雙燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)LNG 氣化器設(shè)計(jì)

史雷城，王海鵬，謝騰騰，何義明，武艷波，馮森森

（上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 200000）

燃料油的燃燒不僅會(huì)產(chǎn)生大量煙氣污染環(huán)境，同時(shí)由于燃料油的泄露還會(huì)污染水環(huán)境，因此，液化天然氣（LNG）作為一種清潔的能源，是船用發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的最佳選擇。與傳統(tǒng)的船用柴油燃料相比，因?yàn)榫哂袃r(jià)格低、熱值高、污染低等特點(diǎn)，LNG 越來(lái)越被廣泛應(yīng)用。LNG 作為船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的能源，首先要?dú)饣商烊粴猓缓蠊┙o發(fā)動(dòng)機(jī)使用。因此，LNG 氣化器是供氣系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的供氣品質(zhì)至關(guān)重要[1-3]。

1 雙燃料船用氣化器

1.1 雙燃料船用氣化器的特點(diǎn)

船舶空間有限，長(zhǎng)期漂浮在水上，船體易發(fā)生擺動(dòng)和傾斜，因此，對(duì)船用氣化器有著特殊的要求：換熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊；性能穩(wěn)定可靠，操作方便。

1.2 采用發(fā)夾式換熱器的優(yōu)勢(shì)

LNG 氣化器的管程和殼程溫差很大，由于發(fā)夾式換熱器利用的是U 形管束，兩塊管板被單獨(dú)設(shè)置，管束可以自由伸縮，具備了溫差補(bǔ)償效應(yīng)，因此可以大大減小溫差應(yīng)力。

發(fā)夾式換熱器的管程數(shù)和殼程數(shù)均為1，LNG和熱源介質(zhì)是純逆流換熱，因此，換熱效率比較高。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)夾式換熱器的殼體直徑不是很大，對(duì)于介質(zhì)流量小的工況，可以保證流體的流速達(dá)到合理水平，保持較高的傳熱效率，同時(shí)減少結(jié)垢，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

2 氣化器的設(shè)計(jì)

如圖1 所示是具體工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的發(fā)夾式氣化器：

圖1 發(fā)夾式氣化器簡(jiǎn)圖

此臺(tái)發(fā)夾式氣化器各部件強(qiáng)度計(jì)算均根據(jù)GB 150-2011 常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算，而平蓋大開(kāi)孔進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。分析結(jié)果依據(jù)JB 4732-1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005 年確認(rèn)) 的相關(guān)要求進(jìn)行評(píng)定[4]。

2.1 分析條件

2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

本分析基于設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用校核的方式對(duì)給定結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析及評(píng)定，表1 列出了設(shè)計(jì)基本參數(shù)。本分析屬局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，分析結(jié)果依據(jù)JB4732-1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005 年確認(rèn))的相關(guān)要求進(jìn)行評(píng)定。

表1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

平蓋及其連接筒體的結(jié)構(gòu)形式及尺寸如圖2，圖3 所示。

圖2 平蓋與筒體連接圖

圖3 平蓋開(kāi)孔圖

2.1.3 計(jì)算及評(píng)定條件

1）強(qiáng)度計(jì)算條件。強(qiáng)度計(jì)算壓力為0.6MPa，計(jì)算溫度90℃。計(jì)算包括二次應(yīng)力強(qiáng)度的組合應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，選用了設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行計(jì)算，分析結(jié)果更保守，更安全。

2）螺栓壓緊力。根據(jù)GB/T 150.3-2011 中第7章，對(duì)平蓋的配對(duì)法蘭進(jìn)行計(jì)算，以提取螺栓載荷。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，預(yù)緊狀態(tài)下的法蘭設(shè)計(jì)力矩（80142416N·mm）比操作狀態(tài)下的法蘭設(shè)計(jì)力矩（48516128N·mm）大，所以，選取預(yù)緊狀態(tài)下的螺栓載荷(W=2108980.5N)進(jìn)行計(jì)算。由于計(jì)算模型為1/4模型，螺栓載荷為527245N。

3）筒體截面等效力。筒體和接管截面等效力根據(jù)下公式計(jì)算：

其中：

Pe——筒體或接管的端面等效力，MPa；

Pc——計(jì)算壓力，MPa；

Die——筒體或接管內(nèi)徑，mm；

δe——筒體或接管有效厚度，mm。

根據(jù)上述公式，筒體截面等效力為5.8537MPa。

4）材料性能數(shù)據(jù)。材料的計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度、彈性模量按GB150.2-2011 查取或通過(guò)插值計(jì)算求得。材料性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

表2 材料性能數(shù)據(jù)表

2.2.1 幾何及有限元模型

考慮內(nèi)壓及螺栓壓緊力的作用，根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，平蓋和筒體取1/4 模型。

1）有限單元選擇。分析采用ANSYS 軟件中的20 節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元(solid 186)。

2）有限元模型。平蓋開(kāi)孔有限元模型如圖4 和圖5 所示。

2.2.2 邊界條件

圖4 平蓋開(kāi)孔網(wǎng)格模型

圖5 N5 筒體根部局部網(wǎng)格

平蓋、筒體內(nèi)壁施加計(jì)算壓力，筒體外端面施加等效力。螺栓中心圓部位施加螺栓載荷，墊片接觸面施加位移約束，對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束。

根據(jù)位移及載荷邊界條件，建立力學(xué)模型，如圖6 所示。

圖6 平蓋開(kāi)孔邊界條件

2.3 有限元分析結(jié)果

本計(jì)算選取5 條路徑進(jìn)行評(píng)定：A-A：平蓋中心，貫穿厚度，B-B，貫穿筒體厚度，靠近平蓋外緣。C-C：平蓋墊片壓緊力作用中心圓上，貫穿平蓋，過(guò)做大應(yīng)力點(diǎn)。D-D 筒體距離平蓋中心最近的位置，貫穿筒體厚度。E-E:貫穿平蓋厚度，在筒體與平蓋相貫處。

應(yīng)力線(xiàn)性化路徑的選取原則是：通過(guò)構(gòu)件應(yīng)力奇異點(diǎn)外的應(yīng)力強(qiáng)度最大節(jié)點(diǎn)、其他高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)域及其他關(guān)注部位相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，沿壁厚方向設(shè)定應(yīng)力線(xiàn)性化路徑進(jìn)行評(píng)定。線(xiàn)性化路徑位置示意如圖7 所示。分析結(jié)果及線(xiàn)性化結(jié)果如圖8～13所示。

圖7 線(xiàn)性化路徑位置示意

圖8 平蓋開(kāi)孔應(yīng)力云圖

圖9 路徑A-A 線(xiàn)性化結(jié)果

圖10 路徑B-B 線(xiàn)性化結(jié)果

圖11 路徑C-C 線(xiàn)性化結(jié)果

圖12 路徑D-D 線(xiàn)性化結(jié)果

圖13 路徑E-E 線(xiàn)性化結(jié)果

2.4 強(qiáng)度評(píng)定

強(qiáng)度評(píng)定方法依據(jù)JB4732—1995 進(jìn)行。根據(jù)有限元分析結(jié)果強(qiáng)度評(píng)定表明：平蓋開(kāi)孔滿(mǎn)足計(jì)算規(guī)定條件下強(qiáng)度要求。見(jiàn)表3。

表4.1 應(yīng)力評(píng)定數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

LNG 作為一種燃料為船舶提供動(dòng)力，越來(lái)越受到重視。雙燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)LNG 氣化器在船用氣化系統(tǒng)中的作用無(wú)可替代，發(fā)夾式換熱器作為船用發(fā)動(dòng)機(jī)LNG 氣化器很少，本文主要從強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面介紹了關(guān)鍵部件的計(jì)算，為以后船用LNG 氣化器的選擇和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。