LNG船B型液貨艙溫度場模擬分析

傅允準祁亮巨永林杜興慧

（1上海工程技術大學機械工程學院，上海201620；2上海交通大學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，天然氣在能源供應中的比例迅速增加。液化天然氣 （liquefied natural gas，LNG）是將天然氣經過凈化和低溫處理至－162℃的液態，天然氣液化后可以大大節約儲運空間，而且具有熱值大、性能高等特點。LNG船是指運輸LNG的專用船舶，目前正朝著超大型化發展。隨著LNG需求的不斷增長，世界范圍內投入使用的LNG船舶的數量正逐年增加。

根據IGC和USGC規則的要求，LNG船為防止蒸發和維持低溫需要設定液貨圍護系統，目前，供LNG船使用的液貨圍護系統主要有法國GTT專利公司的薄膜型和挪威 MOSS－ROSENBENRG船廠的獨立MOSS型圍護系統。國內外學者對圍護系統傳熱機理及溫度應力、溫度場等問題進行了相關研究。如Chen［1］分析LNG低溫儲罐溫度和壓力變化規律。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行數值模擬。Roh Sangeun等［3－4］針對由于從周圍環境吸熱而引起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儲罐換熱和蒸發率的影響，進一步對加壓LNG儲罐瞬態自然對流進行數值分析。Belmedany等［5－8］分析了液氮在儲存狀態下自然對流及液氫蒸發、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行數值模擬、LNG泄露擴散問題進行研究。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律、從底部和側面加熱LNG儲罐傳熱和流動問題，液化天然氣海上運輸過程中蒸發動態模型。Chun等［19］對薄膜型LNG船絕緣系統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儲罐安全設計進行研究。

通過以上文獻檢索發現，目前國內外對SPB型液貨艙傳熱模擬及蒸發率計算研究不多，本文采用CFD軟件對LNG船SPB型液貨艙及其周圍船體結構的溫度場分布進行模擬，并計算其日蒸發率，為LNG船圍護系統絕熱設計和創新提供重要的參考。

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船舶液貨艙圍護系統剖面圖如圖2所示，其三維模型如圖3所示，液貨艙圍護系統由液貨艙、聚氨酯絕熱層和船體內鋼板組成，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的空氣由于溫度差而發生自然對流。

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

對于計算模型，本文做出以下假設：（1）LNG液貨艙初始裝載率為100%，不考慮儲罐內液體和氣體的傳熱；（2）不考慮儲罐內部壓力和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

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

2.3 工況設置

根據 《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則》規則的相關要求，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，設定好邊界條件后，將模型導入到SCT solver進行求解，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，當海水溫度為0℃，空氣溫度5℃，LNG溫度－162℃時，水線以下的船體結構溫度較低，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 蒸發率計算

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

假設LNG液貨艙圍護系統傳熱過程為穩態傳熱，為滿足蒸發率每天不高于0.1%的設計目標，其傳熱量不得超過126kW。

根據式 （1），計算求得6種工況下的蒸發率如表2所示。

表2 蒸發率計算Table2 Calculation of boil－off rate

由表2可以看出，當絕熱層厚度為350mm時，即使在極端天氣條件下，LNG船的蒸發率也不超過0.1%·d－1的設計目標。但是，當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，蒸發率超過了0.1%·d－1的設計目標。

4 結 論

通過以上分析，可以得出以下結論：

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

本研究成果將指導新型LNG船液貨艙圍護系統的開發設計，為LNG船圍護系統絕熱設計和創新提供重要的參考和咨詢。

符 號 說 明

BOR——蒸發率，%

m——液貨艙中LNG的質量，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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