本書主要涉及4類液化天然氣(LNG)鐵路運輸罐車系統(tǒng)結構設計，主要包括當前國際上流行的LNG運輸用各類型運輸罐車設計及計算過程，如LNG鐵路運輸罐車系統(tǒng)結構設計、LNG鐵路運輸罐車系統(tǒng)傳熱及流場數(shù)值模擬、過臨界超高速LNG鐵路槽車傳熱及流場數(shù)值模擬、過臨界超高速LNG鐵路槽車系統(tǒng)結構設計、高寒地區(qū)鐵路沿線LNG貯運站系統(tǒng)及主設備設計、高寒地區(qū)鐵路沿線LNG貯運站系統(tǒng)傳熱及流場數(shù)值模擬、200m3LNG鐵路集裝箱系統(tǒng)結構設計等內容。
在LNG工業(yè)領域，大力發(fā)展LNG產業(yè)，提高天然氣能源在消費中的比例是調整我國能源結構的重要途徑，LNG既是天然氣遠洋運輸?shù)闹饕椒�，也是天然氣調峰的重要手段。隨著國內眾多LNG工廠的相繼投產及沿海LNG接收終端的建設，我國LNG工業(yè)進入了高速發(fā)展時期，與之相關連的鐵路槽車裝備技術也得到相應快速發(fā)展。
★液化天然氣（LNG）鐵路運輸發(fā)展概述
★液化天然氣（LNG）鐵路運輸罐車系統(tǒng)結構設計
★LNG系統(tǒng)傳熱及流場數(shù)值模擬
★過臨界超高速液化天然氣（LNG）鐵路槽車傳熱及流場數(shù)值模擬
★過臨界超高速液化天然氣（LNG）鐵路槽車系統(tǒng)結構設計
★高寒地區(qū)鐵路沿線LNG貯運站系統(tǒng)及主設備設計
★高寒地區(qū)鐵路沿線LNG貯運站系統(tǒng)傳熱及流場數(shù)值模擬
★200立方米LNG鐵路集裝箱系統(tǒng)結構設計
近年來，液化天然氣（LNG）需求持續(xù)增長，由于LNG 資源供需具有明顯的區(qū)域不平衡特點，即產地與使用地之間距離太遠，導致LNG 分流使用成本增大，不利于LNG產業(yè)的發(fā)展�？紤]到公路運輸LNG 總量的局限性，國外如加拿大、美國等發(fā)達國家正在積極發(fā)展LNG 鐵路運輸業(yè)，加大LNG 規(guī)模流通運輸能力，使鐵路在LNG 分流配送過程中起到關鍵作用。由于鐵路交通系統(tǒng)是能源傳輸環(huán)節(jié)的關鍵組成部分，鐵路網不僅可以把煤炭、石油等一次能源輸運至各地，在確保安全的基礎上同樣可以輸送LNG。LNG 鐵路運輸無疑是陸上LNG 運輸?shù)慕橛诠艿捞烊粴膺\輸和LNG 公路運輸之間的一種更高效的運輸方式。
LNG 鐵路槽車運輸與LNG 公路槽車運輸相比，鐵路運輸具有運輸速率快、成本低、范圍廣、路程長、裝卸靈活、效率高、貨運量大、受環(huán)境影響較小、保障平穩(wěn)、供給能力強及不易交通堵塞等優(yōu)點。同時，鐵路運輸可以作為管道輸送天然氣的重要補充，既可以運輸LNG 至未鋪設天然氣管道的區(qū)域，也可以在已通管道的中心城市附近使用LNG進行天然氣調峰。此外，鐵路運輸還可以發(fā)揮運輸半徑大、網絡完善的優(yōu)勢，形成鐵路運輸網，解決LNG 運輸瓶頸，有利于大規(guī)模大范圍調配LNG，并將資源優(yōu)勢轉化為經濟優(yōu)勢。因此，開發(fā)LNG 鐵路槽車，推動LNG 鐵路運輸，不但能夠有效分攤公路運輸壓力，釋放鐵路運力，而且契合國家“公轉鐵”戰(zhàn)略發(fā)展的總體要求。我國LNG 鐵路運輸還處于試驗起步階段，但國內鐵路運輸網絡比較完善，LNG 鐵路運輸優(yōu)勢非常明顯，能夠有效解決LNG 運輸?shù)钠款i，所以，積極加快推進LNG 鐵路運輸體系的建設，通過完善LNG 運輸網絡，可提高LNG 運輸能力，促進LNG 持續(xù)快速健康發(fā)展。
基于LNG 鐵路運輸安全考慮，文中提出了過臨界LNG 鐵路運輸槽車概念，并進行了探索性研究及設計計算方法研究。過臨界貯運主要通過過臨界技術貯存LNG，即運輸過程中實行全密封，不對外排放甲烷等易燃易爆氣體，從而不對鐵路沿線造成排放危險�！兑夯烊粴庋b備設計技術：LNG 鐵路槽車卷》主要涉及4 類LNG 鐵路運輸罐車系統(tǒng)結構設計，包括當前國際上流行的LNG 運輸用各類型運輸罐車設計及計算過程，如LNG鐵路運輸罐車系統(tǒng)結構設計、LNG 鐵路運輸罐車系統(tǒng)傳熱及流場數(shù)值模擬；過臨界超高速LNG 鐵路槽車傳熱及流場數(shù)值模擬、過臨界超高速LNG 鐵路槽車系統(tǒng)結構設計；高寒地區(qū)鐵路沿線LNG 貯運站系統(tǒng)及主設備設計、高寒地區(qū)鐵路沿線LNG 貯運站系統(tǒng)傳熱及流場數(shù)值模擬；200m3 LNG 鐵路集裝箱系統(tǒng)結構設計等內容。其內容也涉及4 類較典型的LNG 低溫槽車設計計算方法，可為LNG 鐵路運輸?shù)汝P鍵環(huán)節(jié)中所涉及主要工藝技術及相應真空罐體的設計計算提供可參考樣例，并有利于推進LNG 鐵路槽車的標準化及相應LNG 液化鐵路運輸技術的國產化研發(fā)進程。
本書主要針對目前國際上流行的4 類LNG 鐵路運輸罐車系統(tǒng)結構設計計算技術及傳熱等數(shù)值模擬過程進行系統(tǒng)的研究與開發(fā)，并基于傳統(tǒng)的LNG 鐵路運輸罐車系統(tǒng)，提出了過臨界LNG 運輸技術，并開發(fā)相應鐵路罐車技術，供相關領域同行借鑒參考。主要研究4.6MPa 以下具有代表性的LNG 鐵路罐車及過臨界鐵路運輸罐車的基本設計計算方法，并進行相應的數(shù)值模擬分析研究，主要涵蓋不同類型LNG 鐵路罐車的設計計算過程及運算法則，也是當前國際上的主流LNG 鐵路槽車基本設計計算方法。以上4種LNG 鐵路運輸罐車設計計算方法屬LNG 裝備領域內目前流行的LNG 運輸設備核心技術之一，同時可應用于液化石油氣（LPG）、煤化工、石油化工、低溫制冷等領域，從工藝基礎研發(fā)及設計技術等方面來講均已成熟，已能夠推進LNG 運輸核心設備的設計計算進程及LNG 系列槽車的設計計算進程。
本書第1 章為緒論部分，主要講述LNG 鐵路槽車的特點及國內外發(fā)展現(xiàn)狀等。
第2 章主要講述LNG 鐵路運輸罐車系統(tǒng)結構設計，內容全面，不但包括設計依據的標準及主要設計基本參數(shù)、LNG 鐵路運輸罐車結構的初步設計、LNG 鐵路運輸罐車強度基本校核、LNG 鐵路罐車安全附件和管路設計、LNG 鐵路罐車漏熱校核設計計算等，而且還包括LNG 鐵路槽車卸載工藝流程、LNG 鐵路運輸罐車安全問題及管理措施等內容。
第3 章及后續(xù)章節(jié)主要講述LNG 鐵路槽車系統(tǒng)傳熱及流場數(shù)值模擬、過臨界鐵路槽車的基本設計過程等，涉及利用Solidworks 針對雙層LNG 鐵路槽車罐體結構建模過程，利用ANSYS 對罐體結構進行空氣流場分布模擬過程，以及過臨界鐵路槽車基本設計及數(shù)值模擬過程等，以便為從事LNG 貯運領域內的工程技術人員及研發(fā)人員提供有用的參考。
全書共分8 章，其中，第1 章由張周衛(wèi)、榮欣負責撰寫，第2～5 章由張周衛(wèi)負責撰寫并編輯整理，第6、7 章由汪雅紅負責撰寫并編輯整理，第8 章由榮欣負責撰寫并編輯整理，全書最后由張周衛(wèi)統(tǒng)稿并定稿。趙良東、蘇程達、張嶸、李宗儒、李培健、祁國旺、包小華等參與了各章節(jié)的撰寫與編排工作，榮欣、代德山、張超、韓孔良、馮瑞康、牛旭轉、盛日昕、孫凱旋、任少偉等參與了全書的校正工作。
本書受甘肅省高等學校產業(yè)支撐計劃項目（編號：2020C-22）、甘肅省重點人才項目（編號：26600101）、甘肅省財政廳基本科研業(yè)務費（編號：214137）等支持。
本書按照目前所列4 種LNG 鐵路槽車的設計計算進度，重點列出了4 種典型的且具有代表性的LNG 鐵路槽車進行研究開發(fā)，總結設計計算方法，并與相關行業(yè)內的研究開發(fā)人員共同分享。限于著者水平及編寫時間，書中部分內容難免有疏漏的地方，希望同行及廣大讀者批評指正。
蘭州交通大學
甘肅中遠能源動力工程有限公司
張周衛(wèi) 榮欣 汪雅紅 代德山
張周衛(wèi)，國家“萬人計劃”領軍人才，國家科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，國家科技專家?guī)鞂＜�，博士后，動力工程及工程熱物理（制冷及低溫工程）博士，畢業(yè)于西安交通大學，現(xiàn)為蘭州交通大學研究院副院長，教授，高級工程師。主要從事空間低溫制冷技術、壓縮機械與真空低溫設備等過程控制裝備、LNG過程控制裝備、多股流纏繞管式換熱裝備、螺旋壓縮膨脹制冷機等研究。
先后參與國家級項目20多項，主持國家自然基金及國家創(chuàng)新基金等共6項，甘肅省重點人才項目等8項，與企業(yè)合作項目4項等；主持申報發(fā)明專利50多項，發(fā)表論文30多篇，出版學術專著10部共600多萬字等。先后帶領團隊榮獲國家級銀獎1項，省部級獎勵10項，地廳級獎勵9項。2013年入選江蘇省“東疆英才”扶持計劃。2014年入選“國家創(chuàng)新人才推進計劃”“科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才”，2015年入選國家科技專家?guī)鞂＜遥?016年入選國家“萬人計劃”領軍人才，2019年入選甘肅省領軍人才第一層次，2020年入選“長江學者”特聘教授評委。
第1章 緒論
1.1 天然氣與LNG 001
1.1.1 天然氣與LNG 的物理特性 001
1.1.2 LNG 主要用途 002
1.1.3 LNG 主要優(yōu)點 003
1.1.4 我國LNG 供需區(qū)域分布 004
1.2 LNG 運輸工具發(fā)展情況 005
1.2.1 LNG 運輸方式 005
1.2.2 LNG 運輸容器 009
1.3 國外研究現(xiàn)狀分析 010
1.4 國內研究現(xiàn)狀分析 013
1.5 我國LNG 鐵路運輸?shù)目尚行苑治?017
1.6 過臨界鐵路運輸 017
參考文獻 019
第2章 LNG 鐵路運輸罐車系統(tǒng)結構設計
2.1 LNG 鐵路運輸罐車概述 020
2.1.1 LNG 鐵路運輸罐車背景 020
2.1.2 低溫壓力容器發(fā)展現(xiàn)狀 022
2.2 LNG 鐵路運輸罐車設計基本參數(shù) 025
2.2.1 設計內容及思路 025
2.2.2 設計依據及標準 026
2.2.3 主要設計參數(shù) 026
2.3 LNG 鐵路運輸罐車結構的初步設計 027
2.3.1 內膽常規(guī)設計 027
2.3.2 保冷層設計計算 033
2.3.3 外膽常規(guī)設計 036
2.3.4 外膽加強圈設計 041
2.3.5 內壓容器下支撐結構設計 043
2.3.6 車體通過性能校核 044
2.4 LNG 鐵路運輸罐車強度基本校核 045
2.4.1 質量載荷計算 045
2.4.2 內膽軸向定位支撐結構設計 046
2.4.3 開孔及補強計算 047
2.5 LNG 鐵路運輸罐車安全附件和管路設計 055
2.5.1 安全閥設計計算 055
2.5.2 爆破片設計計算 059
2.5.3 測量裝置選型 060
2.5.4 真空夾層安全泄放裝置的選型 061
2.5.5 扶梯和罐內管路設計 061
2.6 LNG 鐵路運輸罐車漏熱校核設計計算 062
2.6.1 罐車夾層允許漏熱 062
2.6.2 罐車支撐結構漏熱 063
2.6.3 充泄管道漏熱近似計算 064
2.7 LNG 鐵路運輸罐車卸載工藝流程 064
2.7.1 LNG 卸車方式 064
2.7.2 LNG 卸車操作流程 064
2.7.3 LNG 卸車工藝流程圖 065
2.8 LNG 鐵路運輸罐車安全問題及管理措施 068
2.8.1 LNG 物性特點 068
2.8.2 LNG 運輸安全問題 068
2.8.3 LNG 運輸管理措施 069
2.9 罐車設計結果匯總 069
參考文獻 071
第3章 LNG 鐵路運輸罐車系統(tǒng)傳熱及流場數(shù)值模擬
3.1 LNG 鐵路運輸設計概述 073
3.1.1 LNG 鐵路罐車簡介 073
3.1.2 數(shù)值模擬軟件簡介 074
3.2 LNG 鐵路運輸設計基本參數(shù) 076
3.2.1 設計依據標準 076
3.2.2 主要設計參數(shù) 076
3.3 LNG 鐵路運輸罐車結構設計 077
3.3.1 內膽常規(guī)設計 077
3.3.2 保冷層設計 079
3.3.3 外膽常規(guī)設計 083
3.3.4 內膽加強圈設計 084
3.3.5 內膽下支撐結構設計 086
3.4 LNG 鐵路罐車強度基本校核 088
3.4.1 質量載荷計算 088
3.4.2 內膽軸向定位支撐結構設計 089
3.4.3 開孔及補強計算 090
3.5 LNG 鐵路輸運罐車流場和傳熱模擬 095
3.5.1 結構建模 095
3.5.2 流場分布模擬 095
參考文獻 105
第4章 過臨界超高速LNG 鐵路槽車傳熱及流場數(shù)值模擬
4.1 球罐結構設計 106
4.1.1 基礎資料 106
4.1.2 內壓球殼計算 108
4.1.3 保冷層設計 111
4.1.4 外壓球殼計算 112
4.1.5 球殼質量計算 113
4.1.6 載荷計算 116
4.1.7 支柱計算 119
4.1.8 地腳螺栓計算 125
4.1.9 支柱底板計算 126
4.1.10 拉桿計算 127
4.1.11 支柱與球殼連接最低點應力校核 130
4.1.12 安全泄放計算 132
4.2 流場數(shù)值及傳熱模擬 133
4.2.1 流場數(shù)值模擬 133
4.2.2 傳熱數(shù)值模擬 144
4.2.3 過臨界傳熱模擬 149
參考文獻 151
第5章 過臨界超高速LNG 鐵路槽車系統(tǒng)結構設計
5.1 概述 153
5.1.1 球罐發(fā)展歷程 153
5.1.2 球罐簡介 154
5.2 球罐初步設計 157
5.3 球罐設計計算 158
5.3.1 設計參數(shù)確定 158
5.3.2 內壓球殼計算 159
5.3.3 保冷層設計計算 160
5.3.4 外壓球殼計算 162
5.3.5 球罐質量計算 163
5.3.6 地震載荷計算 165
5.3.7 彎矩計算 167
5.3.8 支柱計算 167
5.3.9 地腳螺栓計算 174
5.3.10 支柱底板 176
5.3.11 拉桿計算 177
5.3.12 球罐與支柱連接最低點的應力校核 179
5.3.13 設計匯總 182
5.4 球殼瓣片尺寸計算 183
5.5 安全泄放計算 185
參考文獻 187
第6章 高寒地區(qū)鐵路沿線LNG 貯運站系統(tǒng)及主設備設計
6.1 球罐初步設計 188
6.1.1 設計參數(shù)確定 188
6.1.2 耐壓試驗壓力 190
6.2 球罐設計計算 190
6.2.1 內壓球殼計算 190
6.2.2 保冷層設計計算 192
6.2.3 外壓球殼計算 194
6.2.4 球罐質量計算 195
6.2.5 地震載荷計算 197
6.2.6 彎矩計算 199
6.2.7 支柱計算 200
6.2.8 地腳螺栓計算 206
6.2.9 支柱底板計算 207
6.2.10 拉桿計算 208
6.2.11 連接最低點a 應力校核 210
6.2.12 連接焊縫強度校核 212
6.3 安全泄放計算 213
6.4 球殼分瓣計算 214
6.4.1 赤道板和上溫帶合板 214
6.4.2 赤道帶 215
6.4.3 極板 216
6.5 LNG 汽化系統(tǒng)設計 220
6.5.1 汽化工藝流程 220
6.5.2 閥門與法蘭選型 224
6.6 附件 224
參考文獻 226
第7章 高寒地區(qū)鐵路沿線LNG 貯運站系統(tǒng)傳熱及流場數(shù)值模擬
7.1 球罐設計計算 227
7.1.1 主要設計參數(shù) 227
7.1.2 設計依據標準 228
7.1.3 壓力試驗方法 228
7.2 球殼計算 229
7.2.1 內壓球殼計算 229
7.2.2 保冷層設計計算 230
7.2.3 外壓球殼計算 232
7.2.4 球罐質量計算 232
7.3 載荷計算 235
7.3.1 地震載荷計算 235
7.3.2 彎矩計算 237
7.3.3 支柱計算 237
7.3.4 地腳螺栓計算 244
7.3.5 支柱底板計算 245
7.3.6 拉桿計算 246
7.3.7 支柱與球殼連接最低點計算 249
7.3.8 支柱與球殼連接焊縫強度校核 251
7.4 結構設計總匯 251
7.5 流場數(shù)值及傳熱數(shù)值模擬 252
7.5.1 流場數(shù)值模擬 252
7.5.2 傳熱數(shù)值模擬 260
參考文獻 268
第8章 200m3 LNG 鐵路集裝箱系統(tǒng)結構設計
8.1 LNG 鐵路罐式集裝箱系統(tǒng) 270
8.1.1 LNG 鐵路集裝箱簡介 270
8.1.2 LNG 鐵路罐式集裝箱特點 271
8.1.3 LNG 鐵路罐式集裝箱設計原則 271
8.2 LNG 鐵路罐式集裝箱系統(tǒng)結構設計 273
8.2.1 鐵路罐箱圓筒形式介紹 273
8.2.2 罐箱內圓筒設計計算 274
8.2.3 內圓筒結構設計 277
8.2.4 罐箱保冷層設計 278
8.2.5 外筒筒體設計計算 279
8.2.6 內圓筒容器支撐結構設計 283
8.2.7 安全附件選型 284
8.3 LNG 鐵路罐式集裝箱開孔及補強設計 285
8.3.1 人孔補強 285
8.3.2 應力校核計算 288
8.4 LNG 罐式集裝箱安全部件設計選型 291
8.4.1 安全閥設計計算 291
8.4.2 扶梯設計 292
8.5 LNG 鐵路罐式集裝箱框架結構設計 292
8.5.1 材料選擇 292
8.5.2 橫梁應力計算 293
8.5.3 立柱應力計算 294
8.5.4 底部斜撐應力計算 295
8.5.5 斜撐及補強設計 296
參考文獻 297
致謝
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