雙燃料船用發動機LNG 氣化器設計

史雷城，王海鵬，謝騰騰，何義明，武艷波，馮森森

（上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 200000）

燃料油的燃燒不僅會產生大量煙氣污染環境，同時由于燃料油的泄露還會污染水環境，因此，液化天然氣（LNG）作為一種清潔的能源，是船用發動機燃料的最佳選擇。與傳統的船用柴油燃料相比，因為具有價格低、熱值高、污染低等特點，LNG 越來越被廣泛應用。LNG 作為船用雙燃料發動機的能源，首先要氣化成天然氣，然后供給發動機使用。因此，LNG 氣化器是供氣系統中必不可少的關鍵設備，對發動機的供氣品質至關重要[1-3]。

1 雙燃料船用氣化器

1.1 雙燃料船用氣化器的特點

船舶空間有限，長期漂浮在水上，船體易發生擺動和傾斜，因此，對船用氣化器有著特殊的要求：換熱效率高，結構緊湊；性能穩定可靠，操作方便。

1.2 采用發夾式換熱器的優勢

LNG 氣化器的管程和殼程溫差很大，由于發夾式換熱器利用的是U 形管束，兩塊管板被單獨設置，管束可以自由伸縮，具備了溫差補償效應，因此可以大大減小溫差應力。

發夾式換熱器的管程數和殼程數均為1，LNG和熱源介質是純逆流換熱，因此，換熱效率比較高。一般來說，發夾式換熱器的殼體直徑不是很大，對于介質流量小的工況，可以保證流體的流速達到合理水平，保持較高的傳熱效率，同時減少結垢，延長設備壽命。

2 氣化器的設計

如圖1 所示是具體工程項目設計的發夾式氣化器：

圖1 發夾式氣化器簡圖

此臺發夾式氣化器各部件強度計算均根據GB 150-2011 常規設計計算，而平蓋大開孔進行了局部結構應力分析。分析結果依據JB 4732-1995《鋼制壓力容器分析設計標準》(2005 年確認) 的相關要求進行評定[4]。

2.1 分析條件

2.1.1 設計參數

本分析基于設備設計參數及結構參數，采用校核的方式對給定結構進行有限元應力分析及評定，表1 列出了設計基本參數。本分析屬局部結構應力分析，分析結果依據JB4732-1995《鋼制壓力容器分析設計標準》(2005 年確認)的相關要求進行評定。

表1 基本設計參數

2.1.2 結構參數

平蓋及其連接筒體的結構形式及尺寸如圖2，圖3 所示。

圖2 平蓋與筒體連接圖

圖3 平蓋開孔圖

2.1.3 計算及評定條件

1）強度計算條件。強度計算壓力為0.6MPa，計算溫度90℃。計算包括二次應力強度的組合應力強度時，選用了設計載荷進行計算，分析結果更保守，更安全。

2）螺栓壓緊力。根據GB/T 150.3-2011 中第7章，對平蓋的配對法蘭進行計算，以提取螺栓載荷。根據計算結果，預緊狀態下的法蘭設計力矩（80142416N·mm）比操作狀態下的法蘭設計力矩（48516128N·mm）大，所以，選取預緊狀態下的螺栓載荷(W=2108980.5N)進行計算。由于計算模型為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下公式計算：

其中：

Pe——筒體或接管的端面等效力，MPa；

Pc——計算壓力，MPa；

Die——筒體或接管內徑，mm；

δe——筒體或接管有效厚度，mm。

根據上述公式，筒體截面等效力為5.8537MPa。

4）材料性能數據。材料的計算應力強度、彈性模量按GB150.2-2011 查取或通過插值計算求得。材料性能數據見表2。

2.2 結構分析

表2 材料性能數據表

2.2.1 幾何及有限元模型

考慮內壓及螺栓壓緊力的作用，根據結構對稱性，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 節點三維實體單元(solid 186)。

2）有限元模型。平蓋開孔有限元模型如圖4 和圖5 所示。

2.2.2 邊界條件

圖4 平蓋開孔網格模型

圖5 N5 筒體根部局部網格

平蓋、筒體內壁施加計算壓力，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，對稱面施加對稱約束。

根據位移及載荷邊界條件，建立力學模型，如圖6 所示。

圖6 平蓋開孔邊界條件

2.3 有限元分析結果

本計算選取5 條路徑進行評定：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，過做大應力點。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。

應力線性化路徑的選取原則是：通過構件應力奇異點外的應力強度最大節點、其他高應力強度區域及其他關注部位相應節點，沿壁厚方向設定應力線性化路徑進行評定。線性化路徑位置示意如圖7 所示。分析結果及線性化結果如圖8～13所示。

圖7 線性化路徑位置示意

圖8 平蓋開孔應力云圖

圖9 路徑A-A 線性化結果

圖10 路徑B-B 線性化結果

圖11 路徑C-C 線性化結果

圖12 路徑D-D 線性化結果

圖13 路徑E-E 線性化結果

2.4 強度評定

強度評定方法依據JB4732—1995 進行。根據有限元分析結果強度評定表明：平蓋開孔滿足計算規定條件下強度要求。見表3。

表4.1 應力評定數據表

3 結論

LNG 作為一種燃料為船舶提供動力，越來越受到重視。雙燃料船用發動機LNG 氣化器在船用氣化系統中的作用無可替代，發夾式換熱器作為船用發動機LNG 氣化器很少，本文主要從強度設計方面介紹了關鍵部件的計算，為以后船用LNG 氣化器的選擇和設計提供依據。