液化天然气装备设计技术：LNG铁路槽车卷

在LNG工业领域，大力发展LNG产业，提高天然气能源在消费中的比例是调整我国能源结构的重要途径，LNG既是天然气远洋运输的主要方法，也是天然气调峰的重要手段。随着国内众多LNG工厂的相继投产及沿海LNG接收终端的建设，我国LNG工业进入了高速发展时期，与之相关连的铁路槽车装备技术也得到相应快速发展。 ★液化天然气（LNG）铁路运输发展概述 ★液化天然气（LNG）铁路运输罐车系统结构设计 ★LNG系统传热及流场数值模拟 ★过临界超高速液化天然气（LNG）铁路槽车传热及流场数值模拟 ★过临界超高速液化天然气（LNG）铁路槽车系统结构设计 ★高寒地区铁路沿线LNG贮运站系统及主设备设计 ★高寒地区铁路沿线LNG贮运站系统传热及流场数值模拟 ★200立方米LNG铁路集装箱系统结构设计

近年来，液化天然气（LNG）需求持续增长，由于LNG 资源供需具有明显的区域不平衡特点，即产地与使用地之间距离太远，导致LNG 分流使用成本增大，不利于LNG产业的发展。考虑到公路运输LNG 总量的局限性，国外如加拿大、美国等发达国家正在积极发展LNG 铁路运输业，加大LNG 规模流通运输能力，使铁路在LNG 分流配送过程中起到关键作用。由于铁路交通系统是能源传输环节的关键组成部分，铁路网不仅可以把煤炭、石油等一次能源输运至各地，在确保安全的基础上同样可以输送LNG。LNG 铁路运输无疑是陆上LNG 运输的介于管道天然气运输和LNG 公路运输之间的一种更高效的运输方式。
LNG 铁路槽车运输与LNG 公路槽车运输相比，铁路运输具有运输速率快、成本低、范围广、路程长、装卸灵活、效率高、货运量大、受环境影响较小、保障平稳、供给能力强及不易交通堵塞等优点。同时，铁路运输可以作为管道输送天然气的重要补充，既可以运输LNG 至未铺设天然气管道的区域，也可以在已通管道的中心城市附近使用LNG进行天然气调峰。此外，铁路运输还可以发挥运输半径大、网络完善的优势，形成铁路运输网，解决LNG 运输瓶颈，有利于大规模大范围调配LNG，并将资源优势转化为经济优势。因此，开发LNG 铁路槽车，推动LNG 铁路运输，不但能够有效分摊公路运输压力，释放铁路运力，而且契合国家“公转铁”战略发展的总体要求。我国LNG 铁路运输还处于试验起步阶段，但国内铁路运输网络比较完善，LNG 铁路运输优势非常明显，能够有效解决LNG 运输的瓶颈，所以，积极加快推进LNG 铁路运输体系的建设，通过完善LNG 运输网络，可提高LNG 运输能力，促进LNG 持续快速健康发展。
基于LNG 铁路运输安全考虑，文中提出了过临界LNG 铁路运输槽车概念，并进行了探索性研究及设计计算方法研究。过临界贮运主要通过过临界技术贮存LNG，即运输过程中实行全密封，不对外排放甲烷等易燃易爆气体，从而不对铁路沿线造成排放危险。《液化天然气装备设计技术：LNG 铁路槽车卷》主要涉及4 类LNG 铁路运输罐车系统结构设计，包括当前国际上流行的LNG 运输用各类型运输罐车设计及计算过程，如LNG铁路运输罐车系统结构设计、LNG 铁路运输罐车系统传热及流场数值模拟；过临界超高速LNG 铁路槽车传热及流场数值模拟、过临界超高速LNG 铁路槽车系统结构设计；高寒地区铁路沿线LNG 贮运站系统及主设备设计、高寒地区铁路沿线LNG 贮运站系统传热及流场数值模拟；200m3 LNG 铁路集装箱系统结构设计等内容。其内容也涉及4 类较典型的LNG 低温槽车设计计算方法，可为LNG 铁路运输等关键环节中所涉及主要工艺技术及相应真空罐体的设计计算提供可参考样例，并有利于推进LNG 铁路槽车的标准化及相应LNG 液化铁路运输技术的国产化研发进程。
本书主要针对目前国际上流行的4 类LNG 铁路运输罐车系统结构设计计算技术及传热等数值模拟过程进行系统的研究与开发，并基于传统的LNG 铁路运输罐车系统，提出了过临界LNG 运输技术，并开发相应铁路罐车技术，供相关领域同行借鉴参考。主要研究4.6MPa 以下具有代表性的LNG 铁路罐车及过临界铁路运输罐车的基本设计计算方法，并进行相应的数值模拟分析研究，主要涵盖不同类型LNG 铁路罐车的设计计算过程及运算法则，也是当前国际上的主流LNG 铁路槽车基本设计计算方法。以上4种LNG 铁路运输罐车设计计算方法属LNG 装备领域内目前流行的LNG 运输设备核心技术之一，同时可应用于液化石油气（LPG）、煤化工、石油化工、低温制冷等领域，从工艺基础研发及设计技术等方面来讲均已成熟，已能够推进LNG 运输核心设备的设计计算进程及LNG 系列槽车的设计计算进程。
本书第1 章为绪论部分，主要讲述LNG 铁路槽车的特点及国内外发展现状等。
第2 章主要讲述LNG 铁路运输罐车系统结构设计，内容全面，不但包括设计依据的标准及主要设计基本参数、LNG 铁路运输罐车结构的初步设计、LNG 铁路运输罐车强度基本校核、LNG 铁路罐车安全附件和管路设计、LNG 铁路罐车漏热校核设计计算等，而且还包括LNG 铁路槽车卸载工艺流程、LNG 铁路运输罐车安全问题及管理措施等内容。
第3 章及后续章节主要讲述LNG 铁路槽车系统传热及流场数值模拟、过临界铁路槽车的基本设计过程等，涉及利用Solidworks 针对双层LNG 铁路槽车罐体结构建模过程，利用ANSYS 对罐体结构进行空气流场分布模拟过程，以及过临界铁路槽车基本设计及数值模拟过程等，以便为从事LNG 贮运领域内的工程技术人员及研发人员提供有用的参考。
全书共分8 章，其中，第1 章由张周卫、荣欣负责撰写，第2～5 章由张周卫负责撰写并编辑整理，第6、7 章由汪雅红负责撰写并编辑整理，第8 章由荣欣负责撰写并编辑整理，全书最后由张周卫统稿并定稿。赵良东、苏程达、张嵘、李宗儒、李培健、祁国旺、包小华等参与了各章节的撰写与编排工作，荣欣、代德山、张超、韩孔良、冯瑞康、牛旭转、盛日昕、孙凯旋、任少伟等参与了全书的校正工作。
本书受甘肃省高等学校产业支撑计划项目（编号：2020C-22）、甘肃省重点人才项目（编号：26600101）、甘肃省财政厅基本科研业务费（编号：214137）等支持。
本书按照目前所列4 种LNG 铁路槽车的设计计算进度，重点列出了4 种典型的且具有代表性的LNG 铁路槽车进行研究开发，总结设计计算方法，并与相关行业内的研究开发人员共同分享。限于著者水平及编写时间，书中部分内容难免有疏漏的地方，希望同行及广大读者批评指正。

兰州交通大学
甘肃中远能源动力工程有限公司
张周卫 荣欣 汪雅红 代德山

张周卫，国家“万人计划”领军人才，国家科技创新创业人才，国家科技专家库专家，博士后，动力工程及工程热物理（制冷及低温工程）博士，毕业于西安交通大学，现为兰州交通大学研究院副院长，教授，高级工程师。主要从事空间低温制冷技术、压缩机械与真空低温设备等过程控制装备、LNG过程控制装备、多股流缠绕管式换热装备、螺旋压缩膨胀制冷机等研究。
先后参与国家级项目20多项，主持国家自然基金及国家创新基金等共6项，甘肃省重点人才项目等8项，与企业合作项目4项等；主持申报发明专利50多项，发表论文30多篇，出版学术专著10部共600多万字等。先后带领团队荣获国家级银奖1项，省部级奖励10项，地厅级奖励9项。2013年入选江苏省“东疆英才”扶持计划。2014年入选“国家创新人才推进计划”“科技创新创业人才”，2015年入选国家科技专家库专家，2016年入选国家“万人计划”领军人才，2019年入选甘肃省领军人才第一层次，2020年入选“长江学者”特聘教授评委。

本书主要涉及4 类液化天然气（LNG）铁路运输罐车系统结构设计，主要包括当前国际上流行的LNG 运输用各类型运输罐车设计及计算过程，如LNG 铁路运输罐车系统结构设计、LNG 铁路运输罐车系统传热及流场数值模拟、过临界超高速LNG 铁路槽车传热及流场数值模拟、过临界超高速LNG铁路槽车系统结构设计、高寒地区铁路沿线LNG 贮运站系统及主设备设计、高寒地区铁路沿线LNG贮运站系统传热及流场数值模拟、200m3 LNG 铁路集装箱系统结构设计等内容。其内容也涉及4 类较典型的LNG 低温槽车设计计算方法，可为LNG 铁路运输等关键环节中所涉及主要工艺技术及相应真空罐体的设计计算提供可参考样例，并有利于推进LNG 铁路槽车的标准化及相应LNG 液化铁路运输技术的国产化研发进程。
本书可供从事液化天然气、化工机械、制冷及低温工程、石油化工及工程热物理领域内的研究人员、设计人员、工程技术人员等参考，也可供高等学校化工机械、能源化工、石油化工、制冷及低温工程、能源与系统工程等专业的师生参考。

第1章 绪论
1.1 天然气与LNG  001
1.1.1 天然气与LNG 的物理特性  001
1.1.2 LNG 主要用途  002
1.1.3 LNG 主要优点  003
1.1.4 我国LNG 供需区域分布  004
1.2 LNG 运输工具发展情况  005
1.2.1 LNG 运输方式  005
1.2.2 LNG 运输容器  009
1.3 国外研究现状分析  010
1.4 国内研究现状分析  013
1.5 我国LNG 铁路运输的可行性分析  017
1.6 过临界铁路运输  017
参考文献  019

第2章 LNG 铁路运输罐车系统结构设计
2.1 LNG 铁路运输罐车概述  020
2.1.1 LNG 铁路运输罐车背景  020
2.1.2 低温压力容器发展现状  022
2.2 LNG 铁路运输罐车设计基本参数  025
2.2.1 设计内容及思路  025
2.2.2 设计依据及标准  026
2.2.3 主要设计参数  026
2.3 LNG 铁路运输罐车结构的初步设计  027
2.3.1 内胆常规设计  027
2.3.2 保冷层设计计算  033
2.3.3 外胆常规设计  036
2.3.4 外胆加强圈设计  041
2.3.5 内压容器下支撑结构设计  043
2.3.6 车体通过性能校核  044
2.4 LNG 铁路运输罐车强度基本校核  045
2.4.1 质量载荷计算  045
2.4.2 内胆轴向定位支撑结构设计  046
2.4.3 开孔及补强计算  047
2.5 LNG 铁路运输罐车安全附件和管路设计  055
2.5.1 安全阀设计计算  055
2.5.2 爆破片设计计算  059
2.5.3 测量装置选型  060
2.5.4 真空夹层安全泄放装置的选型  061
2.5.5 扶梯和罐内管路设计  061
2.6 LNG 铁路运输罐车漏热校核设计计算  062
2.6.1 罐车夹层允许漏热  062
2.6.2 罐车支撑结构漏热  063
2.6.3 充泄管道漏热近似计算  064
2.7 LNG 铁路运输罐车卸载工艺流程  064
2.7.1 LNG 卸车方式  064
2.7.2 LNG 卸车操作流程  064
2.7.3 LNG 卸车工艺流程图  065
2.8 LNG 铁路运输罐车安全问题及管理措施  068
2.8.1 LNG 物性特点  068
2.8.2 LNG 运输安全问题  068
2.8.3 LNG 运输管理措施  069
2.9 罐车设计结果汇总  069
参考文献  071

第3章 LNG 铁路运输罐车系统传热及流场数值模拟
3.1 LNG 铁路运输设计概述  073
3.1.1 LNG 铁路罐车简介  073
3.1.2 数值模拟软件简介  074
3.2 LNG 铁路运输设计基本参数  076
3.2.1 设计依据标准  076
3.2.2 主要设计参数  076
3.3 LNG 铁路运输罐车结构设计  077
3.3.1 内胆常规设计  077
3.3.2 保冷层设计  079
3.3.3 外胆常规设计  083
3.3.4 内胆加强圈设计  084
3.3.5 内胆下支撑结构设计  086
3.4 LNG 铁路罐车强度基本校核  088
3.4.1 质量载荷计算  088
3.4.2 内胆轴向定位支撑结构设计  089
3.4.3 开孔及补强计算  090
3.5 LNG 铁路输运罐车流场和传热模拟  095
3.5.1 结构建模  095
3.5.2 流场分布模拟  095
参考文献  105

第4章 过临界超高速LNG 铁路槽车传热及流场数值模拟
4.1 球罐结构设计  106
4.1.1 基础资料  106
4.1.2 内压球壳计算  108
4.1.3 保冷层设计  111
4.1.4 外压球壳计算  112
4.1.5 球壳质量计算  113
4.1.6 载荷计算  116
4.1.7 支柱计算  119
4.1.8 地脚螺栓计算  125
4.1.9 支柱底板计算  126
4.1.10 拉杆计算  127
4.1.11 支柱与球壳连接最低点应力校核  130
4.1.12 安全泄放计算  132
4.2 流场数值及传热模拟  133
4.2.1 流场数值模拟  133
4.2.2 传热数值模拟  144
4.2.3 过临界传热模拟  149
参考文献  151

第5章 过临界超高速LNG 铁路槽车系统结构设计
5.1 概述  153
5.1.1 球罐发展历程  153
5.1.2 球罐简介  154
5.2 球罐初步设计  157
5.3 球罐设计计算  158
5.3.1 设计参数确定  158
5.3.2 内压球壳计算  159
5.3.3 保冷层设计计算  160
5.3.4 外压球壳计算  162
5.3.5 球罐质量计算  163
5.3.6 地震载荷计算  165
5.3.7 弯矩计算  167
5.3.8 支柱计算  167
5.3.9 地脚螺栓计算  174
5.3.10 支柱底板  176
5.3.11 拉杆计算  177
5.3.12 球罐与支柱连接最低点的应力校核  179
5.3.13 设计汇总  182
5.4 球壳瓣片尺寸计算  183
5.5 安全泄放计算  185
参考文献  187

第6章 高寒地区铁路沿线LNG 贮运站系统及主设备设计
6.1 球罐初步设计  188
6.1.1 设计参数确定  188
6.1.2 耐压试验压力  190
6.2 球罐设计计算  190
6.2.1 内压球壳计算  190
6.2.2 保冷层设计计算  192
6.2.3 外压球壳计算  194
6.2.4 球罐质量计算  195
6.2.5 地震载荷计算  197
6.2.6 弯矩计算  199
6.2.7 支柱计算  200
6.2.8 地脚螺栓计算  206
6.2.9 支柱底板计算  207
6.2.10 拉杆计算  208
6.2.11 连接最低点a 应力校核  210
6.2.12 连接焊缝强度校核  212
6.3 安全泄放计算  213
6.4 球壳分瓣计算  214
6.4.1 赤道板和上温带合板  214
6.4.2 赤道带  215
6.4.3 极板  216
6.5 LNG 汽化系统设计  220
6.5.1 汽化工艺流程  220
6.5.2 阀门与法兰选型  224
6.6 附件  224
参考文献  226

第7章 高寒地区铁路沿线LNG 贮运站系统传热及流场数值模拟
7.1 球罐设计计算  227
7.1.1 主要设计参数  227
7.1.2 设计依据标准  228
7.1.3 压力试验方法  228
7.2 球壳计算  229
7.2.1 内压球壳计算  229
7.2.2 保冷层设计计算  230
7.2.3 外压球壳计算  232
7.2.4 球罐质量计算  232
7.3 载荷计算  235
7.3.1 地震载荷计算  235
7.3.2 弯矩计算  237
7.3.3 支柱计算  237
7.3.4 地脚螺栓计算  244
7.3.5 支柱底板计算  245
7.3.6 拉杆计算  246
7.3.7 支柱与球壳连接最低点计算  249
7.3.8 支柱与球壳连接焊缝强度校核  251
7.4 结构设计总汇  251
7.5 流场数值及传热数值模拟  252
7.5.1 流场数值模拟  252
7.5.2 传热数值模拟  260
参考文献  268

第8章 200m3 LNG 铁路集装箱系统结构设计
8.1 LNG 铁路罐式集装箱系统  270
8.1.1 LNG 铁路集装箱简介  270
8.1.2 LNG 铁路罐式集装箱特点  271
8.1.3 LNG 铁路罐式集装箱设计原则  271
8.2 LNG 铁路罐式集装箱系统结构设计  273
8.2.1 铁路罐箱圆筒形式介绍  273
8.2.2 罐箱内圆筒设计计算  274
8.2.3 内圆筒结构设计  277
8.2.4 罐箱保冷层设计  278
8.2.5 外筒筒体设计计算  279
8.2.6 内圆筒容器支撑结构设计  283
8.2.7 安全附件选型  284
8.3 LNG 铁路罐式集装箱开孔及补强设计  285
8.3.1 人孔补强  285
8.3.2 应力校核计算  288
8.4 LNG 罐式集装箱安全部件设计选型  291
8.4.1 安全阀设计计算  291
8.4.2 扶梯设计  292
8.5 LNG 铁路罐式集装箱框架结构设计  292
8.5.1 材料选择  292
8.5.2 横梁应力计算  293
8.5.3 立柱应力计算  294
8.5.4 底部斜撑应力计算  295
8.5.5 斜撑及补强设计  296
参考文献  297

致谢