船用液化天然氣燃料儲(chǔ)罐自增壓特性分析

，，

(1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院 船舶工程系，山東 煙臺(tái) 264670；2.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；3.中集海洋工程研究院，山東 煙臺(tái) 264670)

目前船舶上LNG燃料的供給多采用經(jīng)典自增壓方式，即靠LNG儲(chǔ)罐自身壓力驅(qū)動(dòng)進(jìn)行增壓操作。汽化器安裝在燃料儲(chǔ)罐最低點(diǎn)，罐內(nèi)的低溫液化氣體依靠自重進(jìn)入汽化器內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱量交換，液化氣體汽化后返回儲(chǔ)罐氣相空間，達(dá)到自增壓的目的[1-2]。了解儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力變化規(guī)律，對(duì)LNG動(dòng)力船舶的正常運(yùn)營(yíng)起著至關(guān)重要的作用。LNG儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程異常復(fù)雜，涉及諸多傳熱傳質(zhì)過(guò)程，包括儲(chǔ)罐本身增壓氣體與儲(chǔ)罐內(nèi)部氣體的混合及換熱過(guò)程、儲(chǔ)罐內(nèi)氣液界面上的傳熱傳質(zhì)過(guò)程、儲(chǔ)罐內(nèi)氣體與外界之間的熱交換過(guò)程等[3-6]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)LNG儲(chǔ)罐的穩(wěn)壓過(guò)程的研究多局限于儲(chǔ)罐內(nèi)部熱力學(xué)模型的建立，而忽略了汽化器和增壓管路的傳熱及流動(dòng)，研究中也多以甲烷物性參數(shù)代替液化天然氣物性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[7-9]，模擬結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有較大差距。也有學(xué)者單獨(dú)針對(duì)LNG空溫式汽化器氣化過(guò)程進(jìn)行研究，對(duì)氣相區(qū)和液相區(qū)建立了換熱模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬[10]，但關(guān)于LNG動(dòng)力船舶儲(chǔ)罐穩(wěn)壓供液過(guò)程整體進(jìn)行的研究較少。因此，擬針對(duì)船用LNG燃料儲(chǔ)罐，考慮增壓器及其管路的傳熱及流動(dòng)，以實(shí)際天然氣物性參數(shù)對(duì)儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程整體進(jìn)行建模計(jì)算。

1 自增壓系統(tǒng)模型的建立

1.1 系統(tǒng)參數(shù)

儲(chǔ)罐參數(shù)以某內(nèi)河雙燃料動(dòng)力船的燃料儲(chǔ)罐為例進(jìn)行計(jì)算。LNG儲(chǔ)罐及其附件選擇甲板布置形式，臥式布置。表1為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐主要技術(shù)參數(shù)。

表1 LNG儲(chǔ)罐技術(shù)參數(shù)

增壓器管路部分劃分為3段：增壓器前的液相管段、增壓器段和增壓器后氣相管段。其中增壓器段采用星型翅片結(jié)構(gòu)，由多個(gè)翅片高度為86 mm、厚度為3 mm的的翅片管串并聯(lián)組成，安裝方式為臥式。表2為增壓器管路系統(tǒng)部分關(guān)鍵參數(shù)。

表2 增壓器管路系統(tǒng)參數(shù)

1.2 模型介紹

自增壓系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)過(guò)程復(fù)雜多變，不僅是時(shí)間的函數(shù)，還是三維空間函數(shù)，對(duì)其實(shí)際傳熱傳質(zhì)過(guò)程采用數(shù)學(xué)方式求解比較繁瑣。本文將數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上，采用三區(qū)模型對(duì)其求解。計(jì)算時(shí)假設(shè)儲(chǔ)罐內(nèi)部分為三區(qū)，均勻分布，分別為底部過(guò)冷液體區(qū)、中部飽和液體區(qū)和上部氣相氣體區(qū)，各分區(qū)之間存在溫度梯度；底部過(guò)冷液體區(qū)與上部氣相氣體區(qū)內(nèi)部不存在溫度梯度，溫度在各自分區(qū)內(nèi)處處相同；中部飽和液體區(qū)為薄薄的一層液體，只考慮其存在狀態(tài)，厚度、質(zhì)量和體積均忽略不計(jì)；增壓器內(nèi)部液態(tài)天然氣與原有天然氣的混合瞬間完成，內(nèi)部各組分的比例和溫度均勻[11]。

基于上述假設(shè)，在充分考慮增壓器及增壓管路長(zhǎng)度和流阻的基礎(chǔ)上，結(jié)合三區(qū)質(zhì)量守恒定律、能量守恒方程、氣體狀態(tài)方程式等完成LNG儲(chǔ)罐自增壓熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型建模。根據(jù)分析研究，編寫LNG儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程程序，流程圖見圖1，其中“t”為時(shí)間。

1.3 計(jì)算設(shè)置

初始時(shí)刻所滿足的條件設(shè)置即初始條件，是求解微分方程的必要條件。儲(chǔ)罐和增壓器的數(shù)學(xué)模型為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，為方便求解，采用有限差分法將其分解成以60 s作為一個(gè)時(shí)間段的模型，通過(guò)上一時(shí)刻的熱力學(xué)參數(shù)求解下一時(shí)刻的參數(shù)。儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力參數(shù)的求解所需的初始條件包括儲(chǔ)罐的LNG組分、初始?jí)毫?、初始充注率以及氣液相溫度?/p>

LNG燃料儲(chǔ)罐自增壓數(shù)學(xué)模型是初邊值混合模型，其的求解需要空間區(qū)域的邊界條件。本模型的邊界條件主要包含低溫儲(chǔ)罐和增壓器外的空氣相關(guān)參數(shù)，低溫儲(chǔ)罐需要設(shè)置的邊界條件包括環(huán)境溫度、大氣壓力、空氣流速；增壓器需要設(shè)置的邊界參數(shù)除了外界空氣參數(shù)外，增壓氣體的焓值、流量、密度等參數(shù)也可以視為其邊界條件。

2 計(jì)算結(jié)果及影響分析

影響LNG燃料儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的因素包含天然氣組分、環(huán)境溫度、初始?jí)毫俺跏汲渥⒙省某跏紬l件和邊界條件方面考慮，設(shè)置天然氣為烷烴組分，環(huán)境溫度293 K，初始?jí)毫0=300 kPa，初始充注率為60%，分析LNG燃料儲(chǔ)罐自增壓特性。采用單一變量法，在保證其他條件不變的基礎(chǔ)上，只改變研究對(duì)象的數(shù)值，計(jì)算分析對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的影響規(guī)律。

2.1 天然氣組分的影響

天然氣是一種烴類混合物質(zhì)，甲烷是其主要成分，其中甲烷的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)高于75%，氮的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)低于5%[12]。為研究天然氣成分對(duì)儲(chǔ)罐壓力場(chǎng)的影響，選取組分1：純甲烷；組分2：甲烷含量95%，其他烷烴5%；組分3：甲烷含量90%，其他烷烴6%，氮?dú)?%；組分4：甲烷含量85%，其他烷烴10%，氮?dú)?%。對(duì)這4種組分進(jìn)行模擬，得到儲(chǔ)罐內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化見圖2。

對(duì)比各組分曲線發(fā)現(xiàn)，天然氣組分中增加烷烴成分，增壓時(shí)間減少；天然氣中增加氮?dú)獬煞郑鰤簳r(shí)間增大；在一定范圍內(nèi)，天然氣成分中氮?dú)獗壤酱螅瑑?chǔ)罐內(nèi)壓力增壓所需時(shí)間會(huì)增長(zhǎng)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是在自然蒸發(fā)條件下，其他烷烴成分的泡點(diǎn)溫度高于甲烷的泡點(diǎn)溫度，氮的沸點(diǎn)溫度低于甲烷的泡點(diǎn)溫度，因此增加氮?dú)獬煞謺r(shí)，所需時(shí)間增長(zhǎng)。但是由于各成分泡點(diǎn)溫度變化幅度有限，氮?dú)夂繌?%～5%范圍變化時(shí)，增壓時(shí)間增加了不到2 min，排除數(shù)值模擬因素，天然氣組分變化對(duì)儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程影響微小，可以忽略不計(jì)。

2.2 環(huán)境溫度的影響

船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，環(huán)境溫度變化較大，所以選擇外界環(huán)境溫度253、273、293 K進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖3。

由圖3a)可見，在不同環(huán)境溫度下，壓力的變化趨勢(shì)基本相同，均為隨時(shí)間的延長(zhǎng)而變大。此外，隨著環(huán)境溫度的增大，壓力變化速率隨之加快，但加快幅度并不顯著。從圖3b)可見，環(huán)境溫度增高，自增壓所需時(shí)間越短。外界環(huán)境溫度為253 K時(shí)，所用增壓時(shí)間最長(zhǎng)為19 min；環(huán)境溫度提高40 K時(shí)，時(shí)間縮短了9 min。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是外界環(huán)境溫度升高，儲(chǔ)罐與增壓系統(tǒng)管路內(nèi)的LNG與外界環(huán)境的溫差增大，換熱量增大，使得壓力上升加速。

2.3 初始?jí)毫Φ挠绊?/h3>

在保證其它初始條件與邊界參數(shù)不變的情況下，計(jì)算初始?jí)毫?duì)儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程的影響，計(jì)算結(jié)果見圖4。

由圖4a)可見，雖然初始?jí)毫Σ煌莾?chǔ)罐內(nèi)部壓力變化趨勢(shì)基本一致，均隨時(shí)間的增加而增大，線性變化、斜率變化不大。由圖4b)可見，初始?jí)毫υ酱螅栽鰤褐羶?chǔ)罐工作壓力所需時(shí)間越短。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是當(dāng)罐內(nèi)初始?jí)毫υ龃髸r(shí)，對(duì)應(yīng)的過(guò)冷液體區(qū)和氣液兩相區(qū)的飽和溫度升高，氣相氣體區(qū)質(zhì)量、密度增大[13]，壓力上升速度加快。

2.4 初始充注率的影響

根據(jù)熱傳遞原理，LNG儲(chǔ)液的充注率會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力產(chǎn)生影響。本文研究初始充注率為0.4、0.6、0.8時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的變化規(guī)律，模擬結(jié)果見圖5。

由圖5a)可見，在不同的初始充注率下，儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力變化趨勢(shì)均隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。此外，隨著充注率的增大，壓力變化速率隨之加快，且加速幅度顯著。由圖5b)可見，充注率增大，儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力達(dá)到工作壓力所需時(shí)間越短。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因主要包含兩方面：一方面是當(dāng)罐內(nèi)充注率增大時(shí)，對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)罐液位升高，增壓管路系統(tǒng)壓差增大，增壓流量增大，提高增壓速率；另一方面，儲(chǔ)罐內(nèi)部氣相空間減小，需要較少的增壓氣體進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)部提高壓力，壓力上升速度加快。

3 回歸分析

為更準(zhǔn)確掌握各影響因素對(duì)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力的影響系數(shù)，選取模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析[14]。具體模擬數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見表3。

3.1 線性回歸方程建立

利用Matlab進(jìn)行線性回歸分析，置信度選擇默認(rèn)設(shè)置，為95%。建立三元線性回歸方程

y=k0+k1x1+k2x2+k3x3

(1)

經(jīng)過(guò)擬合，得到儲(chǔ)罐內(nèi)壓力與環(huán)境溫度、初始?jí)毫?、初始充注率的三元線性回歸方程：

表3 模擬數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

pT=0.984 9T0+1.133 7p0+

382.225φ-432.390 4

(2)

殘差分析見圖6。由圖6可見，數(shù)據(jù)距離殘差零點(diǎn)均較近，殘差的置信區(qū)間均包含零點(diǎn)，函數(shù)關(guān)系式符合原始數(shù)據(jù)。

分析式(2)，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力與環(huán)境溫度、初始?jí)毫Α⒊跏汲渥⒙示烧?。這與實(shí)際儲(chǔ)罐壓力變化情況情形一致。

3.2 顯著性分析

為了解影響儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程的主要影響因素，分別對(duì)環(huán)境溫度、初始?jí)毫?、初始充注率的影響進(jìn)行對(duì)比分析，見圖7。

由圖7a)可見，在其他因素不變的情況下，環(huán)境溫度對(duì)儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程影響較小，初始?jí)毫?duì)儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程的影響更為顯著。由圖7b)可見，初始?jí)毫统跏汲渥⒙蕦?duì)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的影響均較為顯著，而且兩者的影響顯著性相差不大，為儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程的關(guān)鍵影響因素。

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)儲(chǔ)罐自增壓系統(tǒng)建模計(jì)算，結(jié)果表明：天然氣組分中烷烴成分增加時(shí)，增壓時(shí)間減少；氮?dú)獬煞衷黾訒r(shí)，增壓時(shí)間增加。環(huán)境溫度、初始?jí)毫Α⒊跏汲渥⒙实脑龃缶鶗?huì)使得罐內(nèi)壓力變化呈加速趨勢(shì)，增壓時(shí)間減少。

2)通過(guò)對(duì)比分析各變量對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的影響，初始?jí)毫统跏汲渥⒙蕦?duì)儲(chǔ)罐自增壓過(guò)程影響最大，是關(guān)鍵性因素；環(huán)境溫度對(duì)壓力影響較??；天然氣組分對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力影響微弱，可以忽略不計(jì)。

3)對(duì)船用燃料儲(chǔ)罐整個(gè)自增壓系統(tǒng)模型進(jìn)行了研究，考慮了汽化器與增壓管路的傳熱及流阻計(jì)算，但未考慮船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中船舶的橫搖、縱搖等外部因素帶來(lái)的影響。今后的研究可考慮船舶實(shí)際營(yíng)運(yùn)狀態(tài)下的儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力變化情況。

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