船用液化天然气燃料储罐自增压特性分析

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(1.烟台职业学院 船舶工程系，山东 烟台 264670；2.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026；3.中集海洋工程研究院，山东 烟台 264670)

目前船舶上LNG燃料的供给多采用经典自增压方式，即靠LNG储罐自身压力驱动进行增压操作。汽化器安装在燃料储罐最低点，罐内的低温液化气体依靠自重进入汽化器内实现热量交换，液化气体汽化后返回储罐气相空间，达到自增压的目的[1-2]。了解储罐内部压力变化规律，对LNG动力船舶的正常运营起着至关重要的作用。LNG储罐自增压过程异常复杂，涉及诸多传热传质过程，包括储罐本身增压气体与储罐内部气体的混合及换热过程、储罐内气液界面上的传热传质过程、储罐内气体与外界之间的热交换过程等[3-6]。目前，国内外学者对LNG储罐的稳压过程的研究多局限于储罐内部热力学模型的建立，而忽略了汽化器和增压管路的传热及流动，研究中也多以甲烷物性参数代替液化天然气物性参数进行计算[7-9]，模拟结果与实际情况会有较大差距。也有学者单独针对LNG空温式汽化器气化过程进行研究，对气相区和液相区建立了换热模型并进行了数值模拟[10]，但关于LNG动力船舶储罐稳压供液过程整体进行的研究较少。因此，拟针对船用LNG燃料储罐，考虑增压器及其管路的传热及流动，以实际天然气物性参数对储罐自增压过程整体进行建模计算。

1 自增压系统模型的建立

1.1 系统参数

储罐参数以某内河双燃料动力船的燃料储罐为例进行计算。LNG储罐及其附件选择甲板布置形式，卧式布置。表1为LNG储罐主要技术参数。

表1 LNG储罐技术参数

增压器管路部分划分为3段：增压器前的液相管段、增压器段和增压器后气相管段。其中增压器段采用星型翅片结构，由多个翅片高度为86 mm、厚度为3 mm的的翅片管串并联组成，安装方式为卧式。表2为增压器管路系统部分关键参数。

表2 增压器管路系统参数

1.2 模型介绍

自增压系统的传热传质过程复杂多变，不仅是时间的函数，还是三维空间函数，对其实际传热传质过程采用数学方式求解比较繁琐。本文将数学模型进行简化，在一定假设的基础上，采用三区模型对其求解。计算时假设储罐内部分为三区，均匀分布，分别为底部过冷液体区、中部饱和液体区和上部气相气体区，各分区之间存在温度梯度；底部过冷液体区与上部气相气体区内部不存在温度梯度，温度在各自分区内处处相同；中部饱和液体区为薄薄的一层液体，只考虑其存在状态，厚度、质量和体积均忽略不计；增压器内部液态天然气与原有天然气的混合瞬间完成，内部各组分的比例和温度均匀[11]。

基于上述假设，在充分考虑增压器及增压管路长度和流阻的基础上，结合三区质量守恒定律、能量守恒方程、气体状态方程式等完成LNG储罐自增压热力学数学模型建模。根据分析研究，编写LNG储罐自增压过程程序，流程图见图1，其中“t”为时间。

1.3 计算设置

初始时刻所满足的条件设置即初始条件，是求解微分方程的必要条件。储罐和增压器的数学模型为时间的连续函数，为方便求解，采用有限差分法将其分解成以60 s作为一个时间段的模型，通过上一时刻的热力学参数求解下一时刻的参数。储罐内部压力参数的求解所需的初始条件包括储罐的LNG组分、初始压力、初始充注率以及气液相温度。

LNG燃料储罐自增压数学模型是初边值混合模型，其的求解需要空间区域的边界条件。本模型的边界条件主要包含低温储罐和增压器外的空气相关参数，低温储罐需要设置的边界条件包括环境温度、大气压力、空气流速；增压器需要设置的边界参数除了外界空气参数外，增压气体的焓值、流量、密度等参数也可以视为其边界条件。

2 计算结果及影响分析

影响LNG燃料储罐内压力的因素包含天然气组分、环境温度、初始压力及初始充注率。从初始条件和边界条件方面考虑，设置天然气为烷烃组分，环境温度293 K，初始压力p0=300 kPa，初始充注率为60%，分析LNG燃料储罐自增压特性。采用单一变量法，在保证其他条件不变的基础上，只改变研究对象的数值，计算分析对储罐内压力的影响规律。

2.1 天然气组分的影响

天然气是一种烃类混合物质，甲烷是其主要成分，其中甲烷的体积分数应高于75%，氮的体积分数应低于5%[12]。为研究天然气成分对储罐压力场的影响，选取组分1：纯甲烷；组分2：甲烷含量95%，其他烷烃5%；组分3：甲烷含量90%，其他烷烃6%，氮气4%；组分4：甲烷含量85%，其他烷烃10%，氮气5%。对这4种组分进行模拟，得到储罐内压力随时间的变化见图2。

对比各组分曲线发现，天然气组分中增加烷烃成分，增压时间减少；天然气中增加氮气成分，增压时间增大；在一定范围内，天然气成分中氮气比例越大，储罐内压力增压所需时间会增长。出现这种现象的主要原因是在自然蒸发条件下，其他烷烃成分的泡点温度高于甲烷的泡点温度，氮的沸点温度低于甲烷的泡点温度，因此增加氮气成分时，所需时间增长。但是由于各成分泡点温度变化幅度有限，氮气含量从0%～5%范围变化时，增压时间增加了不到2 min，排除数值模拟因素，天然气组分变化对储罐自增压过程影响微小，可以忽略不计。

2.2 环境温度的影响

船舶营运过程中，环境温度变化较大，所以选择外界环境温度253、273、293 K进行模拟，结果见图3。

由图3a)可见，在不同环境温度下，压力的变化趋势基本相同，均为随时间的延长而变大。此外，随着环境温度的增大，压力变化速率随之加快，但加快幅度并不显著。从图3b)可见，环境温度增高，自增压所需时间越短。外界环境温度为253 K时，所用增压时间最长为19 min；环境温度提高40 K时，时间缩短了9 min。出现这种结果的原因是外界环境温度升高，储罐与增压系统管路内的LNG与外界环境的温差增大，换热量增大，使得压力上升加速。

2.3 初始压力的影响

在保证其它初始条件与边界参数不变的情况下，计算初始压力对储罐自增压过程的影响，计算结果见图4。

由图4a)可见，虽然初始压力不同，但是储罐内部压力变化趋势基本一致，均随时间的增加而增大，线性变化、斜率变化不大。由图4b)可见，初始压力越大，自增压至储罐工作压力所需时间越短。出现这种结果的原因是当罐内初始压力增大时，对应的过冷液体区和气液两相区的饱和温度升高，气相气体区质量、密度增大[13]，压力上升速度加快。

2.4 初始充注率的影响

根据热传递原理，LNG储液的充注率会对储罐内压力产生影响。本文研究初始充注率为0.4、0.6、0.8时储罐内压力的变化规律，模拟结果见图5。

由图5a)可见，在不同的初始充注率下，储罐内部压力变化趋势均随时间的延长而增大。此外，随着充注率的增大，压力变化速率随之加快，且加速幅度显著。由图5b)可见，充注率增大，储罐内部压力达到工作压力所需时间越短。出现这种结果的原因主要包含两方面：一方面是当罐内充注率增大时，对应的储罐液位升高，增压管路系统压差增大，增压流量增大，提高增压速率；另一方面，储罐内部气相空间减小，需要较少的增压气体进入储罐内部提高压力，压力上升速度加快。

3 回归分析

为更准确掌握各影响因素对LNG储罐内部压力的影响系数，选取模拟数据进行回归分析[14]。具体模拟数据及计算结果见表3。

3.1 线性回归方程建立

利用Matlab进行线性回归分析，置信度选择默认设置，为95%。建立三元线性回归方程

y=k0+k1x1+k2x2+k3x3

(1)

经过拟合，得到储罐内压力与环境温度、初始压力、初始充注率的三元线性回归方程：

表3 模拟数据及计算结果

pT=0.984 9T0+1.133 7p0+

382.225φ-432.390 4

(2)

残差分析见图6。由图6可见，数据距离残差零点均较近，残差的置信区间均包含零点，函数关系式符合原始数据。

分析式(2)，储罐内压力与环境温度、初始压力、初始充注率均成正比。这与实际储罐压力变化情况情形一致。

3.2 显著性分析

为了解影响储罐自增压过程的主要影响因素，分别对环境温度、初始压力、初始充注率的影响进行对比分析，见图7。

由图7a)可见，在其他因素不变的情况下，环境温度对储罐自增压过程影响较小，初始压力对储罐自增压过程的影响更为显著。由图7b)可见，初始压力和初始充注率对储罐内压力的影响均较为显著，而且两者的影响显著性相差不大，为储罐自增压过程的关键影响因素。

4 结论

1)通过对储罐自增压系统建模计算，结果表明：天然气组分中烷烃成分增加时，增压时间减少；氮气成分增加时，增压时间增加。环境温度、初始压力、初始充注率的增大均会使得罐内压力变化呈加速趋势，增压时间减少。

2)通过对比分析各变量对储罐内压力的影响，初始压力和初始充注率对储罐自增压过程影响最大，是关键性因素；环境温度对压力影响较小；天然气组分对储罐内压力影响微弱，可以忽略不计。

3)对船用燃料储罐整个自增压系统模型进行了研究，考虑了汽化器与增压管路的传热及流阻计算，但未考虑船舶营运过程中船舶的横摇、纵摇等外部因素带来的影响。今后的研究可考虑船舶实际营运状态下的储罐内部压力变化情况。

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