LNG獨(dú)立C型液貨艙絕熱形式選型研究

張榮 邱海平 鄭坤 佟偉（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司天津300457中國(guó)石油大港油田熱電公司天津30080）

LNG獨(dú)立C型液貨艙絕熱形式選型研究

張榮1邱海平2鄭坤1佟偉1
（1中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司天津3004572中國(guó)石油大港油田熱電公司天津300280）

本文對(duì)LNG獨(dú)立C型液貨艙的絕熱形式進(jìn)行了分析與論述，比較了不同絕熱形式在LNG船舶領(lǐng)域的應(yīng)用范圍與各自特點(diǎn)，并以中海油能源發(fā)展有限公司建造的6500HP港作拖輪為例進(jìn)行了絕熱層選型實(shí)例分析。最終，本文通過(guò)總結(jié)給出了獨(dú)立C型液貨艙絕熱形式選擇的參考原則，為后續(xù)獨(dú)立C型液貨艙設(shè)計(jì)與深入研究提供參考。

獨(dú)立C型液貨艙；絕熱形式；LNG運(yùn)輸船；LNG燃料動(dòng)力船

引言

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)空氣質(zhì)量的關(guān)注正促使政府采取積極措施以減少污染，使用天然氣成為解決方案的重要組成部分。液化天然氣（Liquefied Natural Gas簡(jiǎn)稱LNG）作為天然氣的液態(tài)形態(tài)，其體積是常態(tài)下天然氣體積的六百分之一，有利于運(yùn)輸與儲(chǔ)存。由于國(guó)內(nèi)天然氣需求的逐年上升，通過(guò)中小型LNG運(yùn)輸船進(jìn)行沿海、進(jìn)江LNG二程轉(zhuǎn)運(yùn)的需求也越來(lái)越大，中小LNG運(yùn)輸船的數(shù)量正在逐年增長(zhǎng)[1]。同時(shí)，為了減緩內(nèi)河船舶CO2、SOX以及NOX的排放，國(guó)內(nèi)也正在促進(jìn)LNG燃料動(dòng)力船舶的發(fā)展。

LNG在常壓下為-162℃，為維持LNG的溫度，也為保證船體結(jié)構(gòu)不被低溫破壞，需要有帶絕熱結(jié)構(gòu)的貨物圍護(hù)系統(tǒng)來(lái)對(duì)LNG進(jìn)行圍護(hù)，因此貨物圍護(hù)系統(tǒng)是LNG船舶的重要組成部分之一。目前而言，中小型LNG運(yùn)輸船及LNG燃料動(dòng)力多使用獨(dú)立C型液貨艙作為L(zhǎng)NG的圍護(hù)設(shè)備，而獨(dú)立C型液貨艙的絕熱形式又對(duì)LNG船舶的經(jīng)濟(jì)學(xué)、安全性等有著重要的影響，因此研究獨(dú)立C型液貨艙的絕熱形式有著十分重要的意義。

1 低溫絕熱形式分析

選擇絕熱結(jié)構(gòu)的型式時(shí)應(yīng)從絕熱性能、經(jīng)濟(jì)性、堅(jiān)固性、重量、體積及制作的方便等多方面考慮。目前還沒(méi)有一種絕熱型式在以上所有情況下都認(rèn)為是十全十美的。一般來(lái)說(shuō)，低沸點(diǎn)液體應(yīng)采用高效的絕熱型式；大型容器應(yīng)選用成本低的絕熱型式，不必考慮重量和所占空間的大小；而運(yùn)輸及輕便型容器就應(yīng)采用重量輕，體積小的絕熱型式；形狀復(fù)雜的容器一般不宜用真空多層絕熱。此外，對(duì)于短期使用或間歇使用的容器，絕熱結(jié)構(gòu)的熱容量應(yīng)盡可能小，預(yù)冷時(shí)間較短，冷耗量較小。

絕熱結(jié)構(gòu)的厚度隨著絕熱結(jié)構(gòu)的型式及容器的大小而變化，在實(shí)際應(yīng)用中各類低溫容器絕熱層厚度大致在下述范圍之內(nèi)：普通絕熱100-1000mm，真空粉末絕熱20-500mm，真空多層絕熱10-100mm。絕熱層的厚度應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析來(lái)確定。對(duì)于運(yùn)輸式容器，外型尺寸受到限制，增加絕熱層厚度雖然可以減少氣化損失，但同時(shí)也降低了容器的容積，因而絕熱層厚度存在一個(gè)最佳值（此時(shí)蒸發(fā)率最低）。

1.1 低溫絕熱分類

低溫絕熱一般可分為如下四種類型[2-3]：

（1）堆積絕熱：也就是非真空絕熱，即在需要絕熱的表面上裝填或包覆一定厚度的絕熱材料以達(dá)到絕熱的目的，常用于管道及大型貯罐，常用的絕熱材料有泡沫塑料、泡沫玻璃及玻璃棉等。堆積絕熱的絕熱效果相對(duì)較差，但成本最低。

（2）高真空絕熱：即單純真空絕熱，一般要求在絕熱空間保持1.33Pa以下壓強(qiáng)的真空度，這樣就可以消除氣體對(duì)流傳熱和絕大部分的殘余氣體導(dǎo)熱，以達(dá)到良好的絕熱效果。由于高真空絕熱空間高真空度的獲得與保持比較困難，一般在大型裝置中很少應(yīng)用。

（3）真空粉末（纖維）絕熱：真空粉末絕熱和真空纖維絕熱均屬于真空多孔絕熱，是在絕熱空間充填多孔性絕熱材料(粉末或纖維)，再將絕熱空間抽至一定真空度的絕熱型式。只要在不高的真空度下，就可以消除粉末絕熱介質(zhì)間的氣體對(duì)流換熱，從而大大減少高真空度獲得與保持的困難。由于此類絕熱的熱導(dǎo)率只有堆積絕熱的幾十分之一，且真空度要求不高，夾層壓力為1～10 Pa左右，故在低溫技術(shù)中得到大量應(yīng)用。絕熱材料多用珠光砂、玻璃棉、氣凝膠等。

（4）高真空多層絕熱：又稱多層絕熱，它是一種在絕熱空間中安置許多層平行于冷壁的輻射屏以大幅度減少輻射熱而達(dá)到高效絕熱的結(jié)構(gòu)，為目前絕熱效果最好的一種絕熱形式，其在低溫技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用。其中的反射屏材料為金屬箔(如鋁箔、銅箔、金箔等)，間隔材料多為無(wú)堿玻璃布、纖維紙、填碳紙等。對(duì)于多層絕熱的組合，目前使用最多的是鋁箔與纖維紙的組合。

1.2 低溫絕熱原理

低溫絕熱的目的是采用各種不同的絕熱類型與結(jié)構(gòu)，將通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射等途徑傳遞給低溫體系的熱量減少到盡可能低的程度，以維持低溫系統(tǒng)正常工作。目前,常用的低溫絕熱及其原理、性能見表1。

表1 各種低溫絕熱類型的原理、性能

2 LNG獨(dú)立C型液貨艙絕熱形式選型研究

2.1 LNG獨(dú)立C型液貨艙的結(jié)構(gòu)形式選擇

LNG獨(dú)立C型液貨艙的結(jié)構(gòu)形式一般分為雙壁真空絕熱型和單壁泡沫絕熱型兩種。兩種不同的結(jié)構(gòu)形式又可分別采用其不同的絕熱形式。

目前，獨(dú)立C型液貨艙主要用于中小型LNG運(yùn)輸船及燃料動(dòng)力船上，艙容可從幾十立方至幾萬(wàn)立方不等。由于獨(dú)立C型液貨艙的艙容利用率較比薄膜型及SPB型LNG液貨艙要小很多，而且絕熱結(jié)構(gòu)又要占據(jù)額外的艙室空間，因此對(duì)于獨(dú)立C型液貨艙而言，合理的選擇貨艙結(jié)構(gòu)形式以及絕熱形式十分重要。

對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式的貨艙進(jìn)行絕熱層厚度與蒸發(fā)率分析可知，雙壁真空絕熱型獨(dú)立C型液貨艙的絕熱效果要好于單壁泡沫絕熱型獨(dú)立C型液貨艙，如圖1所示。但是，雙壁真空絕熱型獨(dú)立C型液貨艙受建造工藝限制，容積很難超過(guò)1000立方米，不能建造雙圓筒型貨艙，而且建造難度與成本要高于單壁泡沫絕熱型獨(dú)立C型液貨艙。因此，一般來(lái)說(shuō)對(duì)于容積小于1000立方米，且對(duì)貨艙緊湊度要求較高的獨(dú)立C型液貨艙考慮選擇雙壁真空絕熱型獨(dú)立C型液貨艙；其他情況多考慮應(yīng)用單壁泡沫絕熱型獨(dú)立C型液貨艙[1][4]。

圖1 蒸發(fā)率與絕熱層厚度之間關(guān)系圖

2.2 單壁泡沫絕熱型液貨艙的絕熱形式選擇

單壁泡沫絕熱型獨(dú)立C型液貨艙多用于液貨艙較大的情況，多用于LNG運(yùn)輸船。此種結(jié)構(gòu)形式的獨(dú)立C型液貨艙采用堆積絕熱形式進(jìn)行保溫，絕熱材料多使用聚氨酯、聚苯乙烯泡沫等，一般又稱為泡沫絕熱形式。

船用獨(dú)立C型液貨艙的泡沫絕熱形式一般分為噴涂發(fā)泡和泡沫塊拼裝兩種。

（1）噴涂發(fā)泡形式由于其具有一次成型的特點(diǎn)，具有整體性好的優(yōu)點(diǎn)，其保溫性能略好于泡沫塊拼裝方式，但是噴涂發(fā)泡形式對(duì)作業(yè)人員與作業(yè)條件均具有較高的要求，需要作業(yè)人員經(jīng)歷過(guò)專業(yè)的培訓(xùn)，且作業(yè)時(shí)環(huán)境溫度、濕度要適中，不能有風(fēng)雨天氣[5]。

（2）泡沫塊拼裝形式具有技術(shù)成熟、施工條件要求不高，易于修補(bǔ)、建造成本低等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)大型獨(dú)立C型液貨艙應(yīng)用最多的絕熱形式。

泡沫絕熱形式的兩種形式對(duì)比如表2所示，具體選型需要依據(jù)絕熱要求與工藝條件而定。

表2 兩種泡沫絕熱形式對(duì)比

2.3 雙壁真空絕熱型液貨艙的絕熱形式選擇

雙壁真空絕熱型獨(dú)立C型液貨艙多用于液貨艙艙容較小的情況，多用于LNG燃料動(dòng)力船。此種結(jié)構(gòu)形式的獨(dú)立C型液貨艙多采用真空粉末絕熱或高真空多層絕熱形式進(jìn)行保溫。

船用獨(dú)立C型液貨艙采用的真空粉末絕熱形式多使用珠光砂作為填充材料，這種絕熱形式在失真空的情況下，仍有一定的保溫冗余，且施工簡(jiǎn)易，但真空粉末絕熱形式具有熱傳導(dǎo)率大、易在振動(dòng)情況下產(chǎn)生沉淀等缺點(diǎn)。

高真空多層絕熱形式是由多層反射材料和間隔物交替纏繞而成，夾層抽成高真空，反射材料通常采用鋁箔或鍍鋁滌綸薄膜，間隔物一般采用玻璃纖維紙、植物纖維紙或尼龍網(wǎng)，能有效地抑制熱輻射的作用，具有優(yōu)良的絕熱性能[6]。

表3簡(jiǎn)單列出了在相同的邊界溫度條件下(80K、300K)兩種絕熱型式的主要技術(shù)參數(shù)。可以看出，高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)的絕熱性能要明顯優(yōu)于真空粉末絕熱。

表3 真空粉末絕熱與高真空多層絕熱主要技術(shù)參數(shù)的比較

與真空粉末絕熱相比，高真空多層絕熱主要具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）夾層厚度小

高真空多層絕熱的夾層厚度較小，當(dāng)外形尺寸相同時(shí)，則有更大的裝載容積；以20英寸ISO罐式集裝箱為例，若用真空粉末絕熱，則絕熱層厚度為200mm，有效容積僅為13m3，而采用高真空多層絕熱時(shí)，絕熱層厚度僅為80mm，罐箱的有效容積可達(dá)到18m3，相差27%以上。

（2）質(zhì)量輕

采用高真空多層絕熱方式可使獨(dú)立C型液貨艙的空載質(zhì)量大大減輕、運(yùn)輸效率提高、儲(chǔ)能密度增大、LNG運(yùn)輸成本降低。對(duì)于有效容積20m3左右的獨(dú)立C型液貨艙，采用高真空多層絕熱可使空載質(zhì)量減少1500kg以上。

（3）防震性能好

采用高真空多層絕熱方式可避免因容器運(yùn)輸過(guò)程中震動(dòng)而引起絕熱材料沉降，確保絕熱效果。

（4）制作工藝與成本相當(dāng)

目前，高真空多層絕熱低溫容器的制作工藝與制作安裝、制作成本與制造周期與真空粉末絕熱低溫容器已趨于一致。

3 設(shè)計(jì)方案實(shí)例分析

以中海油能源發(fā)展有限公司建造的6500HP港作拖輪為例進(jìn)行絕熱層選型分析。本船需要30m3設(shè)計(jì)容量的獨(dú)立C型液貨艙兩個(gè)，機(jī)艙空間有限，需要設(shè)計(jì)和優(yōu)化出絕熱性能良好，結(jié)構(gòu)緊湊，重量小，施工便捷，維護(hù)性友好的貨艙形式。

對(duì)實(shí)際要求進(jìn)行分析可知，30m3的獨(dú)立C型液貨艙屬于小型液貨艙，且對(duì)空間利用率有一定的要求，因此考慮選擇雙壁真空絕熱型液貨艙形式。

按6500HP港作拖輪船舶實(shí)際空間限制并結(jié)合《天然氣燃料動(dòng)力船規(guī)范》、《低溫絕熱壓力容器》等規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)獨(dú)立C型液貨艙進(jìn)行設(shè)計(jì)，并分別考慮真空粉末絕熱與高真空多層絕熱形式，進(jìn)行蒸發(fā)率計(jì)算，具體結(jié)果詳見表4。

表4 6500HP港作拖輪獨(dú)立C型液貨艙不同絕熱形式蒸發(fā)率計(jì)算

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，相同設(shè)計(jì)參數(shù)下，高真空多層絕熱形式的絕熱效果要好于真空粉末絕熱形式的絕熱效果，因此推薦選擇高真空多層絕熱形式進(jìn)行液貨艙保溫。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)LNG獨(dú)立C型液貨艙的絕熱形式進(jìn)行了分析與總結(jié)，并結(jié)合6500HP港作拖輪獨(dú)立C型液貨艙的設(shè)計(jì)實(shí)例，可以得到如下絕熱形式選型的參考原則：

（1）大型容器選用成本低的絕熱形式；

（2）運(yùn)輸式及輕便型容器應(yīng)采用重量輕、體積小的絕熱形式；

（3）根據(jù)獨(dú)立C型液貨艙的貨艙容積，選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，再選擇相應(yīng)的絕熱形式；

（4）噴涂發(fā)泡和泡沫塊拼裝兩種形式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇；

（5）高真空多層絕熱與真空粉末絕熱相比具有一定優(yōu)勢(shì)，在可能的情況下推薦使用高真空多層絕熱形式；

（6）形狀復(fù)雜的容器一般不選用高真空多層絕熱。參考文獻(xiàn)

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