别的三维LNG接收站模型，精确还原场站的真实环境，对失效事故的泄漏后果进行模拟，得到使用数值模拟方式仿真所能得到的最真实和最准确的结果。
如图1所示，基于数字孪生的LNG接收站的主要设备设施包括LNG卸船码头、LNG储罐、LNG气化器、天然气外输(含计量成套包)、LNG槽车外输及建筑物，建筑物主要包括消防站、维修车间和仓库、中控楼、主变楼、行政楼、宿舍和食堂、门卫、码头控制楼、海水变电所等。
基于数字孪生的LNG接收站配套工艺流程包括LNG接收站的工艺流程与LNG接收站的操作模式。
LNG接收站工艺流程包括典型LNG接收站主要工艺的主功能流程。
典型LNG接收站主要工艺的主功能流程包括LNG卸船流程、LNG储存流程、LNG气化流程、天然气外输流程、LNG槽车外输流程。
LNG卸船流程即LNG运输船到达卸船码头后，LNG通过运输船上的输送泵，经卸料臂汇入LNG总管输送到LNG储罐中，LNG进入储罐后置换出的蒸发气(BOG)，通过一根返回气管道输送回运输船的LNG储舱中，以维持系统的压力平衡。LNG储存流程即LNG接收站建设有数个LNG储罐，储罐所有的进出连接口和其它仪表接口都设计在储罐顶部，可以上部进料，也可通过内部插入管下部进料，所有储罐的气相接口连接到BOG总管。蒸发气总管与蒸发气压缩机入口、火炬系统相接，并通过卸船气体返回管线与气体返回臂相接；LNG气化流程即从冷凝器出来的LNG直接进入LNG高压输送泵，加压后输送到高压气化器。LNG在气化器中再气化为天然气，计量后经输气管线送往各用户。气化后的天然气最低温度为0℃。天然气外输流程即LNG接收站天然气外输设有一条总管，供各用户用气。LNG槽车外输流程即汽车装车站一般设有数个汽车槽车装车位，可同时进行装车作业。汽车装车系统包括装车臂和气相返回臂、计量和装量控制，装车时置换出的气体靠压差返回接收站蒸发气总管。
LNG接收站的操作模式包括零输出操作模式、无卸船正常输出操作模式、卸船正常输出操作模式。零输出操作模式即LNG接收站处于无卸船和零输出操作模式，在备用操作时，通过少量的LNG循环来保持系统的冷状态。蒸发气将用作火炬燃料气，多余的蒸发气则排放到火炬。无卸船正常输出操作模式即LNG将按需求量通过泵的输送，经再冷凝器，在气化器内气化、外输。少量的LNG循环来保持卸船总管的冷状态。卸船正常输出操作模式即LNG循环将停止，并根据LNG的密度决定从LNG储罐的上部或下部进料；
实施例一：如图2所示，本实施例提供的基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真平台，包括DCS数据单元、模型构建系统、基于数字孪生构建的接收站三维仿真模型的风险后果评价系统，风险后果评价系统包括气象条件模块、危险源辨识模块、泄漏场景选取模块和仿真分析模块。
DCS数据单元，用于采集数字孪生接收站系统的设计参数。
模型构建系统，基于数字孪生级别的LNG接收站和周围建筑构建三维几何模型；
气象条件模块，用于设置仿真气象条件。
危险源辨识模块，用于辨识LNG接收站的潜在危险源，潜在危险源包括LNG接收站中主要储存介质是液化天然气，是主要的危险源，但也同时存在柴油等其他的少量介质，危险源包括持续泄漏模式及瞬间泄漏模式。
泄漏场景选取模块，用于泄漏场景选取。具体地，泄漏场景包括LNG卸料臂失效泄漏场景、LNG码头输送管线系统失效泄漏场景、LNG储罐失效泄漏场景、LNG储罐输出管线系统失效泄漏场景、LNG增压及气化系统失效泄漏场景、LNG槽车装车系统失效泄漏场景、LNG系统失效泄漏场景及BOG系统失效泄漏场景。
仿真分析模块，用于选用计算机流体动力学(CFD)软件基于设置的气象条件、危险源以及泄漏场景对构建的LNG接收站三维几何模型进行泄漏扩散模拟分析。
本发明的一些实施例中，仿真分析模块基于N-S方程建立流体运动的数学模拟模型，依据设定的边界条件、初始条件即气象条件、泄漏场景等建立可求解的方程组，并对偏微分方程进行离散化处理实现数值计算，从而可求解研究区域各个位置在任意时刻的速度、压力、温度等结果。
本发明的一些实施例中，泄漏扩散模拟分析需对气体或液体扩散的区域进行网格划分，液体扩散区域为核心区域，气体扩散的区域为扩展区域，为同时保证计算速度和计算精度，对核心区域网格尺寸选取依据仿真系统网格选取分析结果进行模拟区域划分，对扩展区域内LNG接收站周边需重点关注建筑物处的网格进行局部细化及光滑处理。
实施例二：如图3所示，本实施例还提供基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真方法，包括：
S1、构建LNG接收站和周围建筑的三维几何模型。
具体地，三维几何模型的构建可以采用各种设计软件进行建模，通过直接导入设计软件的设计成果的方式将三维模型直接导入。
构建LNG接收站和周围建筑的三维几何模型主要是基于LNG接收站的三维模型、总平面布置图、设备布置图、建筑图平面立面图及相关技术资料，构建LNG接收站站场三维几何模型，LNG接收站外周围建筑的几何模型是依据第三方卫星地图信息及地形测量图进行构建。
S2、设置泄漏场景、气象条件和危险源辨
LNG接收站通常属于规模较大的厂区，可能发生泄漏事故的区域有很多，根据不同区域的主要功能不同通常分为罐区、工艺区、装车区等，这些区域的设备和管道中都含有液化天然气或低温气态天然气，都可能发生泄漏危害，因此不能只分析某一处固定地点的泄漏事故，而是将LNG接收站全厂各个主要区域的泄漏事故都进行考虑。即使在同一区域，发生泄漏的管道或者设备也有区别，通常需要选取最严重的若干个泄漏场景进行仿真分析。泄漏场景包括：泄漏场景的设置包括罐区、工艺区和装车区以及周边建筑物布置及影响准则，针对典型LNG泄漏事故场景(罐区、工艺区、装车区)，采用流体力学软件中的液池模块(POOL Version)进行数值计算。
气象条件包括：大气温度(年平均温度13.4℃)、大气稳定度(稳定)、辐射热(0.5kW/m2)、风速(2m/s)和风向(风直接吹向周边建筑物)等；
危险源辨识包括：包括持续泄漏模式及瞬间泄漏模式。
S3、确定LNG泄漏时刻，对LNG站场及周围建筑的风场进行数值模拟，并进行气体扩散场景计算
针对典型LNG泄漏事故场景，采用流体力学软件中的液池模块(POOL Version)进行泄漏场景数值计算；流体力学后果模拟和影响分析，按照泄漏场景确定的关键输入参数和模拟条件，利用流体力学三维几何模型完成气体扩散模拟，通过对流体力学模拟结果后处理，确定可燃浓度气云扩散范围，并判断对周边建筑的不利影响。具体地，流体力学模拟结果后处理即对重点风险场景进行泄漏后的扩散动态模拟，其中各场景均进行30s的空白风场模拟，继而开始泄漏、液池形成及扩散，各事故场景模拟结果确定扩散、爆炸影响区域范围。
S4、扩散场景结果分析
本实施例的扩散场景结果分析，包括卸船管线全口径破裂场景周边建筑物的最大可燃气浓度分析、LNG进罐管线全口径破裂场景整个泄漏扩散到气云消失的过程中，周边建筑物处的最大可燃气浓度分析、低压外输总管(最大外输工况)大口径破裂场景周边建筑物附近的甲烷浓度范围/最高浓度分析、装车主管大口径破裂场景从泄漏开始直到气云消失的过程中周边建筑物处的最大可燃气浓度分析等。
S5、评价结论
本实施例的LNG接收站LNG液池蒸发形成的气云扩散，其气云浓度均未影响到达周边建筑，即在这些事故场景下，周边建筑不会受到闪火事故影响；同时在风流作用下，与大气传热传质过程中液池不断进行扩展，且受到墙体、设备及建筑物等的阻挡，液池表面呈不规则形状。
综上所述，本发明通过采用以上方法，可以最大程度反映LNG接收站中LNG或BOG(蒸发气)的泄漏、扩散、爆炸、连锁灾害后果(如爆炸抛弃物撞击设备或储罐、火灾或爆炸冲击波造成设备、设施性能破坏)等客观影响。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实现”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真平台，其特征在于，该仿真平台包括DCS数据单元、模型构建系统和风险后果评价系统，所述风险后果评价系统包括气象条件模块、危险源辨识模块、泄漏场景选取模块和仿真分析模块，其中：
所述DCS数据单元，被配置为采集数字孪生接收站系统的设计参数；
所述模型构建系统，被配置为构建LNG接收站和周围建筑物的三维几何模型；
所述气象条件模块，被配置为设置仿真气象条件；
所述危险源辨识模块，被配置为辨识LNG接收站的潜在危险源；
所述泄漏场景选取模块，被配置为选取泄漏场景；
所述仿真分析模块，被配置为基于设置的气象条件、危险源及泄漏场景对构建的三维几何模型进行泄漏扩散模拟分析。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真平台，其特征在于，危险源包括持续泄漏模式及瞬间泄漏模式。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真平台，其特征在于，泄漏场景包括LNG卸料臂失效泄漏场景、LNG码头输送管线系统失效泄漏场景、LNG储罐失效泄漏场景、LNG储罐输出管线系统失效泄漏场景、LNG增压及气化系统失效泄漏场景、LNG槽车装车系统失效泄漏场景、LNG系统失效泄漏场景及BOG系统失效泄漏场景。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真平台，其特征在于，所述仿真分析模块采用计算机流体动力学软件对构建的三维几何模型进行泄漏扩散模拟分析。
5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真平台，其特征在于，LNG接收站按功能划分为码头区、储罐区、工艺区、公用工程区、槽车区及周围建筑物；周围建筑物包括消防站、维修车间和仓库、中控楼、主变楼、行政楼、宿舍和食堂、门卫、码头控制楼及海水变电所。
6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真平台，其特征在于，构建LNG接收站和周围建筑的三维场景模型是基于LNG接收站的三维模型、总平面布置图、设备布置图、建筑图平面立面图及相关设计参数，构建LNG接收站三维几何模型，LNG接收站外周围建筑的几何模型是依据第三方卫星地图信息及地形测量图进行构建。
7.一种基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真方法，其特征在于包括：
构建LNG接收站和周围建筑的三维几何模型；
设置泄漏场景、设置气象条件及危险源辨识；
将LNG接收站和周围建筑的三维几何模型导入CFD仿真分析平台，利用CFD仿真分析平台流动和传热分析能力基于设置的气象条件、危险源以及泄漏场景对构建的三维几何模型进行泄漏扩散模拟分析。
8.根据权利要求7所述的基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真方法，其特征在于，气象条件包括大气温度、大气稳定度、辐射热、风速和风向。
9.根据权利要求7所述的基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真方法，其特征在于，危险源辨识包括持续泄漏模式及瞬间泄漏模式。
10.根据权利要求7所述的基于数字孪生的LNG接收站风险后果仿真方法，其特征在于，构建LNG接收站和周围建筑的三维几何模型是基于LNG接收站的三维模型、总平面布置图、设备布置图、建筑图平面立面图及相关设计参数，构建LNG接收站三维几何模型，LNG接收站外周围建筑的几何模型是依据第三方卫星地图信息及地形测量图进行构建。
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