LNG船B型液貨艙溫度場模擬分析

傅允準(zhǔn)祁亮巨永林杜興慧

（1上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620；2上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240）

引 言

天然氣作為清潔能源越來越受到青睞，很多國家都將LNG列為首選燃料，天然氣在能源供應(yīng)中的比例迅速增加。液化天然氣 （liquefied natural gas，LNG）是將天然氣經(jīng)過凈化和低溫處理至－162℃的液態(tài)，天然氣液化后可以大大節(jié)約儲運(yùn)空間，而且具有熱值大、性能高等特點。LNG船是指運(yùn)輸LNG的專用船舶，目前正朝著超大型化發(fā)展。隨著LNG需求的不斷增長，世界范圍內(nèi)投入使用的LNG船舶的數(shù)量正逐年增加。

根據(jù)IGC和USGC規(guī)則的要求，LNG船為防止蒸發(fā)和維持低溫需要設(shè)定液貨圍護(hù)系統(tǒng)，目前，供LNG船使用的液貨圍護(hù)系統(tǒng)主要有法國GTT專利公司的薄膜型和挪威 MOSS－ROSENBENRG船廠的獨立MOSS型圍護(hù)系統(tǒng)。國內(nèi)外學(xué)者對圍護(hù)系統(tǒng)傳熱機(jī)理及溫度應(yīng)力、溫度場等問題進(jìn)行了相關(guān)研究。如Chen［1］分析LNG低溫儲罐溫度和壓力變化規(guī)律。Khelifi－Touhami等［2］針對LNG儲灌中一種垂直圓柱形諧振腔的層流自然對流問題進(jìn)行數(shù)值模擬。Roh Sangeun等［3－4］針對由于從周圍環(huán)境吸熱而引起LNG儲罐自然對流換熱問題，采用fluent軟件模擬分析了儲罐尺寸等因素對LNG儲罐換熱和蒸發(fā)率的影響，進(jìn)一步對加壓LNG儲罐瞬態(tài)自然對流進(jìn)行數(shù)值分析。Belmedany等［5－8］分析了液氮在儲存狀態(tài)下自然對流及液氫蒸發(fā)、傾斜通道自然對流。Shi等［9－11］在LNG分層和翻滾的混合問題進(jìn)行數(shù)值模擬、LNG泄露擴(kuò)散問題進(jìn)行研究。Li等［12－18］分析垂直低溫容器漏熱問題，低溫容器在沒有橫向絕緣時熱量傳熱規(guī)律、從底部和側(cè)面加熱LNG儲罐傳熱和流動問題，液化天然氣海上運(yùn)輸過程中蒸發(fā)動態(tài)模型。Chun等［19］對薄膜型LNG船絕緣系統(tǒng)行為的影響的實驗研究，Mckeown等［20］和 Fulford 等［21］分 別 對 LNG 船 制造和LNG儲罐安全設(shè)計進(jìn)行研究。

通過以上文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外對SPB型液貨艙傳熱模擬及蒸發(fā)率計算研究不多，本文采用CFD軟件對LNG船SPB型液貨艙及其周圍船體結(jié)構(gòu)的溫度場分布進(jìn)行模擬，并計算其日蒸發(fā)率，為LNG船圍護(hù)系統(tǒng)絕熱設(shè)計和創(chuàng)新提供重要的參考。

1 新型LNG船液貨艙模型

LNG船舶簡化模型圖如圖1所示，它一般由4個液貨艙組成，由縱桁船體鋼板隔開相鄰液貨艙，使其成為封閉艙室。

圖1 LNG船舶簡化模型Fig.1 Simplified model of LNG carrier

新型LNG船舶液貨艙圍護(hù)系統(tǒng)剖面圖如圖2所示，其三維模型如圖3所示，液貨艙圍護(hù)系統(tǒng)由液貨艙、聚氨酯絕熱層和船體內(nèi)鋼板組成，液貨艙容積約為50000m3，表面積約為8000m2。LNG儲罐由鋼板焊接而成，鋼板外表面鋪設(shè)具有一定厚度聚氨酯絕熱層以減少LNG貨損；整個LNG儲罐的重量依靠其下部與之接觸的鋼支座和木材支撐座支撐。舷邊艙、底邊艙及船體鋼板與絕熱層之間的艙室內(nèi)的空氣由于溫度差而發(fā)生自然對流。

圖2 1／2液貨艙剖面圖Fig.2 Sketch of LNG carrier profile

圖3 LNG船三維模型Fig.3 Three－dimensional model of LNG carrier

2 液貨艙計算模型邊界條件

2.1 條件假設(shè)

對于計算模型，本文做出以下假設(shè)：（1）LNG液貨艙初始裝載率為100%，不考慮儲罐內(nèi)液體和氣體的傳熱；（2）不考慮儲罐內(nèi)部壓力和LNG組分對傳熱的影響；（3）液貨艙體厚度均勻，不考慮局部厚度變化及部件之間連接加強(qiáng)裝置；（4）液貨艙容積不隨溫度的變化而變化；（5）忽略液貨艙充裝裝置。

2.2 條件假設(shè)

新型LNG船LNG儲罐材料為殷鋼，熱導(dǎo)率為48W·m－1·K－1［10］；木材支撐座熱導(dǎo)率為0.069W·m－1·K－1；船用鋼材熱導(dǎo)率為68.8W·m－1·K－1；聚氨酯絕熱層熱導(dǎo)率為0.025W·m－1·K－1；絕熱層隔熱能力衰減15%時熱導(dǎo)率為0.02875W·m－1·K－1；絕熱層隔熱能力衰減30%時熱導(dǎo)率為0.0325W·m－1·K－1；聚氨酯絕熱層設(shè)計厚度為350mm。

2.3 工況設(shè)置

根據(jù) 《國際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》規(guī)則的相關(guān)要求，選用較典型的各種計算工況，如表1所示。

表1 計算工況Table 1 Simulation cases of thermal analysis

3 模擬結(jié)果分析

3.1 液貨艙溫度場和速度場模擬分析

利用SCT／tetra前處理軟件建立液貨艙三維計算模型，設(shè)定好邊界條件后，將模型導(dǎo)入到SCT solver進(jìn)行求解，計算出6種工況下LNG船的速度場分布和溫度場分布。模擬結(jié)果如圖4～圖9所示。

圖4 工況1LNG船溫度分布Fig.4 Temperature distribution of LNG carrier at case 1

圖5 工況2LNG船溫度分布Fig.5 Temperature distribution of LNG carrier at case 2

圖6 工況2LNG船速度分布Fig.6 Velocity distribution of LNG carrier at case 2

圖7 工況2LNG船局部溫度分布Fig.7 Temperature distribution of local LNG carrier at case 2

分析圖5、圖7，可以得出，當(dāng)海水溫度為0℃，空氣溫度5℃，LNG溫度－162℃時，水線以下的船體結(jié)構(gòu)溫度較低，不超過1℃；水線以上船體邊艙空氣溫度處于4.4～4.75℃；而靠近絕熱層溫度較低，處于1～3℃。液貨艙傳熱量為94.7kW。

圖8 工況3LNG船溫度分布Fig.8 Temperature distribution of LNG carrier at case 3

圖9 工況4LNG船溫度分布Fig.9 Temperature distribution of LNG carrier at case 4

分析圖6，可以得出，LNG船邊艙和底邊艙的空氣自然對流速度分布一致，且速度值不超過0.3 m·s－1；船體鋼板和聚氨酯絕熱層之間的空氣艙室各部分的速度分布不一致，風(fēng)速不超過3m·s－1。

分析圖4、圖9，可以得出：由于空氣溫度較低 （－18℃），液貨艙傳熱量為84.5kW；但是當(dāng)海水溫度為32℃，空氣溫度45℃時，液貨艙傳熱量為108.3kW。

3.2 蒸發(fā)率計算

蒸發(fā)率是指LNG船在航行過程中每天的貨損與LNG總質(zhì)量的比值，可以通過公式 （1）求得

假設(shè)LNG液貨艙圍護(hù)系統(tǒng)傳熱過程為穩(wěn)態(tài)傳熱，為滿足蒸發(fā)率每天不高于0.1%的設(shè)計目標(biāo)，其傳熱量不得超過126kW。

根據(jù)式 （1），計算求得6種工況下的蒸發(fā)率如表2所示。

表2 蒸發(fā)率計算Table2 Calculation of boil－off rate

由表2可以看出，當(dāng)絕熱層厚度為350mm時，即使在極端天氣條件下，LNG船的蒸發(fā)率也不超過0.1%·d－1的設(shè)計目標(biāo)。但是，當(dāng)絕熱層如吸濕后隔熱能力衰減時，例如工況5和工況6條件下，LNG液貨艙傳熱量大幅提升，蒸發(fā)率超過了0.1%·d－1的設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié) 論

通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：

LNG液貨艙的絕熱層厚度350mm且絕熱層完好的情況下，滿足了日蒸發(fā)率不超過0.1%·d－1的設(shè)計目標(biāo)。LNG液貨艙絕熱層絕熱能力衰減15%和30%時，LNG液貨艙日蒸發(fā)率則會超過設(shè)計目標(biāo)。

本研究成果將指導(dǎo)新型LNG船液貨艙圍護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計，為LNG船圍護(hù)系統(tǒng)絕熱設(shè)計和創(chuàng)新提供重要的參考和咨詢。

符 號 說 明

BOR——蒸發(fā)率，%

m——液貨艙中LNG的質(zhì)量，kg

Q——整個液貨艙傳熱量，kJ

γ——LNG的汽化潛熱，kJ·kg－1

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