LNG独立C型液货舱绝热形式选型研究

张荣 邱海平 郑坤 佟伟（中海油能源发展采油服务公司天津300457中国石油大港油田热电公司天津30080）

LNG独立C型液货舱绝热形式选型研究

张荣1邱海平2郑坤1佟伟1
（1中海油能源发展采油服务公司天津3004572中国石油大港油田热电公司天津300280）

本文对LNG独立C型液货舱的绝热形式进行了分析与论述，比较了不同绝热形式在LNG船舶领域的应用范围与各自特点，并以中海油能源发展有限公司建造的6500HP港作拖轮为例进行了绝热层选型实例分析。最终，本文通过总结给出了独立C型液货舱绝热形式选择的参考原则，为后续独立C型液货舱设计与深入研究提供参考。

独立C型液货舱；绝热形式；LNG运输船；LNG燃料动力船

引言

近年来，我国对空气质量的关注正促使政府采取积极措施以减少污染，使用天然气成为解决方案的重要组成部分。液化天然气（Liquefied Natural Gas简称LNG）作为天然气的液态形态，其体积是常态下天然气体积的六百分之一，有利于运输与储存。由于国内天然气需求的逐年上升，通过中小型LNG运输船进行沿海、进江LNG二程转运的需求也越来越大，中小LNG运输船的数量正在逐年增长[1]。同时，为了减缓内河船舶CO2、SOX以及NOX的排放，国内也正在促进LNG燃料动力船舶的发展。

LNG在常压下为-162℃，为维持LNG的温度，也为保证船体结构不被低温破坏，需要有带绝热结构的货物围护系统来对LNG进行围护，因此货物围护系统是LNG船舶的重要组成部分之一。目前而言，中小型LNG运输船及LNG燃料动力多使用独立C型液货舱作为LNG的围护设备，而独立C型液货舱的绝热形式又对LNG船舶的经济学、安全性等有着重要的影响，因此研究独立C型液货舱的绝热形式有着十分重要的意义。

1 低温绝热形式分析

选择绝热结构的型式时应从绝热性能、经济性、坚固性、重量、体积及制作的方便等多方面考虑。目前还没有一种绝热型式在以上所有情况下都认为是十全十美的。一般来说，低沸点液体应采用高效的绝热型式；大型容器应选用成本低的绝热型式，不必考虑重量和所占空间的大小；而运输及轻便型容器就应采用重量轻，体积小的绝热型式；形状复杂的容器一般不宜用真空多层绝热。此外，对于短期使用或间歇使用的容器，绝热结构的热容量应尽可能小，预冷时间较短，冷耗量较小。

绝热结构的厚度随着绝热结构的型式及容器的大小而变化，在实际应用中各类低温容器绝热层厚度大致在下述范围之内：普通绝热100-1000mm，真空粉末绝热20-500mm，真空多层绝热10-100mm。绝热层的厚度应通过技术经济分析来确定。对于运输式容器，外型尺寸受到限制，增加绝热层厚度虽然可以减少气化损失，但同时也降低了容器的容积，因而绝热层厚度存在一个最佳值（此时蒸发率最低）。

1.1 低温绝热分类

低温绝热一般可分为如下四种类型[2-3]：

（1）堆积绝热：也就是非真空绝热，即在需要绝热的表面上装填或包覆一定厚度的绝热材料以达到绝热的目的，常用于管道及大型贮罐，常用的绝热材料有泡沫塑料、泡沫玻璃及玻璃棉等。堆积绝热的绝热效果相对较差，但成本最低。

（2）高真空绝热：即单纯真空绝热，一般要求在绝热空间保持1.33Pa以下压强的真空度，这样就可以消除气体对流传热和绝大部分的残余气体导热，以达到良好的绝热效果。由于高真空绝热空间高真空度的获得与保持比较困难，一般在大型装置中很少应用。

（3）真空粉末（纤维）绝热：真空粉末绝热和真空纤维绝热均属于真空多孔绝热，是在绝热空间充填多孔性绝热材料(粉末或纤维)，再将绝热空间抽至一定真空度的绝热型式。只要在不高的真空度下，就可以消除粉末绝热介质间的气体对流换热，从而大大减少高真空度获得与保持的困难。由于此类绝热的热导率只有堆积绝热的几十分之一，且真空度要求不高，夹层压力为1～10 Pa左右，故在低温技术中得到大量应用。绝热材料多用珠光砂、玻璃棉、气凝胶等。

（4）高真空多层绝热：又称多层绝热，它是一种在绝热空间中安置许多层平行于冷壁的辐射屏以大幅度减少辐射热而达到高效绝热的结构，为目前绝热效果最好的一种绝热形式，其在低温技术中获得了广泛的应用。其中的反射屏材料为金属箔(如铝箔、铜箔、金箔等)，间隔材料多为无碱玻璃布、纤维纸、填碳纸等。对于多层绝热的组合，目前使用最多的是铝箔与纤维纸的组合。

1.2 低温绝热原理

低温绝热的目的是采用各种不同的绝热类型与结构，将通过对流、传导和辐射等途径传递给低温体系的热量减少到尽可能低的程度，以维持低温系统正常工作。目前,常用的低温绝热及其原理、性能见表1。

表1 各种低温绝热类型的原理、性能

2 LNG独立C型液货舱绝热形式选型研究

2.1 LNG独立C型液货舱的结构形式选择

LNG独立C型液货舱的结构形式一般分为双壁真空绝热型和单壁泡沫绝热型两种。两种不同的结构形式又可分别采用其不同的绝热形式。

目前，独立C型液货舱主要用于中小型LNG运输船及燃料动力船上，舱容可从几十立方至几万立方不等。由于独立C型液货舱的舱容利用率较比薄膜型及SPB型LNG液货舱要小很多，而且绝热结构又要占据额外的舱室空间，因此对于独立C型液货舱而言，合理的选择货舱结构形式以及绝热形式十分重要。

对两种结构形式的货舱进行绝热层厚度与蒸发率分析可知，双壁真空绝热型独立C型液货舱的绝热效果要好于单壁泡沫绝热型独立C型液货舱，如图1所示。但是，双壁真空绝热型独立C型液货舱受建造工艺限制，容积很难超过1000立方米，不能建造双圆筒型货舱，而且建造难度与成本要高于单壁泡沫绝热型独立C型液货舱。因此，一般来说对于容积小于1000立方米，且对货舱紧凑度要求较高的独立C型液货舱考虑选择双壁真空绝热型独立C型液货舱；其他情况多考虑应用单壁泡沫绝热型独立C型液货舱[1][4]。

图1 蒸发率与绝热层厚度之间关系图

2.2 单壁泡沫绝热型液货舱的绝热形式选择

单壁泡沫绝热型独立C型液货舱多用于液货舱较大的情况，多用于LNG运输船。此种结构形式的独立C型液货舱采用堆积绝热形式进行保温，绝热材料多使用聚氨酯、聚苯乙烯泡沫等，一般又称为泡沫绝热形式。

船用独立C型液货舱的泡沫绝热形式一般分为喷涂发泡和泡沫块拼装两种。

（1）喷涂发泡形式由于其具有一次成型的特点，具有整体性好的优点，其保温性能略好于泡沫块拼装方式，但是喷涂发泡形式对作业人员与作业条件均具有较高的要求，需要作业人员经历过专业的培训，且作业时环境温度、湿度要适中，不能有风雨天气[5]。

（2）泡沫块拼装形式具有技术成熟、施工条件要求不高，易于修补、建造成本低等优点，是国内大型独立C型液货舱应用最多的绝热形式。

泡沫绝热形式的两种形式对比如表2所示，具体选型需要依据绝热要求与工艺条件而定。

表2 两种泡沫绝热形式对比

2.3 双壁真空绝热型液货舱的绝热形式选择

双壁真空绝热型独立C型液货舱多用于液货舱舱容较小的情况，多用于LNG燃料动力船。此种结构形式的独立C型液货舱多采用真空粉末绝热或高真空多层绝热形式进行保温。

船用独立C型液货舱采用的真空粉末绝热形式多使用珠光砂作为填充材料，这种绝热形式在失真空的情况下，仍有一定的保温冗余，且施工简易，但真空粉末绝热形式具有热传导率大、易在振动情况下产生沉淀等缺点。

高真空多层绝热形式是由多层反射材料和间隔物交替缠绕而成，夹层抽成高真空，反射材料通常采用铝箔或镀铝涤纶薄膜，间隔物一般采用玻璃纤维纸、植物纤维纸或尼龙网，能有效地抑制热辐射的作用，具有优良的绝热性能[6]。

表3简单列出了在相同的边界温度条件下(80K、300K)两种绝热型式的主要技术参数。可以看出，高真空多层绝热结构的绝热性能要明显优于真空粉末绝热。

表3 真空粉末绝热与高真空多层绝热主要技术参数的比较

与真空粉末绝热相比，高真空多层绝热主要具有以下优势：

（1）夹层厚度小

高真空多层绝热的夹层厚度较小，当外形尺寸相同时，则有更大的装载容积；以20英寸ISO罐式集装箱为例，若用真空粉末绝热，则绝热层厚度为200mm，有效容积仅为13m3，而采用高真空多层绝热时，绝热层厚度仅为80mm，罐箱的有效容积可达到18m3，相差27%以上。

（2）质量轻

采用高真空多层绝热方式可使独立C型液货舱的空载质量大大减轻、运输效率提高、储能密度增大、LNG运输成本降低。对于有效容积20m3左右的独立C型液货舱，采用高真空多层绝热可使空载质量减少1500kg以上。

（3）防震性能好

采用高真空多层绝热方式可避免因容器运输过程中震动而引起绝热材料沉降，确保绝热效果。

（4）制作工艺与成本相当

目前，高真空多层绝热低温容器的制作工艺与制作安装、制作成本与制造周期与真空粉末绝热低温容器已趋于一致。

3 设计方案实例分析

以中海油能源发展有限公司建造的6500HP港作拖轮为例进行绝热层选型分析。本船需要30m3设计容量的独立C型液货舱两个，机舱空间有限，需要设计和优化出绝热性能良好，结构紧凑，重量小，施工便捷，维护性友好的货舱形式。

对实际要求进行分析可知，30m3的独立C型液货舱属于小型液货舱，且对空间利用率有一定的要求，因此考虑选择双壁真空绝热型液货舱形式。

按6500HP港作拖轮船舶实际空间限制并结合《天然气燃料动力船规范》、《低温绝热压力容器》等规范、标准的要求，对独立C型液货舱进行设计，并分别考虑真空粉末绝热与高真空多层绝热形式，进行蒸发率计算，具体结果详见表4。

表4 6500HP港作拖轮独立C型液货舱不同绝热形式蒸发率计算

通过计算结果可以看出，相同设计参数下，高真空多层绝热形式的绝热效果要好于真空粉末绝热形式的绝热效果，因此推荐选择高真空多层绝热形式进行液货舱保温。

4 总结

通过对LNG独立C型液货舱的绝热形式进行了分析与总结，并结合6500HP港作拖轮独立C型液货舱的设计实例，可以得到如下绝热形式选型的参考原则：

（1）大型容器选用成本低的绝热形式；

（2）运输式及轻便型容器应采用重量轻、体积小的绝热形式；

（3）根据独立C型液货舱的货舱容积，选择适当的结构形式，再选择相应的绝热形式；

（4）喷涂发泡和泡沫块拼装两种形式各有其优缺点，需根据具体情况进行选择；

（5）高真空多层绝热与真空粉末绝热相比具有一定优势，在可能的情况下推荐使用高真空多层绝热形式；

（6）形状复杂的容器一般不选用高真空多层绝热。参考文献

[1]石峰,陈瑞权,许孟东.适合中短途水上运输的罐舱设计选型分析[J].船海工程,2013(3):55-57

[2]邱林.液化天然气船液货舱绝热技术及传热计算分析[D].上海海事大学,2004.

[3]GB 150.3—2011.压力容器第3部分:设计[S].北京:中国标准出版社，2012.

[4]关心.小型LNG船船型方案生成及决策支持系统[D].大连理工大学,2014.

[5]陈瑞权，陆.晟.C型LNG液货舱设计研究[J].船舶工程，2013(S1):11-13

[6]GB/T 18442.3—2011.固定式真空绝热深冷压力容器第3部分：设计[S].北京：中国标准出版社，2011.