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(chǔ)運(yùn)空間，而且具有熱值大、性能高等特點(diǎn)。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(dú)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(chǔ)罐溫度和壓力變化規(guī)律。Khelifi－Touhami等［2］針對LNG儲(chǔ)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(chǔ)罐自然對流換熱問題，采用fluent軟件模擬分析了儲(chǔ)罐尺寸等因素對LNG儲(chǔ)罐換熱和蒸發(fā)率的影響，進(jìn)一步對加壓LNG儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)熱量傳熱規(guī)律、從底部和側(cè)面加熱LNG儲(chǔ)罐傳熱和流動(dòng)問題，液化天然氣海上運(yùn)輸過程中蒸發(fā)動(dòng)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(shí)驗(yàn)研究，Mckeown等［20］和 Fulford 等［21］分 別 對 LNG 船 制造和LNG儲(chǔ)罐安全設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算其日蒸發(fā)率，為LNG船圍護(hù)系統(tǒng)絕熱設(shè)計(jì)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(gè)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(chǔ)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(gè)LNG儲(chǔ)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(jì)算模型邊界條件

2.1 條件假設(shè)

對于計(jì)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(chǔ)罐內(nèi)液體和氣體的傳熱；（2）不考慮儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)熱導(dǎo)率為0.02875W·m－1·K－1；絕熱層隔熱能力衰減30%時(shí)熱導(dǎo)率為0.0325W·m－1·K－1；聚氨酯絕熱層設(shè)計(jì)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(jì)算工況，如表1所示。

表1 計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)，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(shí)，液貨艙傳熱量為108.3kW。

3.2 蒸發(fā)率計(jì)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(jì)目標(biāo)，其傳熱量不得超過126kW。

根據(jù)式 （1），計(jì)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(jì)算Table2 Calculation of boil－off rate

由表2可以看出，當(dāng)絕熱層厚度為350mm時(shí)，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(jì)目標(biāo)。但是，當(dāng)絕熱層如吸濕后隔熱能力衰減時(shí)，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(jì)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(jì)目標(biāo)。LNG液貨艙絕熱層絕熱能力衰減15%和30%時(shí)，LNG液貨艙日蒸發(fā)率則會(huì)超過設(shè)計(jì)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(jì)，為LNG船圍護(hù)系統(tǒng)絕熱設(shè)計(jì)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(gè)液貨艙傳熱量，kJ

γ——LNG的汽化潛熱，kJ·kg－1

［1］ Chen Q S，Wegrzyn J，Prasad V.Analysis of temperature and pressure changes in liquefied natural gas （LNG）cryogenic tanks［J］.Cryogenics，2004，44：701－709.

［2］ Khelifi－Touhami M S，Benbrik A，Lemonnier D，Blay D.Laminar natural convection flow in a cylindrical cavity application to the storage of LNG ［J］.JournalofPetroleum ScienceandEngineering，2010，71：126－132.

［3］ Roh Sangeun，Son Gihun.Numerical study of natural convec－tion in a liquefied natural gas tank ［J］.Journalof MechanicalScienceandTechnology，2012，26 （10）：3133－3140.

［4］ Roh Sangeun，Son Gihun，Song Gildal，Bae Junghong.Numerical study of transient natural convection in a pressurized LNG storage tank ［J］.AppliedThermal Engineering，2013，52：209－220.

［5］ Belmedany M，Belgacem A，Rebiai R.Analysis of natural convection in liquid nitrogen under storage conditions ［J］.JournalofAppliedScience，2008，8（14）：2544－2552.

［6］ Kumar S P，Prasad B，Venkatarathnam G，Ramamurthi K，Murthy S S，Influence of surface evaporation on stratification in liquid hydrogen tanks of different aspect ratios ［J］ .Int.J.HydrogenEnergy， 2007， 32 ：1954－1960.

［7］ Hiroyuki O.Natural circulation in an inclined rectangular channel heated on one side and cooled on the opposing side［J］.InternationalJournalofHeatandMassTransfer，1974，17 （10）：1209－1217.

［8］ Hiroyuki O，Hayatoshi S，Churchill S W.Natural convection in an inclined rectangular channel at various aspect ratios and angles－experimental measurements ［J］.International JournalofHeatandMassTransfer，1975，18 （12）：1425－1431.

［9］ Shi J Q，Beduz C，Scurlock R G，Numerical modelling and flow visualization of mixing of stratified layers and rollover in LNG ［J］.Cryogenics，1993，33：1116－1124.

［10］ Bates S，Morrison D S.Modeling the behavior of stratified liquid natural gas in the storage tanks：a study of the rollover phenomenon ［J］.Int.J.HeatMassTransfer，1997，40：1875－1884.

［11］ Zhu Dezhi.Example of simulating analysis on LNG leakage and dispersion ［J］.ProcediaEngineering，2014，71：220－229.

［12］ Li Y，Wang C，Wang R.Study on effect of liquid level on the heat leak into vertical cryogenic vessels ［J］.Cryogenics，2010，50：367－372.

［13］ Khemis O，Boumaza M，Ait Ali M，F(xiàn)rancois M X.Experimental analysis of heat transfers in a cryogenic tank without lateral insulation ［J］.Appl.Therm.Eng.，2003，23：2017－211.

［14］ Kanazawa T，Kudo K，Kuroda A，Tsui N.Experimental study on heat and fluid flow in LNG tank heated from the bottom and the sidewalls ［J］ .HeatTransfer－Asian Research，2004，33 （7）：417－430

［15］ Rama Subba Reddy Gorla.Probabilistic analysis of a liquefied natural gas storage tank ［J］ .AppliedThermal Engineering，2010，30：2763－2769.

［16］ Dimopoulos G G，F(xiàn)rangopoulos C A.A dynamic model for liquefied natural gas evaporation during Marine transportation［J］.Int.J.Therm.，2010，11：123－131.

［17］ Hasan W M F，Zheng A M，Karimi I A.Minimizing boil－off losses in liquefied natural gas transportation ［J］.Ind.Eng.Chem.，2009，48：9571－9580.

［18］ Miana M，del Hoyo R，Rodrigálvarez V，Valdés J R，Llorens R.Calculation models for prediction of liquefied natural gas （LNG）ageing during ship transportation ［J］.AppliedEnergy，2010，87 （5）：1687－1700.

［19］ Chun Min Sung，Kim Myung Hyun，Kim Wha Soo，Kim Sang Hyun，Lee Jae Myung.Experimental investigation on the impact behavior of membrane－type LNG carrier insulation system ［J］.JournalofLossPreventionintheProcess Industries，2009，22：901－907.

［20］ Mckeown D.Fabricating LNG carriers ［J］.ShippingWorld andShipbuilder，2006，207 （4226）：24－30.

［21］ Fulford N J，Slatter M D.Developments in the safe design of LNG tanks ［J］.Cryogenics，1988，28 （12）：810－817.