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上海海事大学硕士学位论文 渡化天然气船液货舱绝热技术及传热计算分析 摘要 众所周知，液化天然气作为一种具有高热值无污染的清洁能源，越来越得到广泛 的应用。近几十年来，由于石油危机的冲击和煤炭、石油带来的环境问题日益突出， 天然气的开发利用受到人们的重视。许多发达国家已经将天然气作为和石油一样具有 战略意义的重要物质。随着我国国民经济的飞速发展，对天然气的需求量与日俱增， 现有的产量已经不能满足市场需求，每年必须大量进口液化天然气。由于以液态来贮 存和运输天然气具有很高的经济性、灵活性等优点，所以液化天然气船在世界天然气 市场起着举足轻重的作用。液化天然气船的设计、建造和营运在国外已经具备很成熟 的技术，而我国在这些方面还一直处于空白。因此，要解决我国能源矛盾突出的问题， 应该大力发展液化天然气船技术。现如今其关键技术主要集中在液货舱围护系统结构 及其绝热性能上。 发展大型、高科技、高附加值船舶已是世界船舶市场竞争的焦点和热点。为此， 我国交通部已把“高技术性能船舶设计制造工程”列为十二大高技术项目之一，并将 l n g 船列为该项目中的主要新船型之一。随着广东l n g 项目的立项与建设，沪东中华 造船厂与法国大西洋公司( g t t ) 合作开始建造l n g 船，可以预见在未来的三五年之内， 我国也将拥有自己的l n g 船和船队。这将结束我国没有l n g 船的历史，l n g 船的发展 前景十分广阔。 面对即将到来的大规模l n g 海上运输形势，如何提高从事l n g 船舶管理人员的技 术水平，加强对他们的培训对于保障l n g 船舶运输的安全性显得非常迫切和重要。但 是目前国内尚未开发出相应的应用软件和仿真系统来进行这方面的工作。因此基于这 种考虑，本文针对液货舱的绝热技术和传热计算做了部分基础性的研究。 在本文中，首先介绍了液化天然气的特性和液化天然气船的应用发展概况、技术 特征以及开发重点。对l n g 船两种典型的液货舱系统从结构、构造材料、焊接性能、 绝热材料性能等方面作了详细的叙述和对比，并对两种新型的绝热技术作了简单的介 绍；其次，对液货舱的传热进行了详细的定性分析，利用传热学基本理论重点针对 m o s s 型液货舱做了传热计算，得到了液货舱热负荷、蒸发率、绝热层厚度等参数的 计算值，通过和实船设计值的验证表明采用的分析方法正确可行；接着，对m o s s 型 液货舱在装载条件下支撑裙的温度场和热流密度分布做了理论推导，结合计算结果提 出了减少支撑裙漏热的措施；在对预冷过程进行传热分析时，根据船舶在卸完货后舱 内的气体状态，结合前一章的分析建立了舱内气体温度和压力在预冷过程前后随时间 变化的数学模型，通过计算得出了船舶在空载航行时舱内温度和压力与时间之间的关 上海海事大学硕士学位论文液化天然气船渡货舱绝热技术及转热计算分析 系，并对计算结果与实船记录值做了比较分析，阐述了误差产生的主要原因。最后根 据计算结果提出了l n g 船的预冷方案。 本文的研究工作对l n g 船的设计以及l n g 船在实际营运中进行预冷的操作、培训 和仿真研究提供了理论上的依据。对提高l n g 船的营运经济性和安全性具有一定的指 导和参考意义，并将对我国l n g 船技术的发展起到积极的促进作用。 关键词：液化天然气船液货舱绝热技术传热计算 i i 上海海事大学硕士学位论文液化天然气船液货舱绝热技术及传热计算分析 a b s t r a c t a si sn o ww e l lk n o w n ，l i q u e f i e dn a t u r a lg a si sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e da t p r e s e n ta sak i n do fh i g hc a l o r i f i cv a l u ea n dc l e a ne n e r g ys o u r c e ，i nr e c e n ty e a r s ， p e o p l eb e g i nt oa t t a c hi m p o r t a n c e t ot h ee x p l o i t a t i o na n du s i n go ft h en a t u r a lg a s ， b e c a u s eo ft h ei m p a c to fp e t r o l e u mc r i s i sa n di n c r e a s i n g l ys e r i o u se n v i r o n m e n t i s s u ec a u s e db yc o a la n dp e t r o l e u m s o m ed e v e l o p e dc o u n t r i e sh a v er e g a l e dt h e n a t u r a l g a s a sas o r to fi m p o r t a n t l ys t r a t e g i cs u b s t a n c e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fn a t i o n a le c o n o m yi nc h i n a ，t h ed e m a n do fn a t u r a lg a s i si n c r e a s i n gs t e a d i l y w e m u s ti m p o r ta g r e a td e a l o fl i q u e f i e dn a t u r a lg a sf o rl a c ko fe x i s t i n go u t p u ti n d o m e s t i cm a r k e t t h el i q u e f i e dn a t u r a lg a sc a r r i e rp l a y sv e r yi m p o r t a n tr o l ei nw o r l d n a t u r a lm a r k e tb e c a u s ei tp o s s e s s e st h em e r i to fv e r yh i g he c o n o m ya n da g i l i t y p r o p e r t y i nt h e p r o c e s s o f r e s e r v i n g a n dt r a n s p o r t a t i o ni n l i q u i d s t a t e t h e t e c h n i q u e o f d e s i g n ，b u i l da n do p e r a t i o n o ft h el i q u e f i e dn a t u r a lg a sc a r d e ra r ev e r y m a t u r ea b r o a d h o w e v e nt h i sa s p e c ti no u rc o u n t r yi sb l a n k s o 。w em u s tp a ym o r e a t t e n t i o nt od e v e l o pt h et e c h n i q u eo fl i q u e f i e dn a t u r a lg a sc a r r i e r i t sk e yt e c h n i q u e m o s t l yf o c u s o nt h es t r u c t u r eo fc a r g ot a n ka n dh e a ti n s u l a t i o np o p e 竹a f p r e s e n t d e v e l o p i n gt h el a r g es h i p sw i t hh i g h - t e c ha n dh i g h a d d e d - v a l u eh a sb e c o m e t h ef o c u sa n dh o t - s p o to ft h ew o r l d s h i pm a r k e tc o m p e t i f i o n t h em i n i s t r y o f c o m m u n i c a t i o no ft h e p e o p l e sr e p u b l i co f c h i n ah a sr a n k e dt h ep r o j e c t ”d e s i g n i n g a n dm a k i n ge n g i n e e r i n go fs h i p sw i t hh i g ht e c h n i q u ea n dp e r f o r m a n c e 。a so n eo f t h et w e l v el a r g ee n g i n e e r i n gp r o j e c t sw i t hh i g ht e c h n i q u e ，a n dr a n k e dt h el n g c a r r i e ra so n eo ft h en e wt y p e a st h el n gp r o j e c to fg u a n g d o n gi s p u ti n t o p r a c t i c e h u d o n gc h i n as h i p y a r db e g i n st ob u i l dl n g c a r r i e rw i t ht h eh e l po fg t t c o m p a n y i nf r a n c e i ti sv e r yc l e a rt h a to u r c o u n t r y w i l lh a v el n gc a r r i e ra n do w n l n gf l e e ti n f o r t h c o m i n g3 - 5y e a r s t h i sw i l l e n dt h eh i s t o r yo fh a v i n gn ol n g c a r r i e r si nc h i n a ，t h ed e v e l o p m e n t f o r e g r o u n di sv e r yp r o s p e c t i v e i ti sv e r yp r e s s i n ga n ds i g n i f i c a n tf o rt h es a f et r a n s p o r t a t i o no ft h el n gc a r r i e r t h a th o wt oi m p r o v et e c h n i c a ll e v e lo fl n gc a r r i e rs e a m e na n de n h a n c et r a i nf o r t h e mi nt h ef a c eo ff o r t h c o m i n gm a s s i v em a r i n et r a n s p o r t a t i o n h o w e v e r , r e l e v a n t a p p l i e ds o f t w a r ea n d s i m u l a t i o ns y s t e ma r en o tt a p p e da tp r e s e n ti nc h i n a b a s e d i i i 上海海事大学硕士学位论文 液化天然气船液货舱绝热技术及传热计算分析 o nt h ec o n s i d e r a t i o n ，t h e p a p e ri sd e a l i n gw i t hp a r t i a l b a s i cs t u d yo nt h eh e a t i n s u l a t i o nt e c h n i q u ea n dh e a t - t r a n s f e rc a l c u l a t i o n f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r o p e r t yo ft h el n ga n dt h ea p p l i c a t i o n ， t e c h n i c a lc h a r a c t e ra n d s t u d ye m p h a s e s o ft h el n gc a r d e r s o m ed e t a i l e d d e s c r i p t i o na n dc o n t r a s ta r em a d ea b o u tt w ok i n d so ft y p i c a ll n g c a r r i e r sc a r g o t a n k si nt h ef o l l o w i n ga s p e n s ：s t r u c t u r e m a t e r i a l ，j o i n t i n gc h a r a c t e ra n dh e a t i n s u l a t i o n p r o p e r t ya n ds oo n b e s i d e s ，ab r i e fi n t r o d u c t i o n i sm a d ea b o u tt w o k i n d so fn e w t y p eh e a ti n s u l a t i o nt e c h n i q u e s s e c o n d l y , s o m ed e t a i l e dq u a l i t a t i v e a n a l y s i s i s p r o v i d e d o nt h eh e a t - t r a n s f e ro fc a r g ot a n k 1u s eb a s i ct h e o r yo f h e a t - t r a n s f e rt og i v ead e t a i l e dh e a t - t r a n s f e rc a l c u l a t i o no fm o s s t y p ec a r g ot a n k a n do b t a i nc a l c u l a t i o nv a l u e so fs o m ep a r a m e t e r ss u c ha sh e a ti o a d 。b o i l - o f fr a t e t h i c k n e s so fh e a ti n s u l a t i o nl a ya n ds oo n t h i r d l y , lg i v eat h e o r e t i cs t u d yo nt h e t e m p e r a t u r ea n d h e a tf l o wd e n s i t y d i s t r i b u t i n go f t h es u p p o r t s k i r ta b o u tm o s s t y p e c a r g o t a n ku n d e rt h ec o n d i t i o no ff u l l - l o a da n dp u tf o r w a r dc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e t or e d u c eh e a t q u a n t i t yf r o mo u t s i d ea c c o r d i n g t ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t f o u r t h l y , i m a k eu s eo fc a l c u l a t i o nm e t h o da n dc o m b i n et h ea n a l y s i so fi a s tc h a p t e rt os e t u pm a t h e m a t i cm o d e l sa b o u tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec h a n g e s i nt h ep r o c e s so f p r e c o o l i n ga c c o r d i n gt od e t a i l e dg a sc o n d i t i o ni nc a r g ot a n ka f t e ru n l o a d i n gw h i l e a n a l y z i n gp r e c o o l i n gp r o c e s s a n df i n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt e m p e r a t u r e 。p r e s s u r e i n c a r g ot a n ka n dt i m e i nt h ep r o c e s so fe m p t yl o a d v o y a g e 。la n a l y z et h e c a l c u l a t i o nr e s u l ta n ds e tf o r t hl e a d i n gf a c t o r sc a u s i n ge r r o r f i n a l l y , ib r i n gf o r w a r d l n gc a r r i e rp r e c o o l i n gs c h e m e a c c o r d i n gt oc a l c u l a t i o nr e s u l t s t h i sp a p e rp r o v i d e st h e o r e t i cb a s i sf o rt h ed e s i g no ft h el n gc a r r i e ra n dt h e p r e c o o l i n go p e r a t i o n t r a i na n ds i m u l a t i o ns t u d yi np r a c t i c e i th a s d e f i n i t eg u i d a n c e a n dr e f e r e n c es i g n i f i c a t i o nf o re n h a n c i n gs e c u r i t ya n de c o n o m i cc a p a b i l i t yo fl n g c a r r i e r sm a d n et r a n s p o r t a t i o n i tw i l l p r o m o t et h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n to fl n g c a r r i e ri nc h i n a q i ul i n ( r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i c se n g i n e e d n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rl ip i n y o u k e y w o r d s ：l n gc a r r i e r , c a r g ot a n k h e a ti n s u l a t i o nt e c h n i q u e ，h e a tt r a n s f e r c a l c u l a t i o n 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：呈l 丛 日期： 论文使用授权声明 弘。钲7 ， 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。保密的论文在解 密后遵守此规定。 作者签名：童孽赶导师签名：躯 日期：加只7 厂 上海海事大学硕士学位论文 液化天然气船液货舱绝热技术及传热计算分析 l 长度，m r 半径，m f 面积，m 2 v 舱容，m 3 导热系数，g i i ( m k ) 黑度 m 质量，堙 p 压力，p a q 热流密度，w i m 2 q 热流量，k w c 斯蒂芬一玻尔兹曼常数， 航速，m i s c 。定压比热，克s l k g k r 气体常数，姆芷 主要符号表 f 热力学温度，髟 t 摄氏温度， z 周长，m a 换熟系数，w i ( m 2 k ) j 厚度，m ，太阳辐射强度，w i m 2 g 质量流量，妇j p 密度，姆m 3 只导热形状因子，m 世传热系数，w l ( m 2 s o w l ( m 2 k 4 1k 绝热指数 ，汽化潜热，k j i 姆 c ，定容比热，k j 堙k f孝摩擦系数 上海海事大学硕士学位论文渡化天然气船液货舱绝热技术及传熟计算分析 1 1 课题的提出 第一章引言 作为世界能源三大支柱之一的天然气，是当今世界能源消耗中的重要组成部分， 近几十年来，由于石油危机的冲击和煤炭、石油带来的环境污染问题日益突出，天然 气作为一种高热值、清洁无污染的新型能源，在许多发达国家已经广泛应用于工业生 产和市政民用。而我国虽然拥有丰富的天然气资源，但都与经济发达的地区距离较远。 随着国际能源市场对天然气的需求每年以7 的速度增长，对天然气的开发利用越来 越受到人们的重视。许多国家已经把天然气怍为和石油一样具有战略意义的能源之 一，积极进行产业结构的调整，使得天然气在常规能源消费构成中的比重不断上升。 在发达国家，天然气消费已占到了2 5 左右。目前液化天然气已经成为我国需求量 增长最快的能源产品，年均增长速度达到2 0 。尽管近年来我匡l 液化天然气产量的 年均增长幅度达到1 3 ，仍不能满足市场需求，不得不大量依靠进口，使我国成为 亚太地区最大的液化气买主之一。由于以液态来贮存和运输天然气具有很高的经济 性、灵活性等优点，同时在天然气贸易中又主要依靠海运，所以液化天然气( l n g ) 船 舶得到了飞速的发展。随着中国能源结构的调整，l n g 进口量的大幅度增长，必将进 一步促进我国l n g 船建造和运输业的发展。可见。发展液化天然气的海上运输对于解 决我国能源结构的不合理现象、保护生态环境以及加快国民经济发展具有极其深远的 意义。 然而，解决液化天然气的运输问题，特别是以海运这种方式来实现液化天然气的 运输具有很大的特殊性和难度。由于液化天然气在标准大气压下的沸点低达一1 6 2 ， 仅就运输低温液货这一特点而言，液化天然气船是一种高技术、高难度、高附加值的 船舶。在国外，液化天然气船的设计、建造和营运技术已经相当的成熟。 发展大型、高技术、高附加值船舶业已成为世界船舶航运市场竞争的焦点和热点。 多年来，我国造船界和航运界都一直在关注、酝酿和研讨发展液化天然气运输船的必 要性和可行性。交通部已经把“高技术性能船舶设计制造工程”项目列为十二大高技 术工程项目之一，将l n g 船列为该项目中的主要新船型之。在十五规划中也提出： 远洋、沿海船舶要向大型化、专业化方向发展，重点发展液化气船，特别是液化天然 气船、大型散货船、大型油轮、集装箱船、滚装船。可以预见，l n g 船的发展前景令 人看好。 上海海事大学硕士学位论文 液化天然气船液货舱绝热技术及传热计算分析 中国作为世界上的造船大国，在l n g 船的设计和建造上还一直都处于跟踪和模拟 国外先进技术的阶段。相关的科研院所也只是做了些基础性的理论研究工作。虽然江 南造船集团早在1 9 9 0 年就设计和制造了我国第一艘液化石油气( l p g ) 船，并且到目前 为止已经建造了1 5 艘这样的船舶。但由于液化天然气船的技术要求和建造难度要比 l p g 船高很多，所以至今l n g 船技术在我国还一直是一个空白。现阶段，其关键技术 主要是集中于液货舱的围护系统及其绝热性能上。因为液货舱围护系统结构性能的好 坏直接影响到船舶航运的安全性和经济性。世界上许多l n g 造船企业花费了大量的财 力和物力对液货舱的围护系统进行研究和开发，获得了专利。并得到了广泛的应用， 在l n g 船市场中占据了绝大多数的份额。因此，要使我国的l n g 船技术能达到国际先 进水平并参与国际天然气贸易的竞争就必须对l n g 船液货舱围护系统进行必要的跟 踪研究，为研究开发具有自己专利的l n g 船液货舱围护系统创造条件。鉴于现阶段的 实际，首先我们要做的是：对各类l n g 船液货舱围护系统进行全面、详细、深入的调 查研究，对它们的优缺点和发展前景进行综合分析与比较，结合合作方对于技术转让 的承诺以及我国的具体情况，最后确定引进围护系统的类型 日【2 】【“。 本论文是结合上海市高等学校青年科学基金项目“液化天然气船液货装卸系统的 研究”而立的。作为该项目中的一个组成部分，该课题主要是对l n g 船液货舱的围护 系统从结构、构造材料、焊接性能、绝热性能等几个方面进行了系统分析和比较。并 以m o s s 型球形液货舱作为母船船型对其进行了传热分析与计算，对不同类型绝熟型 式的液货舱热负荷做了定性和定量分析；同时也对波货舱在预冷、装载两种不同的状 态进行了传热分析，从理论上推导出在装载条件下支撑裙的温度场和热流密度分布规 律，得出了在空载航行至预冷结束这一过程中液货舱内气体的温度和压力随时间的变 化关系，并根据计算结果确定了该船的预冷方案。 1 。2 国内外相关研究综述 国外少数发达国家已经具备了很成熟的设计、建造l n g 船技术。并凭着其技术上 的优势在国际l n g 市场占据了一席之地，拥有了自己的l n g 船队。目前，国外三大液 货舱设计制造厂商都致力于提高l n g 船营运的安全性和经济性研究。然而，我国对 l n g 船的核心技术即液货舱围护系统的设计与建造还处于非常落后的水平。所以，至 今为止我国航运业还没有经营和运输l n g 的实践经验，无一艘l n g 船，国内对l n g 的生产、贮运还都处于空白。但是上海交通大学在液化天然气的基础研究方面做了许 多工作，主要有两部分：即天然气液化流程的热力研究和l n g 的贮存非稳定性研究。 上海海事大学硕士学位论文 渡化天然气船渡货舱绝热技术及传热计算分析 具体内容为混合物的热物性计算、混合制冷剂循环天然气液化循环( m r c ) 典型流程的 全面系统热力学分析、流程的系统模拟和优化、l n g 迁移特性的理论研究和l n g 分层、 涡旋传热传质的数值研究。部分成果已经形成了计算软件，能获得l n g 在任何状态下 的各迁移特性数值。特别值得注意的是，对储存侧壁和底部同时有漏热情况下l n g 的分层演化进行了数值模拟，这是非常具有开创性的工作【5 】。 多年来，我国造船界和航运界一直在关注、酝酿、研讨发展l n g 船的必要性和可 行性。造船部门已经将这种船型纳入了高科技发展规划。国家科技攻关计划也列入了 这一项目。1 9 8 8 年，广东省石油化工供销公司率先委托中国船舶及海洋工程研究院 设计了一艘3 0 0 0 m 3 压力式液化石油气( l p g ) 船。1 9 9 0 年，这艘船在江南造船厂建 造成功并交付使用，这是我国建造的第一艘l p g 船。之后不久，在上海由中外合资办 起了专业制造液化气罐和液化气运输船的厂家，并制造出了4 5 0 0 肌3 的冷压式l p g 船。 从2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代末，已经先后建造了1 5 艘液化石油气船。应该说，我 国还是具备了建造l n g 船的基本技术和工艺的。另外，沪东中华造船集团早在1 9 9 7 年就已经为研发建造l n g 船项目开展了前期准备工作，对关键技术进行预研。去年便 完成了对l n g 船船型、液货舱舱型的论证工作。编制了l n g 船总体规划及关键技术实 施方案。同年又成功的制造了l n g 船液货舱模拟分段，通过制作实践令建造技术渐趋 成熟，模拟舱的质量已经成功通过了英国劳氏船级社、美国船级社以及法国船级社的 认证嘲嗍【9 】。该公司已经打算三年后建造我国第一艘l n g 船，并藉此打入国际市场。 1 9 9 9 年年底，国家计委批准了广东l n g 试点工程总体项目一期工程正式立项。广东 l n g 接收站选址在深圳大鹏湾半岛的坪头角。2 0 0 0 年8 月，由中国海洋石油总公司牵 头的中国第一个进口液化天然气项目一广东l n g 接收站和输气干线项目在北京举行 了招商新闻发布会。同时我国已经开始研究对俄罗斯天然气的引进利用和珠江三角洲 等地区利用l n g 的可行性。并且随着广东省l n g 站线项目合作伙伴的正式确认，可以 预见在未来几年对内l n g 船舶的需求将会更加迫切，因此拥有大规模的l n g 船队，对 于发展我国l n g 的贮运技术、缓解部分城市能源紧张的问题将起到关键作用。 1 3 本课题要解决的主要问题意义及研究方法 1 3 1 本课题要解决的主要问题及意义 在l n g 链中，天然气的低温液化和l n g 的低温贮运是两个主要环节。而对于l n g 的低温贮运这一环节，l n g 船围护系统的绝热性能极为重要。l n g 船的液货舱结构型 式是总体设计中首要的关键问题，液货舱结构型式设计的好坏，直接影响到船舶运输 4 上海海事大学硕士学位论文 液化天然气船液货舱绝热技术及传热计算分析 的安全性和经济性。 鉴于此，本课题所要解决的主要问题包括： 1 对两种典型的液货舱结构型式从绝热性能和绝热技术上进行对比分析，找出 它们的优缺点。这对于我国引进合适的液货舱围护系统具有重要的参考价值。 2 对m o s s 型球形液货舱进行传热分析计算。从理论上推导出计算液货舱热负荷、 蒸发率、平均传热系数、绝热层厚度等参数的方法。并用设计值对计算结果进行验证。 该分析方法对于实船的设计和建造具有一定的指导作用。 3 对于m o s s 型球形液货舱来说，其支撑裙部的漏热量在液货舱的总漏热量中占 有较大的比例。求解支撑裙部的温度场和热流密度分布规律，这对于减少支撑裙部的 漏热量和热应力具有重要意义。作为本课题的重点，分析了在卸货完毕到预冷结束的 过程中，液货舱内的温度和压力随时间变化的关系。这可以为在实船或者模拟器上实 现对液货舱内温度和压力的自动监控、仿真以及制定合理的预冷方案提供理论依据。 1 3 2 本课题采用的研究方法 对于问题1 ，主要是用对比的方法来分析g t t 型和m o s s 型球形液货舱的结构型 式。从建造材料、绝热类型、焊接性能等多个角度来进行阐述。 对于问题2 。通过以日本长崎造船厂设计制造的1 2 5 0 0 0 m 3 “l n gv e s t a ”船的 m o s s 型球形液货舱作为母船型。以它的n o 2 液货舱为研究对象，在一定假设条件下， 对其进行了传热分析，得出了计算液货舱热负荷、蒸发率、平均传热系数、绝热层厚 度的方法，并用实船设计数据进行了对比分析。 对于问题3 ，同样是采用该母型船的n o 2 液货舱为研究对象。采用理论推导和 数学建模的方法，利用传热学的基本理论，重点对预冷过程前后液货舱进行了热力研 究，将液货舱内温度变化过程分成两个部分，分别求解了这两个过程中液货舱内气体 温度压力与时间的变化关系。 鉴于国内在该领域的研究工作尚处于初级阶段以及实验条件的缺乏，故本课题主 要进行理论上的分析计算。 上海海事大学硕士学位论文 液化天然气船液货舱绝热技术及传热计算分析 第二章液化天然气及液化天然气船综述 2 1液化天然气的定义及其特性 天然气在标准大气压下，冷却至约一1 6 2 4 c 时，由气态转交为液态，称为液化天 然气( l i q u e f i e dn a t u r a lg a s ，缩写为l n g ) 。l n g 无色、无味、无毒且无腐蚀性，其 体积约为同量气态天然气体积的1 6 2 5 ，l n g 的重量仅为同体积水的4 5 左右，其热 值为5 2 m m b t u t ( 1 蝴b t u = 2 。5 2 1 0 8 c a l ) 。 天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性，主要成分是甲烷，也包括一定量的乙烷、 丙烷和重质碳氢化合物，还有少量的氮气、氧气、二氧化碳和硫化物。此外，在天然 气管线中还发现含有水分。 。 与其他化工燃料相比，天然气燃烧时仅排放少量的二氧化碳粉尘和极少量的一氧 化碳、碳氢化合物、氮氧化物。因此，天然气是一种清洁的能源。 作为天然气主要成分的甲烷，它本身是一种无毒可燃的气体。它的主要物性和特 性如表2 1 和图2 1 所示。 表2 1甲烷的主要物性 分子量 1 6 0 4 3 正常沸点 1 1 1 8 芷 三相点温度 9 0 6 置 汽化潜热1 2 1 7 5 k c a l k g 临界点温度1 9 0 7 k 临界压力4 5 6 护打 临界密度1 6 2 k g m 3 液体密度4 2 6 k g m 3 纯净的l n g 是无色、无味、无毒和透明的液体，比水轻，不溶于水。当其蒸汽温 度高于一1 1 0 时，比空气轻，货物泄漏时蒸气往上升，易于扩散，因此发生爆炸的 危险性相对l p g 较轻。它的化学性质稳定，与空气、水及其他液化气货品在化学上相 容，不会引起危险反应( 与氯可能有危险反应) 。l n g 液体会使得眼睛和皮肤严重冻 伤，高浓度的蒸气会使人晕眩困倦，可能会造成空间缺氧而使人窒息。 6 上海海事大学硕士学位论文液化天然气船液货舱绝热技术及传热计算分析 9 44 j i j f 毛 t 一 & - i - i ? ol 砷* 1 5 01 蚰- 1 3 0 - 1 2 01 1 0 q 援 0 、 ? ； 。 l 卜 。f 遗 7 、八 二一一 ， ， i f i 土一 3 0 孙 2 2 图2 1 甲烷的特性 由于l n g 属于混合物，货品的成分不同会影响它的理化性质，运输时须向货主索 取有关数据和建议。以下是典型的商业l n g 的部分数据： ( 1 ) l n g 的沸点在标准大气压条件下约为一1 5 7 。c 一1 6 3 c ，而纯甲烷的沸点为 一1 6 1 5 。 ( 2 ) l n g 在大气沸点温度下的密度：4 7 0 5 3 0 七g m 3 ，甲烷在大气压沸点温度下 的密度为4 2 7 幻卅3 。 ( 3 ) l n g 蒸气的相对密度0 5 8 0 6 7 ，纯甲烷蒸气相对密度为0 5 5 。当温度降低 时，蒸气的相对密度增大。当温度低于一1 1 3 c 时，甲烷蒸气比空气重；当温 度高于一1 1 0 时，甲烷蒸气比空气轻。 ( 4 ) 爆炸极限：纯甲烷是5 3 1 4 。 ( 5 ) 自燃温度：纯甲烷是5 9 5 。闪点：纯甲烷闪点为一1 7 5 c 。 ( 6 ) 体积膨胀系数：纯甲烷为0 0 0 2 6 c ( 在温度为一1 6 5 时) 。 7 一黔 ”r 卜l 啪 m m n _ m 帅 i 曼 眦 竹 瓜矿 上海海事大学硕士学位论文 液化天然气船液货舱绝热技术及传热计算分析 2 2 气体液化的主要方法 一般来说，气体液化的目的，主要在于压缩体积，加大密度，增大装载量。因为 在常温、常压下的气体状态运输需要庞大的运输设备，这既不方便又不经济。因此， 为了能装载并运输更多的气体货物，常采用如下四种方法处理： 使之溶解于液体( 如水等) 中： 使之变为压缩气体： 使之变为液化气； 使之变为冷却固体。 经上述处理后，实际上为液体货物，即是化学品运输船的对象；而用方法、 ，很不经济。因此，只有采用方法，即设法将气体物质液化，使之体积缩小，增 大密度并贮藏运输。甲烷液化后的体积仅为气态时的1 6 2 5 ，乙烷为1 4 0 6 ，丙烷为 1 2 6 0 ，而丁烷则为1 2 3 0 。实践证明，将气体液化后进行运输既经济又安全，同时 在技术上，该方法也已十分成熟。任何气体的液化都要除去显热和潜热两部分。根据 热力学的熵增原理，一个合理的低功耗的制冷循环应尽可能在不同的温度位分级取出 热量。 压 力 | 髟 7 高温 1，i 瞻舅是，饪唐 f镕 气态 液烈 慕|i ， 蕊 ， ， j t 、 ，相j 9 辱弋 、 f 液态一气态转j奂 图2 2 典型的气体压力一体积一温度的关系 上图2 2 表示典型的气体压力一体积一温度的关系，是专门用来描述气体液化特 性的。 该图表明其它存在的状态取决于所处的压力和温度。高温时( 图中右面的等温线) ， 气体是气态的。相反在图中左面的曲线上，气体则是液态的。因此，气体液化有三种 上海海事大学硕士学位论文 液化天然气船液货舱绝热技术及传热计算分析 基本方法，即加压法、制冷法或两者并用。目前天然气液化采用的主要循环过程有： 1 ) 串联蒸发冷凝循环 它的原理是以单独组分，即丙烷、乙烯( 或乙烷) 和甲烷等制冷剂组成阶式循环， 使整个制冷循环的不可逆损失降低。 2 ) 混合制冷剂循环( m r c ) 其原理与串联蒸发冷凝循环相同，但采用的制冷剂是由c i c ；的碳氢化合物及氮 等五种以上多组分混合制冷荆，进行逐级冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度位的制 冷量，既达到类似串联蒸发冷凝循环的目的，又克服了串联蒸发冷凝循环压缩机型号 多的缺点。 3 ) 膨胀机循环 其原理是以一台或多台膨胀机对外作功，以产生在一个或多个温度位所需的冷量。 2 3液化天然气船的应用发展及其技术特征 液化天然气船( l i q u e f i e dn a t u r a lg a sc a r r i e r ) 是为载运在标准大气压下沸 点为一1 6 2 的大宗液化天然气货物的专用船舶。这类船舶目前的标准载货量在1 2 1 3 万3 之间。一般它们在2 5 3 0 年船龄期内，从事专门的航行计划。 1 9 5 4 年，美国开始研究l n g 船，而真正形成工业规模的天然气液化和海上运输， 则始于1 9 6 4 年。到了2 0 世纪7 0 年代，进入大规模发展阶段，各国建造的l n g 船也 越来越大。目前，一些发达国家已经能设计出1 6 万、2 0 万聊3 ，甚至3 0 万m 3 的l n g 船。但从今后几年来看，由于受到港口水深的限制，l n g 船的舱容量可能会稳定在十 几万m 3 的水平上。 1 9 6 9 年，全世界营运的l n g 船只有5 艘，合计装载量约为8 5 万m 3 。到了9 0 年代末，法国、美国、日本、韩国和挪威等1 0 个国家具备了建造l n g 船的能力，主 要建造国是法国、美国、日本。随着世界l n g 贸易量的增长，l n g 船的数量已由1 9 8 0 年的8 艘增加到2 0 0 2 年6 月份的1 2 9 艘。舱容量由1 9 7 0 年的2 6 8 万m 3 增加到2 0 0 2 年的1 2 7 0 万聊3 。其构成如表2 2 所示。在建造的l n g 船中，法国、美国、日本这三 国占世界总数的7 0 。在2 0 0 2 年后竣工的l n g 船达到5 6 艘，其中3 7 艘( 占6 6 ) 由韩国建造，1 5 艘( 占2 7 ) 由日本建造。据统计，全世界的l n g 船到2 0 0 3 年将增 加到1 6 0 艘，合计装载量将达到1 8 5 2 2 万删3 。根据权威机构评估，增长的l n g 贸易 需要在2 0 0 5 年前建造3 4 8 艘新船。在2 0 1 0 年前，还需要再加入8 6 2 艘l n g 船。 因此，2 0 0 5 年l n g 船会达到1 4 0 1 8 5 艘，2 0 1 0 年将至1 4 8 2 4 7 艘。 上海海事大学硕士学位论文液化天然气船液贷舱绝热技术及传热计算分析 表2 2 世界l n g 船舶统计表( 截至2 0 0 0 年底) 7 1 舱容( m 3 )数量( 艘)总装载量( 埘3 ) 5 0 0 0 0 以下 1 55 0 0 0 7 6 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 01 61 1 5 9 5 6 2 1 0 0 0 0 0 以上 9 61 2 7 3 4 4 1 1 合计 1 2 713 5 6 9 0 4 9 由于液化天然气船所运输的货物具有低温、高压、易燃易爆、易腐蚀、易发生化 学反应等特性，所以建造液化天然气船在材料、设备、工艺技术上除了要满足一般的 国际规范外，还必须符合国际液化气和化学品装运的特殊要求。一般建造一艘液化天 气船大约需要三年，建造周期是油船或散货船的两倍。一艘标准的l n g 船( 1 2 5 0 0 0 m 3 ) 需要花费1 5 亿到2 亿美元。综合起来，液化天然气船的技术特征主要表现为以下两 个方面9 l ： 1 液货舱的围护系统是由液货舱的主屏壁和次屏壁，绝热层以及壁间空间和支 撑结构组成，该围护系统对液货舱能起到防护作用。鉴于l n g 特殊的理化性质，液货 舱的围护系统及其相关设施长期处在低温条件下运行。这对它们的保冷、材质、防渗 漏等诸方面要求极高。特别是液货舱的双重屏壁及其绝热系统的设计、制造技术复杂， 难度大。可以看出，液化天然气船是一种高科技、高含量、高附加值的船舶。 2 液货舱必须要有非常良好的绝热性能。若有相当的漏热进入，则容易产生蒸 发气(