天然气是当今世界能源消耗中的重要组成部分，它与煤炭、石油一起并称世界能源的三大支柱。天然气的基本组分是甲烷，除了作化工原料外，主要用作燃料。由于天然气的热值高，燃烧产物对环境污染少，被认为是21世纪有发展前途的能源。将天然气低温液化，使其体积缩小到原体积的1/625，有利于运输和储存。如今，液化天然气(LNG)已发展成为一门新兴工业，并正在迅速发展。 LNG的大量运输和储存必须考虑其安全性问题。但我国的LNG工业起步较晚，长期以来几乎空白。对LNG工厂、接收终端、运输槽车和气化站等LNG工业链的各环节既缺乏基础研究，又缺少对系统安全性的分析与预测技术。这些都不能适应我国大规模开发利用LNG的需要。因此，LNG储运过程中的扩散、分层、蒸汽爆炸等的机理和试验研究、以及LNG储运的非稳性预测和系统安全的智能评价成为了LNG储运安全领域的重要研究内容。 本文在总结LNG安全领域的研究现状的基础上，从储运事故的热力特性出发，重点研究了几种典型事故的发生机制，最后开发了LNG储运失稳状态的监控、预测和智能评价系统。本文的主要内容可分为以下三个部分： 第一部分，关于LNG典型事故的非线性机理研究： (1)LNG储运过程中，会因向已装有LNG的低温储槽中冲注新的LNG液体，或氮组分的优先蒸发，而使容器内的液体发生分层，分层后在特定条件下的层间剧烈混合，会形成所谓的翻腾(Rollover)，引起液体蒸发率剧增和排空事故。本文借鉴混沌输运和混合的分析方法，结合分层涡旋的观测实验，探讨了LNG分层界面的不稳定波动及其对分层涡旋的影响。在分层模型的基础上，再现了穿透对流的流场及其对上下层的混合作用。该方法较之传统的阶段模型或瑞利数判定具有较强的局部分析能力，在此机理研究的基础上提取故障特征，更能发挥其对瞬时、非线性问题的分析能力。 (2)当盛有高压液化气体的储罐失效，或处于外界火灾环境时，很可能发生沸腾液体膨胀蒸汽爆炸(BLEVE)现象。蒸汽爆炸是一种冷爆炸，而且可能在毫秒数量级的时间内发生，用统计热力学的理论研究LNG蒸汽爆炸存在较大的困难。为此，运用拓扑数学理论直接处理多相关因素的不连续性问题，并在此基础上建立了热侵袭下和储罐机械破损时的BLEVE突变模型，最后用该模型对两种情形下的蒸汽爆炸事故进行了过程描述和危害性分析。突变模型不仅能解释BLEVE过程的非连续性和突变性，判别蒸汽爆炸是否发生，而且能较好地预测爆炸的危害程度，为LNG储运事故的热力分析提供了新的思路。 (3)其他的典型事故还包括LNG意外泄漏形成的扩散、爆燃/爆轰及装卸船(车)等日常操作时的水击和急冷现象。LNG泄露初期是具有温差的扩散，本质上是一个非定常、不稳定、剧烈的分离流动。气化后甲烷的密度比空气的小，形成浮力羽流。本文运用了一种Lagrangian粒子扩散模型，对LNG蒸发气体进行了中性边界层条件下水平和垂直方向流场的数值模拟，分析给出了扩散的流动和脉动特征，加强对LNG扩散这一类大尺度无序运动的预报能力。 (4)根据相似性定律，分析了盐水模型与LNG分层的相似性条件，建立了盐水分层模拟实验台，以模拟LNG储罐中分层时的密度场。利用盐水模型实验预测了分层形成的条件以及分层翻滚发生的时间；利用反映LNG传热传质特性的量纲参数修正了盐水双向扩散的实验结论，并分析了LNG中间界面的传热特性及LNG分层形成的原因、分层的稳定性和分层涡旋发生机理。 第二部分，基于非线性机理和人工智能的LNG储运事故的监控、预测技术： (1)运用混沌输运理论，对分层涡旋发生时储罐的内部流动进行了分析，并结合最大Lyapunov指数对温度时间序列进行了非线性特征判定。在最大Lyapunov指数、关联维数、互信息法等基本原理的基础上，得到了系统的有效自由度和事故的最大可预测时间，为建立LNG分层涡旋事故的预测模型提供了可靠的理论依据。 (2)故障诊断的实质就是对不同状态点的模式识别过程。LNG分层涡旋时，温度分布对罐内的传热、传质过程有重要的影响。本文对分层涡旋的发展阶段及其状态，建立储罐内温度涨落信号的AR(autoregressive model)模型，通过AR模型特征参数的欧式距离，度量了不同参考总体之间或待检点与参考总体之间的几何距离。并利用诊断对象和不同故障模式之间的特征距离，对分层涡旋的故障形式进行了模式识别。 第三部分，关于LNG储运系统的安全性评价： (1)从安全系统分析与危险控制角度，以主要设备、设施或岗位为中心，将主要危险设备、工艺状况及操作条件、作业范围等方面存在明显差异的辨识对象，划分为不同的危险源，并对每个危险源所涉及作业中的各种潜在危险因素、触发条件、事故后果、事故类别、控制措施，以及固有危险状况，包括本质安全化状况、设备、设施、工艺缺陷、危险暴露程度等信息进行系统发掘，建立了LNG储运系统的安全评价结构主体。并采用Fuzzy-AHP方法对辅助系统存在的危险因素及其对主体系统的影响进行了分析。 (2)鉴于LNG的易燃易爆特性，运用国外风险评价的QRA模型结合：Monte-Carlo随机模拟方法，从事故概率、事故强度、事故危害后果各方面对某大型LNG供气站进行了火灾爆炸危险估计，最后得到了该项目的环境风险表征指标及后果危害程度分析。