某小型LNG动力船舶燃料储罐的设计

沈 菊

（南通远洋船舶配套有限公司，江苏 南通 226000）

0 引言

LNG 动力船舶燃料储罐是存储液化天然气燃料的主要装置，是船舶动力系统中不可缺少的重要组成部分。液化天然气是一种液态烃类化合物，常温常压下具有液态、可燃等特点，同时，此种物质也是一种无色、无味、无毒的液体。在常温下易挥发，沸点温度为-162℃（在1 大气压下沸点温度为-162℃），当温度达到一定数值时，也会发生爆炸，因此被视为可燃、危险燃料[1]。但使用LNG 作为主要能源，可以有效减少颗粒物、氮氧化物质的排放，具有极强的经济效益与环保效益，目前已经引起了各地的广泛关注。随着LNG 的持续发展，以LNG 为动力的船舶不断涌现。与此同时，船舶交通运输、LNG 海上船舶运输行业的发展呈现出越来越迅猛的趋势。在存储LNG 中，LNG 的最低温度可以到-164℃，具有潜在的低温危害性，当燃料发生汽化反应后存在爆炸等方面的安全隐患[2]。LNG 动力船舶的持续发展在真正意义上为海上运输带来了全新发展方向，但在此项工作实施的过程中，不得不考虑现有船舶存储罐等设施在应用中存在的不足。为避免LNG 动力船舶在行进中存在多种安全隐患，发挥海上运输带动经济发展的更高效能，应加大对LNG 动力船舶补给设施的建设，完善并优化与之相关的设计工作。因此，该文将在此次研究中对小型LNG 动力船舶的燃料储罐进行详细的设计研究，旨在通过此次设计，为清洁能源的发展提供全面的助推力量。

1 LNG 动力船舶燃料储罐概述

LNG 储罐是以液态车船为主要储罐容器的组合设备（是液态LNG 储存的主要设备），包括储罐本体、连接管/法兰、连接附件、储罐外封头、（删除）罐内阀门和压力管道等[3]。储罐本体主要由罐本体、连接管、控制阀及球阀等组成。燃料储罐的低压燃气构成如图1 所示。

图1 燃料储罐的低压燃气构成

储罐本体上部与储罐底部由连接管（或法兰）连接，为避免液态LNG 在实际使用过程中泄露，一般在储罐的连接处不设法兰、垫片的连接，采用的焊接方式为将管路与本体进行连接。连接管两端法兰连接于储罐上。连接时，必须由多个法兰的螺纹紧固并密封，根据技术要求可设置垫片，确保储罐性能。

罐内压力小于设定值时（压力≤0.01 MPa），进行卸压作业。阀（球阀）为单向阀和截止阀（常开），该罐内压力控制具有过压报警、气密性保护和阀门式自动切断等功能[4]。一般情况下阀门使用压力>0.25 MPa，通过球阀压力控制，可实现对储罐的手动控制。阀门操作介质压力信号，通过控制阀、球阀、阀杆等阀体控制，球阀打开动作经自动控制阀门执行。

2 LNG 动力船舶燃料储罐设计

2.1 燃料储罐相关参数设计

为满足设计需求，该文选用0Crl8Ni9（304（L））06Ni9DR（9Ni 钢）为储罐的主要设计材料，和不锈钢材料相比，此种材料在-196 ℃条件下仍可以保持较高的机械性能与焊接性能[5]。

在运行过程中，船舶的耗油量一般采用估算的方式进行，由主机耗油量+辅机耗油量+锅炉耗油量等组成。主、辅机及锅炉耗量一般根据设备厂家的参数决定。采用的单位一般为G/kW·h，就是发电机组每千瓦小时的耗油量。根据续航时间的需求就可测算出耗油量，进一步换算得出燃油消耗量。在此基础上（在初始设计阶段），为确保储罐可以满足小型船舶续航要求，可在忽略发动机热效率差异的条件下计算储罐消耗燃料所产生的热量，如公式（1）所示。

式中：Q为储罐消耗燃料所产生的热量；b为船舶发动机燃油消耗量；P为动力船舶发动机的功率；t为续航时间；H为燃料热低值（热值）。

根据上述公式计算在相同的续航时间条件下，x作为代替燃料所新产生的热量[6]，如公式（2）所示。

式中：Q1为使用代替燃料作为动力燃料时所产生的热量。

完成上述研究后，设计燃料储罐的体积参数，计算公式如公式（3）所示。

式中：V为燃料储罐体积参数；ρ为LNG 密度；H1为LNG在储罐中的热低值。

在此基础上，考虑小型LNG 动力船舶中LNG 的存储方式大多为液化存储[7]，因此需要根据具体要求，设计储罐在使用中的设计压力。计算公式如公式（4）所示。

式中：P为储罐在使用中的设计压力；P0为液体合成压力；θ为船舶在进行过程中，储罐内部液体发生倾斜而产生的纵向倾斜角度；θ0为横向倾斜角角度。

按照上述方式完成燃料储罐体积、压力与材料的选型与设计。

2.2 燃料储罐尺寸与厚度设计

根据中国船级社《气体燃料动力船检验指南》将HG/T3514—1985 储罐作为参照，设计燃料储罐长度，如公式（5）所示。

式中：L为燃料储罐长度；h为封头厚度；l为主体长度。

在实际设计过程中，为了降低储罐的质量，一般会将圆筒与封头分开进行计算，以获得较好的经济效益。

在此基础上，根据我国规定的压力容器设计标准，并以GB-150《钢制压力容器国家标准》作为参照，计算规范条件下的圆形或椭圆形封头板厚[8]，如公式（6）所示。

式中：δ为规范条件下的圆形或椭圆形封头板厚；D为筒体内径；σ为设计材料许用应力；ϕ为焊接效率系数；t为设计材料的腐蚀余量，通常情况下，t的取值在0.5 mm～1.0 mm，此次计算取值t为1.0 mm。

为方便设计后封头的焊接，储罐在设计中需要满足下述要求[9]，其封头设计参数需要满足公式（7）。

在设计中，需要将完成设计后得到的相关参数代入上述计算公式，通过此种方式，对设计参数进行检验。如满足公式（7），说明设计参数合理，反之证明设计参数不合理。

2.3 燃料储罐绝缘层厚度设计

小型LNG 动力船燃料罐大多为双层罐，为确保储罐可以发挥预期的使用效果，应在完成上述设计后对其绝缘层厚度进行计算。当燃料储罐的设计体积小于1.0×103m3时，要求此时储罐的真空层尺寸应当满足>200 mm 的设计需求。设计中，为满足燃料罐LMG 的低温绝热设计需求，通常采用设置绝热层的方式进行罐体换热的阻隔。对此过程中放置在船舶甲板位置的储罐而言，为避免罐体顶部因受日照等原因加速罐体内的LNG 挥发，一般会在外层储罐内部的最高处设计一定宽度的绝热棉。此时辐射热量对罐体产生的影响较小，产生的热量会被反射，因此此部分热量可以在设计中忽略。

参照傅里叶定律，按照公式（8）计算储罐的换热。

式中：d为储罐的换热系数；λ为换热接触面积；A为水平方向的对流热量。

可以在此过程中，根据LNG 储罐的换热情况与日蒸发情况计算燃料储罐绝缘层厚度。计算公式如公式（9）所示。

式中：k为燃料储罐绝缘层厚度；q为日蒸发量。

按照上述方式完成燃料储罐绝缘层厚度的设计。

3 LNG 动力船舶燃料储罐有限元分析

3.1 燃料储罐有限元模型建立

完成上述设计后，通过建立燃料储罐有限元模型，掌握船舶储罐在不同工况下的运动状态。建模前，根据设计需求，适当简化船舶储罐的罐体结构模型，在保留主体特征的同时设计有限元建模软件的录入参数。在此过程中，将LNG储罐的有限元模型作为圆柱罐体与球形封头体的组合，通过此种设计方式保留储罐的主体外形结构特征，将相关参数录入Workbench 平台中进行储罐的DM 建模。录入参数信息见表1。

表1 燃料储罐有限元模型录入参数信息

使用Shell 指令与Revolve 指令，选择Tree Outline 中的基础平面，在建模界面中绘制1/4 圆，在其中部位置绘制矩形。按照上述方式完成燃料储罐有限元模型草图的设计。同时，使用Revolve 指令，将横向轴作为旋转轴生成一个球形的封头实体结构。驱动Shell 指令，将生成的实体结构抽成一个厚度为10 mm 的壳体结构。在此基础上，按照Freeze 指令操作即可完成对燃料储罐的有限元模型构建。

3.2 燃料储罐模型稳态-热力学分析

燃料储罐模型稳态-热力学分析包括温度场内容与静力场内容，将温度作为衡量燃料储罐模型稳态指标时，应明确最恶劣的工况为储罐内部液体温度低于-164 ℃。在此种工况下，储罐内部对应的饱和蒸气压力为0 MPa（相对压力）。基于静力场角度分析储罐工况时，最恶劣的工况为储罐内部蒸汽相对压力为0.67 MPa，此时内部液体对应的温度为-130 ℃。通过上述分析，可以得到燃料储罐的温度边界为-164 ℃～-130 ℃。可在分析过程中将边界条件录入有限元模型中，在WorkBench 中自定义添加储罐模型的热力耦合条件。根据不同工况下罐体热力分布的均匀性，分析罐体结构表面所受到的压力与拉力。根据罐体结构可承受的极限作用力分析储罐是否发生形变，按照上述方式完成燃料储罐模型的稳态-热力学分析。

3.3 船舶运动状态下罐体稳态工况分析

船舶在运动过程中受到多种外界作用力的综合影响，会出现横向倾斜、纵向倾斜、横向摇晃以及垂直摆荡等复杂运动状态。在上述工况下，储罐的鞍座结构会受到外界作用力而出现荷载的变化。与此同时，罐体结构也会受到支撑构件为其提供的反向作用力，该作用力可以用余弦力与正弦力表示。以船舶在行驶过程中出现倾斜状态为例，在此种工况下对鞍座结构对罐体结构产生的反向支撑力进行计算，如公式（10）所示。

式中：R为鞍座结构对罐体结构产生的反向支撑力；b为鞍座面板的支撑宽度；α为船舶在行驶过程中出现倾斜状态与水平面夹角。

当船舶没有发生倾斜时，鞍座对储罐的包角为150°。当船舶在行驶过程中出现倾斜状态时，罐体的中心结构将发生偏置，此时鞍座对罐体结构的有效支撑力降低，储罐结构产生的反向作用力以支撑反力的形式代替。通过上述分析方式可以掌握船舶在运动状态下罐体的稳态工况。计算船舶在不同倾斜角度下罐体结构产生的反向支撑力，以此种方式检验储罐是否能在运行过程中处于稳定状态。试验结果见表2。

从表2 所示的试验结果可以看出，随着倾斜角度的增加，罐体结构产生的反向支撑力随之增加，可确保储罐在船舶中处于稳态工况。

表2 不同倾斜角度下罐体结构产生的反向支撑力

4 结语

在深入相关工作的研究中发现，LNG 在我国燃料研究领域内一直有绿色能源的称号，作为一种清洁能源，其在环保建设等方面的工作中发挥了不可代替的优势。为推进新能源应用与发展，该文从燃料储罐设计、燃料储罐设计的有限元分析2 个方面完成了此次研究。尽管该文此次研究的论点较多，覆盖面较广，但要实现后续相关工作在实施中的优化，还应在现有工作的基础上，结合相关工作的具体需求，持续深化本次设计，从多个角度对该文设计的成果进行检验与测试，以期为我国海上船舶运输的发展提供技术层面的专项指导。