LNG動(dòng)力船舶儲(chǔ)罐穩(wěn)壓過程

李 超, 吳桂濤, 杜太利

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116026)

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LNG動(dòng)力船舶儲(chǔ)罐穩(wěn)壓過程

李 超, 吳桂濤, 杜太利

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116026)

為研究LNG動(dòng)力船舶儲(chǔ)罐的穩(wěn)壓供液過程，首先對(duì)整個(gè)增壓及穩(wěn)壓過程中參數(shù)的變化情況進(jìn)行分析計(jì)算，得到增壓及穩(wěn)壓過程中儲(chǔ)罐內(nèi)壓力和氣液溫度隨時(shí)間的變化曲線。隨后，對(duì)比分析環(huán)境溫度、初始液位以及不同供液率對(duì)增壓速度的影響。最后，分析連續(xù)穩(wěn)壓過程中增壓速度加快的原因。

船舶工程； LNG動(dòng)力； 穩(wěn)壓系統(tǒng)； 壓力調(diào)節(jié)

隨著石油資源日益減少，以及國(guó)際社會(huì)對(duì)油氣排放的要求日益嚴(yán)格，船舶采用經(jīng)濟(jì)性和清潔性較好的替代能源已經(jīng)成為必然，其中液化天然氣(Liquified Natural Gas, LNG)作為清潔能源的代表已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。目前LNG動(dòng)力船發(fā)展勢(shì)頭迅猛，但是國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)還比較落后，推廣應(yīng)用受到了限制，迫切需要加快LNG動(dòng)力船的研究步伐。

1 儲(chǔ)罐穩(wěn)壓供氣原理

與一般的以燃油為燃料的船舶不同，LNG動(dòng)力船舶的燃料供給系統(tǒng)中沒有供液用的循環(huán)泵，LNG燃料的供給是靠?jī)?chǔ)罐自身的壓力驅(qū)動(dòng)完成的。LNG儲(chǔ)罐的穩(wěn)壓系統(tǒng)主要由儲(chǔ)罐及自增壓?jiǎn)卧獦?gòu)成，自增壓?jiǎn)卧饣骱驮鰤汗苈贰?chǔ)罐內(nèi)的LNG進(jìn)入增壓氣化器并在其中吸熱氣化，氣化得到的天然氣返回到儲(chǔ)罐中，為儲(chǔ)罐增壓。圖1為儲(chǔ)罐穩(wěn)壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，研究涉及到的對(duì)象包括儲(chǔ)氣罐、氣化器及相關(guān)管路。

圖1 穩(wěn)壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

目前，穩(wěn)壓系統(tǒng)的壓力控制策略通常是:當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力低于設(shè)定的壓力下限時(shí)，增壓閥開啟，系統(tǒng)開始增壓；當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定的壓力上限時(shí)，增壓閥關(guān)閉，從而使儲(chǔ)罐內(nèi)壓力保持在設(shè)定的壓力范圍內(nèi)。若管路中不裝設(shè)流量控制閥，其中的流量則將由管路系統(tǒng)的總壓差與流動(dòng)阻力決定，總壓差與阻力壓降相等時(shí)的流量即為當(dāng)前的增壓流量。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介

由于數(shù)學(xué)模型占用篇幅較多，此處不進(jìn)行詳述，只作簡(jiǎn)要概括，具體公式可在相關(guān)文獻(xiàn)中查找。

1. 對(duì)于低溫儲(chǔ)罐內(nèi)部傳熱傳質(zhì)過程，應(yīng)用最普遍的是三區(qū)分層模型，需要進(jìn)行以下假設(shè)：

(1) 低溫儲(chǔ)罐內(nèi)分為三層，分別為上部氣體空間(過熱層)、中部氣液飽和相和下部液體空間(過冷層)，各層之間存在溫度梯度；

(2) 氣化后回流的增壓氣體與儲(chǔ)罐內(nèi)原有的氣體能夠迅速混合，并且分布均勻，即氣相空間內(nèi)氣體的溫度分布均勻一致；

(3) 氣液飽和相厚度不計(jì)，因此可忽略其體積和質(zhì)量。

在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上利用質(zhì)量守恒和能量守恒得出所需的數(shù)學(xué)方程。[1-2]

2. 假設(shè)儲(chǔ)罐增壓過程中的熱量均來自空溫式氣化器，儲(chǔ)罐漏熱及絕熱管路吸熱均忽略不計(jì)。氣化器換熱管外圍與空氣自然對(duì)流換熱；氣化器內(nèi)分為單相區(qū)和沸騰區(qū)，單相區(qū)以管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算，沸騰區(qū)按核態(tài)沸騰與強(qiáng)制對(duì)流的加和計(jì)算。[3-5]

3. 管路系統(tǒng)及氣化器部分的阻力主要包括沿程摩擦阻力和局部阻力。其中沸騰段的摩擦阻力較為復(fù)雜，此處按照兩相流中的均相流模型進(jìn)行求取。[6]

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及初始條件

所選儲(chǔ)罐為某內(nèi)河雙燃料船LNG儲(chǔ)罐，有效容積為15.79 m3，圓筒直徑為2 000 mm，長(zhǎng)4 310 mm，直邊高度為25 mm，采用橢圓標(biāo)準(zhǔn)封頭，高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)。

氣化器前液相管段長(zhǎng)度約為1 m，管路內(nèi)徑為20 mm；氣化器后氣相管段長(zhǎng)度約為3 m，管路內(nèi)徑為40 mm?？諟厥綒饣鳛樾切统崞Y(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為6 m，內(nèi)徑為20 mm，壁厚3 mm；翅片高80 mm，厚2 mm，為8翅片結(jié)構(gòu)。編程計(jì)算時(shí)，假設(shè)氣化器前后管路部分不進(jìn)行換熱，即增壓過程中的全部熱量均來自于空溫式氣化器與外界環(huán)境的熱交換。

假設(shè)環(huán)境溫度為293 K，儲(chǔ)罐內(nèi)初始?jí)毫?.2 MPa，儲(chǔ)罐內(nèi)液體初始溫度為110 K，氣腔氣體初始溫度為121 K，初始液位為1.6 m。

4 穩(wěn)壓過程理論計(jì)算及分析

首先,根據(jù)假設(shè)的初始條件對(duì)儲(chǔ)罐自增壓過程進(jìn)行理論計(jì)算，計(jì)算過程中假設(shè)每60 s為一個(gè)穩(wěn)態(tài)過程，對(duì)系統(tǒng)中所有的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行一次計(jì)算。增壓過程中儲(chǔ)罐壓力從初始值0.2 MPa升至0.5 MPa，穩(wěn)壓工作過程設(shè)定的壓力在0.4～0.5 MPa，當(dāng)壓力降至0.4 MPa時(shí)增壓開啟，達(dá)到0.5 MPa后關(guān)閉。

4.1自增壓過程中參數(shù)的變化規(guī)律及分析

增壓過程中最主要的參數(shù)為儲(chǔ)罐的壓力，圖2為根據(jù)計(jì)算結(jié)果做出的儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的變化曲線。

圖2 儲(chǔ)罐內(nèi)壓力變化曲線

從圖2可以看出，隨著增壓過程的進(jìn)行，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力逐漸上升，達(dá)到目標(biāo)壓力0.5 MPa后停止。此外還可以發(fā)現(xiàn)，壓力增加過程中，速度逐漸變緩。

儲(chǔ)罐內(nèi)氣、液及飽和界面的溫度變化情況見圖3。

圖3 儲(chǔ)罐內(nèi)溫度變化曲線

從圖3可以看出，增壓過程中，液體溫度(Tl)僅有微小的升高，這是因?yàn)橐后w質(zhì)量太大，來源于氣腔內(nèi)的熱量及冷凝液不足以引起T1大幅度升高；飽和層溫度(Ts)隨儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的變化而變化，從圖中可以看出其變化趨勢(shì)與儲(chǔ)罐內(nèi)壓力變化趨勢(shì)相同；氣體溫度(Tg)的變化最為明顯，從圖中可以看出，在增壓開始階段，Tg急劇上升，并很快達(dá)到最高值，之后變化開始趨于平緩，且存在小幅度的下降。Tg之所以急劇上升，是因?yàn)樵谠鰤撼跗?，?chǔ)罐內(nèi)氣體密度小、增壓氣體溫度較高，兩者快速混合使得氣腔內(nèi)Tg迅速升高。隨著增壓過程的進(jìn)行，儲(chǔ)罐內(nèi)氣體的密度快速上升，同時(shí)，增壓氣體的溫度逐漸下降，從而導(dǎo)致Tg上升趨勢(shì)變緩。此外，由于氣體與氣液界面間的傳熱傳質(zhì)過程的進(jìn)行，Tg上升的趨勢(shì)變得更加緩慢，甚至出現(xiàn)小幅度下降。

4.2初始液位及環(huán)境溫度對(duì)增壓過程的影響

增壓過程進(jìn)行的快慢受諸多因素的影響，此處主要對(duì)不同初始液位和環(huán)境溫度對(duì)增壓過程的影響進(jìn)行分析計(jì)算。

圖4中，初始液位為1.7 m時(shí)增壓速度最快，液位為1.5 m時(shí)最慢。原因在于，儲(chǔ)罐內(nèi)液位越高，管路系統(tǒng)的壓差越大，增壓流量也因此越大；同時(shí)，液位越高，氣體空間越小，達(dá)到目標(biāo)壓力時(shí)所需增加的氣體質(zhì)量也越小，因此可以更快地達(dá)到需要的增壓壓力。

圖4 不同液位下儲(chǔ)罐增壓速率對(duì)比

圖5顯示了不同溫度下儲(chǔ)罐的增壓時(shí)間。從圖中可以看出，環(huán)境溫度越高，增壓過程進(jìn)行越快。這主要是因?yàn)榄h(huán)境溫度高時(shí)，氣化器換熱量升高，增壓氣體的過熱度隨之增大，即進(jìn)入儲(chǔ)罐的氣體的溫度變高，從而使儲(chǔ)罐內(nèi)氣體溫度、壓力更快地上升。

圖5 不同環(huán)境溫度下儲(chǔ)罐增壓速率對(duì)比

4.3穩(wěn)壓工作過程的理論計(jì)算及分析

經(jīng)過前面的分析，已經(jīng)對(duì)整個(gè)增壓過程中參數(shù)的變化情況有所了解。進(jìn)行自增壓過程的目的是便于儲(chǔ)罐正常排液，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)壓力后即可對(duì)外供液。假設(shè)儲(chǔ)罐的供液速率為0.02 kg/s，根據(jù)參數(shù)變化繪制的曲線見圖6。

圖6顯示在該供液速率下儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的變化情況，圖中的3條曲線分別為不增壓供液(Gout=0.02 kg/s，G=0)、達(dá)到壓力下限時(shí)既增壓又供液(Gout=0.02 kg/s，Ggt;0)以及達(dá)到壓力下限時(shí)僅增壓不供液(Gout=0，Ggt;0)的曲線。可以看出，在不增壓供液時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力急劇下降，并迅速達(dá)到壓力下限。在到達(dá)壓力下限時(shí)，增壓閥開啟，儲(chǔ)罐壓力逐漸上升。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，邊供液邊增壓達(dá)到目標(biāo)壓力所用的時(shí)間要多于僅增壓不供液過程，這是由于供液導(dǎo)致儲(chǔ)罐液位下降、增壓量減小。同時(shí)可以看到，儲(chǔ)罐壓力從0.4 MPa升至0.5 MPa的時(shí)間明顯少于從0.2 MPa升至0.5 MPa的時(shí)間，這也說明初始?jí)毫?duì)儲(chǔ)罐的增壓速率有很大影響。

圖6 儲(chǔ)罐穩(wěn)壓供液過程壓力變化曲線

4.4不同供液速率對(duì)穩(wěn)壓過程的影響

前面提到的影響增壓過程的因素在穩(wěn)壓供氣時(shí)仍然適用，下面主要分析在不同供液速率下儲(chǔ)罐穩(wěn)壓過程的變化情況(見圖7)。

圖7 不同供液速率下的增壓過程對(duì)比

從圖中可以看出，雖然供液速率不同，但是儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的下降過程基本一致，這也充分說明儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的下降主要是因傳熱傳質(zhì)過程使氣體的溫度及質(zhì)量下降引起的，供液率對(duì)其影響很小。不過對(duì)于達(dá)到壓力下限后的增壓過程，三者有很大的差別。此外，供液速率增大后，儲(chǔ)罐的增壓時(shí)間明顯延長(zhǎng)，這主要是因?yàn)榕c較小供液速率相比，供液速率增大時(shí)液位降低，管路系統(tǒng)總壓差減小，增壓量也隨之減小，同時(shí)，氣體體積相對(duì)增加導(dǎo)致增壓速率下降。從圖中還可以看出，如果供液速率繼續(xù)增大，則增壓時(shí)間將繼續(xù)延長(zhǎng)，甚至永遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)定的最高壓力值。換言之，系統(tǒng)的穩(wěn)壓能力是有限的，不能滿足所有供液速率下的穩(wěn)壓工況。

4.5連續(xù)穩(wěn)壓過程的計(jì)算機(jī)分析

前兩節(jié)僅描繪了一個(gè)穩(wěn)壓工作過程，實(shí)際情況是無數(shù)個(gè)穩(wěn)壓過程在循環(huán)進(jìn)行，直到雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。為了解不同循環(huán)間的壓力變化過程，對(duì)供液速率為0.1 kg/s時(shí)的連續(xù)兩個(gè)工作過程進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖8。從圖中可以看出，第二個(gè)穩(wěn)壓工作循環(huán)中，壓力下降的速度略有變緩(延長(zhǎng)1 min)，而增壓過程卻明顯加快。但是隨著增壓過程的進(jìn)行，儲(chǔ)罐液位緩慢下降，增壓流量緩慢降低，增壓過程越來越緩慢。分析出現(xiàn)這一結(jié)果的可能原因，只能歸結(jié)于液體溫度的上升，即隨著液體溫度緩慢升高，氣液界面?zhèn)鬟f到液體的熱量減少，氣體的冷凝量隨之下降，并且減小幅度大于增壓流量的減少量。

圖8 連續(xù)穩(wěn)壓過程壓力變化曲線

圖9為兩個(gè)穩(wěn)壓過程中氣體和液體溫度的變化曲線。從圖中可以看出，液體溫度(Tl)均勻上升，氣體溫度(Tg)僅在供液階段由于對(duì)流換熱以及冷凝作用而迅速下降，增壓后又逐漸上升并最終趨于穩(wěn)定，與前面所述的自增壓階段相同。

圖9 連續(xù)穩(wěn)壓過程氣液溫度變化曲線

圖10為穩(wěn)壓過程中增壓流量和冷凝量的變化曲線。從圖中可以看出，兩次增壓過程中增壓量(G)與冷凝量(Gf)之間的差值變大了，從而解釋了增壓過程為什么會(huì)越來越快。僅供液時(shí)，增壓過程停止，因此增壓量的變化曲線存在間斷現(xiàn)象。

圖10 連續(xù)穩(wěn)壓過程中增壓/冷凝量變化曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)具體算例，編寫了自增壓及穩(wěn)壓供氣過程的計(jì)算程序，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，得出增壓及穩(wěn)壓過程中儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、氣液溫度的變化規(guī)律曲線；對(duì)比了環(huán)境溫度、初始液位以及不同供液速率對(duì)增壓過程的影響，并重點(diǎn)分析了連續(xù)穩(wěn)壓過程中增壓速率加快的原因。

為便于船舶的管理，在理論基礎(chǔ)之上提出以下兩方面的建議：

5.1操作方面

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始液位、環(huán)境溫度及初始?jí)毫Σ煌瑫r(shí)，增壓時(shí)間也不同，初始液位、環(huán)境溫度及初始?jí)毫υ礁撸鰤核脮r(shí)間越短。這些數(shù)據(jù)在船上都可進(jìn)行檢測(cè)，因此船舶管理人員應(yīng)根據(jù)這些條件的不同，在備車時(shí)適當(dāng)調(diào)整增壓閥的開啟時(shí)間。

5.2氣化器選擇方面

從增壓過程中儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的變化趨勢(shì)(越來越平緩)可以看出，系統(tǒng)的增壓能力是有限的，并且當(dāng)初始液位及環(huán)境溫度過低或供液速率過大時(shí)，增壓時(shí)間明顯延長(zhǎng)，甚至可能永遠(yuǎn)無法達(dá)到設(shè)定的壓力值。為避免出現(xiàn)這種狀況，保證任何情況下都能快速增壓，需合理選擇氣化器的大小，使其具備足夠的換熱能力，從而提高系統(tǒng)的增壓能力。選擇標(biāo)準(zhǔn)包括：

1) 在船舶的航區(qū)內(nèi)，按照冬季低溫環(huán)境工況進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，保證冬季時(shí)系統(tǒng)的增壓能力。

2) 增壓流量與管路阻力密切相關(guān)，阻力降低，流量增加。

通過分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于氣化器的其他參數(shù)，氣化器直徑的大小對(duì)管路阻力的影響很大，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大氣化器管路直徑，以提高增壓流量，從而提高系統(tǒng)的增壓能力。

[1] 王貴仁.低溫容器內(nèi)壓力變化規(guī)律的研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2008.

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中國(guó)航海

中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)來源期刊中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)與分析來源期刊

PressureRegulationProcessofLNGTanksonLNGPowerShips

LIChao,WUGuitao,DUTaili
(Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026， China)

The parameter variations of LNG tanks in the whole self-pressurization and constant pressure gas-supply process is calculated and analyzed, and the curves of tank pressure vs gas/water temperature in the process are given. The effects of ambient temperature, initial liquid level, and gas-supply rate to the pressurization process are compared and analyzed. The reason why the pressurization speeds up in continuous pressurization process is studied.

ship engineering; LNG power; pressurization system; pressure regulation

2014-01-22

李 超(1987-)，男，河北安國(guó)人，碩士生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代輪機(jī)工程。E-mail:li_chao321@163.com.

1000-4653(2014)02-0027-04

TB658； U674.92

A

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