12 000 m3 LNG加注船液货舱热分析

韩宇，郑坤，牛志刚，李萌，杨静

(中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452)

LNG需要低温存储，罐内货物温度较低，与罐外环境温度存在较大温差，虽然罐体采取了绝热措施，但罐内的货物仍会因漏热而蒸发。为避免液货罐内货品超压排放，LNG船舶需要计算货品的蒸发量，并据此设计合适的蒸发气(BOG)处理装置[1-4]，液货舱定量热分析尤其重要。考虑对12 000 m3LNG加注船液货舱进行热分析，计算不同环境温度和不同的LNG组分下的储罐热性能，为后续BOG处理装置选型提供基础。

1 计算内容与方法

计算对象为12 000 m3LNG加注船，配置有2个6 000 m3的独立C型LNG储罐，罐内装载的货品为LNG，组分为甲烷0.918 6、乙烷0.056 1、丙烷0.011 2、异丁烷0.001 3、正丁烷0.002 2、异戊烷0.000 3、正戊烷0.000 6、氮气0.009 7。

分别计算储罐通过各漏热途径漏入液货罐的热量。漏热途径有通过罐体、下部固定端鞍座、下部滑动端鞍座、上部支撑、纵向支撑、止浮装置和气室，采用有限元计算软件ANSYS建立有限元计算模型[5]，计算各部分的漏热量，以及液货罐的总漏热量和液货的蒸发量。

2 材料属性及热边界条件

在漏热量计算中，涉及到的材料如下。①9%Ni钢，用作罐体、鞍座、支撑、止浮和气室组件；②聚氨酯泡沫，用作罐体及相关组件的绝热层[6]；③木质材料，用作鞍座和止浮装置中的部分组件；④胶，用于粘接木质材料与钢材。各材料导热系数见表1。

表1 材料的导热系数 W/(m·K)

液货罐内的压力为标准大气压100 kPa，罐内的温度为对应的液货在大气压下的饱和温度，为-164 ℃。计算中，罐内壁的温度取为液货的温度，即-164 ℃。罐外，最高海水温度为32 ℃，最高空气温度为45 ℃。甲板以上的罐体及相关组件外空气温度取为45 ℃，甲板以下的罐体及相关组件外空气温度为海水温度和大气温度的平均值，即38.5 ℃。

罐外与空气的换热系数取值如，甲板以上和以下分别为18.93和3.4 W/(m2·K)。

3 漏热计算

针对液货罐罐体、下部固定端鞍座、下部滑动端鞍座、上部支撑、纵向支撑、止浮装置和气室进行有限元热分析得出漏热量。

1)罐体。由于罐径大，在罐体壁厚和绝热层材料和厚度相同的情况下，封头的单位面积漏热量与筒体单位面积漏热量几乎相同，因此筒体与封头合并计算。罐体绝热层为450 mm厚的聚氨酯泡沫。罐体9%Ni钢的厚度为25 mm。由于罐体有一部分在舱外，有一部分在舱内，舱内外罐体所处的环境温度不同，舱内外罐体单位面积的漏热量不同，需分别计算。计算罐体漏热时，筒体长度方向取为0.5 m，周向取5°，得到建模部分的漏热量，分舱内与舱外计算得到模型部分的漏热量后，计算单位面积漏热量，再计算总面积下的漏热量。计算罐体的面积时，扣除了鞍座、上部支撑、纵向支撑、止浮和气室所占的面积。

2)下部固定端和滑动端鞍座。下部固定端和滑动端鞍座的弧度均为122°。建模时，均建立弧度为5°的模型，然后再计算鞍座总的漏热量。

3)上部支撑。储罐设有2个上部支撑，上部支撑沿罐体轴向及周向对称。对上部支撑的1/4进行建模。

4)纵向支撑。储罐设有2个纵向支撑，纵向支撑沿罐体轴向及周向对称。对纵向支撑的1/4进行建模。

5)通过止浮装置漏热。储罐设置有4个止浮装置。对纵向支撑的1/2部分进行建模。

6)通过气室漏热。气室本体的外直径4 m，壁厚为25 mm，高度为3.155 m。绝热层厚度为360 mm。对1/4气室建立建模分析。

对液货罐进行有限元热分析，得到各结构漏热量，同时计算储罐初始充满率为95%时LNG的蒸发量和生成的BOG量，见表2，各结构温度分布见图1。

表2 液货罐的漏热量、LNG蒸发量、生成的BOG

图1 温度分布

分析得出罐体漏热量占最大的比重，78.4%，其次为通过下部鞍座支撑漏热，15.7%，两者的漏热量之和占比为94.1%，其他部分的漏热量占比较小。

4 环境温度对漏热量的影响

液化天然气船在使用过程中，随着季节和地点的不同，将处于不同的环境温度下，大气环境温度不同和海水温度不同，则储罐所处的舱内温度也不同。通过计算分析不同的环境温度下舱外部分的漏热量并拟合漏热量和环境温度之间的关系，同时分析不同的舱内温度下储罐舱内部分的漏热量并拟合漏热量和舱内温度之间的关系。不同环境下工况及计算得到的漏热量见表3。

据表3数据分别拟合2个关系式。

表3 舱内外部件分别处于不同温度下的漏热量

1)储罐舱外部分漏热量随大气环境温度的变化。

Q=18 048+121.9T

2)储罐舱内部分漏热量随舱内环境温度的变化。

Q=14 117+88.3T

式中:T为温度,℃；Q为漏热量，W。

在已知罐内液货成分时即可求得储罐不同环境条件下的LNG蒸发量。

5 LNG组分对储罐漏热性能的影响

液化天然气船在使用过程中，会装载不同来源的液化天然气，LNG的组分会有变化，为此计算并比较储罐装载3种不同LNG组分下液货罐漏热和生成的BOG量。

在12 000 m3LNG加注船额定LNG组分基础上，更改组分，计算2种工况：①甲烷组分下降6%，其他组分按比例共增加6%；②甲烷组分增加6%，其他组分按比例共减少6%。更改后的LNG组分及计算得到的漏热量和生成的BOG量等关键参数见表4。假设储罐的初始充满率为95%。

表4 不同LNG组分下液货罐的漏热量和生成的BOG量等关键参数

甲烷含量增加时，对应的大气压下的饱和温度升高2.52%，罐内外温差下降，因此总漏热量会略降低，下降2.00%。随着甲烷含量从低到高变化时，气化潜热有较大降低，下降22.90%，变化百分比远大于漏热量的变化百分比。因此LNG的蒸发量有较大上升，增加21.13%。甲烷含量增加时，LNG的密度降低，下降10.20%，装载的总质量下降10.21%。表4中，3种组分LNG下，若维持储罐内压力不变，则经过1 d后，需要排出的BOG质量增加18.00%。

6 结论

1)各漏热环节中，罐体漏热量占了最大的比重，其次为通过下部鞍座支撑漏热，其他部分如支撑结构、止浮结构等的漏热量占比较小，因此液货舱保温设计优化时可虑简化计算流程重点分析罐体与鞍座部分。

2)拟合得到储罐舱外部分漏热量随大气环境温度的变化规律和储罐舱内部分漏热量随舱内环境温度的变化规律，可供在已知罐内液货成分时，迅速求得储罐在不同环境温度下的LNG蒸发量。

3)通过分析3种不同LNG组分下的漏热量和生成的BOG量可知，甲烷含量增加时，对应的大气压下的饱和温度升高2.52%，罐内外温差下降，因此总漏热量会略降低，下降2.00%。随着甲烷含量从低到高变化时，气化潜热有较大降低，下降22.9%，变化百分比远大于漏热量的变化百分比，因此LNG的蒸发量有较大上升。