LNG船B型液货舱温度场模拟分析

傅允准祁亮巨永林杜兴慧

（1上海工程技术大学机械工程学院，上海201620；2上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240）

引 言

天然气作为清洁能源越来越受到青睐，很多国家都将LNG列为首选燃料，天然气在能源供应中的比例迅速增加。液化天然气 （liquefied natural gas，LNG）是将天然气经过净化和低温处理至－162℃的液态，天然气液化后可以大大节约储运空间，而且具有热值大、性能高等特点。LNG船是指运输LNG的专用船舶，目前正朝着超大型化发展。随着LNG需求的不断增长，世界范围内投入使用的LNG船舶的数量正逐年增加。

根据IGC和USGC规则的要求，LNG船为防止蒸发和维持低温需要设定液货围护系统，目前，供LNG船使用的液货围护系统主要有法国GTT专利公司的薄膜型和挪威 MOSS－ROSENBENRG船厂的独立MOSS型围护系统。国内外学者对围护系统传热机理及温度应力、温度场等问题进行了相关研究。如Chen［1］分析LNG低温储罐温度和压力变化规律。Khelifi－Touhami等［2］针对LNG储灌中一种垂直圆柱形谐振腔的层流自然对流问题进行数值模拟。Roh Sangeun等［3－4］针对由于从周围环境吸热而引起LNG储罐自然对流换热问题，采用fluent软件模拟分析了储罐尺寸等因素对LNG储罐换热和蒸发率的影响，进一步对加压LNG储罐瞬态自然对流进行数值分析。Belmedany等［5－8］分析了液氮在储存状态下自然对流及液氢蒸发、倾斜通道自然对流。Shi等［9－11］在LNG分层和翻滚的混合问题进行数值模拟、LNG泄露扩散问题进行研究。Li等［12－18］分析垂直低温容器漏热问题，低温容器在没有横向绝缘时热量传热规律、从底部和侧面加热LNG储罐传热和流动问题，液化天然气海上运输过程中蒸发动态模型。Chun等［19］对薄膜型LNG船绝缘系统行为的影响的实验研究，Mckeown等［20］和 Fulford 等［21］分 别 对 LNG 船 制造和LNG储罐安全设计进行研究。

通过以上文献检索发现，目前国内外对SPB型液货舱传热模拟及蒸发率计算研究不多，本文采用CFD软件对LNG船SPB型液货舱及其周围船体结构的温度场分布进行模拟，并计算其日蒸发率，为LNG船围护系统绝热设计和创新提供重要的参考。

1 新型LNG船液货舱模型

LNG船舶简化模型图如图1所示，它一般由4个液货舱组成，由纵桁船体钢板隔开相邻液货舱，使其成为封闭舱室。

图1 LNG船舶简化模型Fig.1 Simplified model of LNG carrier

新型LNG船舶液货舱围护系统剖面图如图2所示，其三维模型如图3所示，液货舱围护系统由液货舱、聚氨酯绝热层和船体内钢板组成，液货舱容积约为50000m3，表面积约为8000m2。LNG储罐由钢板焊接而成，钢板外表面铺设具有一定厚度聚氨酯绝热层以减少LNG货损；整个LNG储罐的重量依靠其下部与之接触的钢支座和木材支撑座支撑。舷边舱、底边舱及船体钢板与绝热层之间的舱室内的空气由于温度差而发生自然对流。

图2 1／2液货舱剖面图Fig.2 Sketch of LNG carrier profile

图3 LNG船三维模型Fig.3 Three－dimensional model of LNG carrier

2 液货舱计算模型边界条件

2.1 条件假设

对于计算模型，本文做出以下假设：（1）LNG液货舱初始装载率为100%，不考虑储罐内液体和气体的传热；（2）不考虑储罐内部压力和LNG组分对传热的影响；（3）液货舱体厚度均匀，不考虑局部厚度变化及部件之间连接加强装置；（4）液货舱容积不随温度的变化而变化；（5）忽略液货舱充装装置。

2.2 条件假设

新型LNG船LNG储罐材料为殷钢，热导率为48W·m－1·K－1［10］；木材支撑座热导率为0.069W·m－1·K－1；船用钢材热导率为68.8W·m－1·K－1；聚氨酯绝热层热导率为0.025W·m－1·K－1；绝热层隔热能力衰减15%时热导率为0.02875W·m－1·K－1；绝热层隔热能力衰减30%时热导率为0.0325W·m－1·K－1；聚氨酯绝热层设计厚度为350mm。

2.3 工况设置

根据 《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》规则的相关要求，选用较典型的各种计算工况，如表1所示。

表1 计算工况Table 1 Simulation cases of thermal analysis

3 模拟结果分析

3.1 液货舱温度场和速度场模拟分析

利用SCT／tetra前处理软件建立液货舱三维计算模型，设定好边界条件后，将模型导入到SCT solver进行求解，计算出6种工况下LNG船的速度场分布和温度场分布。模拟结果如图4～图9所示。

图4 工况1LNG船温度分布Fig.4 Temperature distribution of LNG carrier at case 1

图5 工况2LNG船温度分布Fig.5 Temperature distribution of LNG carrier at case 2

图6 工况2LNG船速度分布Fig.6 Velocity distribution of LNG carrier at case 2

图7 工况2LNG船局部温度分布Fig.7 Temperature distribution of local LNG carrier at case 2

分析图5、图7，可以得出，当海水温度为0℃，空气温度5℃，LNG温度－162℃时，水线以下的船体结构温度较低，不超过1℃；水线以上船体边舱空气温度处于4.4～4.75℃；而靠近绝热层温度较低，处于1～3℃。液货舱传热量为94.7kW。

图8 工况3LNG船温度分布Fig.8 Temperature distribution of LNG carrier at case 3

图9 工况4LNG船温度分布Fig.9 Temperature distribution of LNG carrier at case 4

分析图6，可以得出，LNG船边舱和底边舱的空气自然对流速度分布一致，且速度值不超过0.3 m·s－1；船体钢板和聚氨酯绝热层之间的空气舱室各部分的速度分布不一致，风速不超过3m·s－1。

分析图4、图9，可以得出：由于空气温度较低 （－18℃），液货舱传热量为84.5kW；但是当海水温度为32℃，空气温度45℃时，液货舱传热量为108.3kW。

3.2 蒸发率计算

蒸发率是指LNG船在航行过程中每天的货损与LNG总质量的比值，可以通过公式 （1）求得

假设LNG液货舱围护系统传热过程为稳态传热，为满足蒸发率每天不高于0.1%的设计目标，其传热量不得超过126kW。

根据式 （1），计算求得6种工况下的蒸发率如表2所示。

表2 蒸发率计算Table2 Calculation of boil－off rate

由表2可以看出，当绝热层厚度为350mm时，即使在极端天气条件下，LNG船的蒸发率也不超过0.1%·d－1的设计目标。但是，当绝热层如吸湿后隔热能力衰减时，例如工况5和工况6条件下，LNG液货舱传热量大幅提升，蒸发率超过了0.1%·d－1的设计目标。

4 结 论

通过以上分析，可以得出以下结论：

LNG液货舱的绝热层厚度350mm且绝热层完好的情况下，满足了日蒸发率不超过0.1%·d－1的设计目标。LNG液货舱绝热层绝热能力衰减15%和30%时，LNG液货舱日蒸发率则会超过设计目标。

本研究成果将指导新型LNG船液货舱围护系统的开发设计，为LNG船围护系统绝热设计和创新提供重要的参考和咨询。

符 号 说 明

BOR——蒸发率，%

m——液货舱中LNG的质量，kg

Q——整个液货舱传热量，kJ

γ——LNG的汽化潜热，kJ·kg－1

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