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新独立B型液化天然气船模拟舱蒸发率测试

新独立B型液化天然气船模拟舱蒸发率测试,为了研究新独立B型液化天然气船绝热结构的低温性能,以体积47 m,绝热层厚度400mm的新独立B型液化天然气船模拟舱围护系统为研究对象,采用气体质量流量计法对模拟舱进行蒸发率测试,并通过绝热结构内的温度传感器得到低温下模拟舱的温度分布。随后通过建立修正公式将模拟舱的液氮蒸发率转换为实船工况下的LNG蒸发率。最终通过误差分析与计算表明,新独立B型天然气船模拟舱围护系统的绝热性能达到实船日均蒸发率O.1%/d的设计要求。
1引 言
液化天然气(LNG)船是国际间进行天然气贸易的主要运输工具,其核心部件为存储液化天然气(一162 oC)的液货舱围护系统。在航行时,LNG船液货舱内与外界环境的巨大温差会使冷量不断从液货舱内流入外界环境,致使液货蒸发损失,因此液货舱蒸发率的大小是衡量LNG船性能优劣的最重要指标之一,其反映了LNG船的保冷能力。相关学者¨41在LNG船温度场及蒸发率方面已有较多理论研究,但实际试验数据极少。因此为了进一步研究LNG船蒸发率,需要对新型LNG船的液货舱围护系统进行蒸发率测试。
2试验对象及目标
试验对象为体积47.823 m3的新独立B型LNG船模拟舱围护系统,以下简称模拟舱,意在通过试验获得其额定充注率下的蒸发率数据和模拟舱相应部位的温度分布,并将模拟舱蒸发率转换为实船相应工况下的蒸发率,以检验新独立B型LNG船的绝热结构设计是否达到日均蒸发率0.1%/d的设计要求。其中模拟舱围护系统参考由沪东中华造船(集团)有限公司设计的新独立B型LNG船上位于中间部位的液货舱围护系统设计,并按照l:l 000体积比例缩小建造而成,其绝热层结构设计及绝热材料均与实船相同。
3蒸发率定义及测试方法
参考国标∞1中对于绝热深冷设备性能测试方法的相关规定,模拟舱的蒸发率可定义为,在模拟舱内液货体积达到额定充注率的条件下,将其静置48小时达到热平衡后,测量24小时内模拟舱自然蒸发损失掉的液货质量与模拟舱额定充注率下液货总质量的百分比,并转换为标准状况下(20 oC,101.325kPa)。目前测试低温液体蒸发率主要采用的试验方法
分有:流量计法,液位差法,称重法和自然升压法。为了得到较为准确的蒸发率实验数据,采用流量计法对模拟舱进行蒸发率测试。流量计法是指通过采用气体质量流量计测量单位时间内模拟舱内液货蒸发后通过质量流量计的气体质量流量,通过测出的气体累积质量流量计算蒸发率,计算公式为: a:哗×100% 将通过上述公式计算得到的蒸发率转换到标准状况下,即得出模拟舱标准状况下的蒸发率。计算公式为:
h 20一T3 ,,、、“2。2 a×瓦×瓢 ‘z J
式中:Ot为模拟舱蒸发率,%/d;理:。为模拟舱标准状况下的蒸发率,%/d;q。为测试时段内蒸发的氮气的累积质量流量,kg;n为测试时间长度,h;V为模拟舱的有效容积,m3;叼为模拟舱额定充注率,%;h为试验环境压力下液货的汽化潜热,kJ/kg;hk为标准大气压(101.325 kPa)下液货的汽化潜热,kJ/kg;T.为试验时日平均环境温度,oC;T:为试验时模拟舱内液货温度,oC;T3为标准大气压(101.325 kPa)下液货的饱和温度,℃。由于试验中选择液氮作为液货,在测量蒸发率的过程中舱压接近大气压,考虑到液氮汽化潜热和饱和温度随压力变化很小,可以忽略潜热和饱和温度的差异,取h=hfg,T2=T3=T㈨。
4蒸发率修正及实船蒸发率计算
蒸发率的修正是指将试验中测试得到的模拟舱蒸发率的数据,修正转换为实际工况下新独立B型液化天然气实船的蒸发率,从而得出相当于原设计条件下日平均蒸发率的试验值,以判断绝热结构和绝热材料是否满足原设计要求。蒸发率修正主要分为以下是3个部分:液货物性修正,液货舱三维尺寸修正,和传热边界条件修正。
4.1 液货物性修正
在本次模拟舱蒸发率测试中,选择液氮作为液货,而LNG实船的设计液货为LNG,在不同工况下,液氮与LNG潜热的不同会直接影响蒸发的液氮质量的大小,二者密度的差异也会影响液货总质量的大小,为了计算实船的蒸发率,需要对潜热和密度进行修正,修正公式为:, 凡LN2 Pi.N2 ,¨ R1 2瓦×五 u’
式中:h㈨和h㈨分别为试验工况下液氮的汽化潜热和实船设计工况下LNG的汽化潜热,kJ/kg;P㈨和P呲分别为试验工况下液氮的密度和实船设计工况下LNG的密度,kg/m3。
4.2液货舱三维尺寸修正
模拟舱和实船在三维尺寸方面的差异会导致二者表面积与舱容比不同。表面积即等效换热面积的大小会影响换热量进而影响蒸发率,相同换热条件下,等效换热面积越大,换热量越大,进而导致蒸发率越大;而舱容即为蕞大液货量,因此需要对表面积和体积进行修正,公式为:
k:=石/'1 2 2两×f e面ff×
式中:A。shi9和a。mo吐”和分别为实船与模拟舱的总等效换热面积,m2;V。hip和Vmockop分别为实船与模拟舱的舱容,m3。
4.3传热边界条件修正
在试验工况下,模拟舱内为液氮温度,绝热层外为室温;而实船舱内为LNG温度,绝热层外为空气层的温度。模拟舱与实船的不同换热边界温度条件造成二者总体换热温差的差异,会直接影响液货舱与外界的换热量进而影响蒸发率,因此传热边界条件修正公式为:
甲 一下 k,=等宰 3=1}—;一 (5) (5)』1一』LN 2
式中:T㈣。为设计工况下绝热层外空气层的温度,oC;T呲为设计工况下舱内LNG饱和温度,取一162℃;T:为试验时13平均环境温度,℃;Tm为试验时舱内液氮温度,℃。
4.4 实船蒸发率计算
综合上述修正公式,并引入综合修正系数,可得设计工况下实船的LNG蒸发率,计算公式为:aAcILNG。。l=Ol·k 2a·kl·k2·k3www.ngyibiao.com(6)
5模拟舱低温测试平台
整个模拟舱测试平台由模拟舱和管路系统两部分组成,如图l所示。其中模拟舱部分主要由舱体,绝热层以及安装在绝热层相应部位的温度传感器组成;管路系统主要由流量计,计,低温泵,温度压力传感器以及相关管路和阀门组成。测试系统的主要设备和相应参数见表l。

                       涡轮流量计,气体涡轮流量计,罗茨流量计

                                      表1主要设备参数
   涡轮流量计,气体涡轮流量计,罗茨流量计
5.1 模拟舱绝热结构及温度传感器布置
模拟舱的绝热结构及温度传感器布置图如图2所示。绝热层结构从内而外依次为:舱体,氮气保护层和聚氨酯绝热层。其中舱体材料为九镍钢,氮气保护层厚度为10 mm,绝热层的材料为聚氨酯,厚度为400 mm,绝热块连接处的缝隙由玻璃棉填充,绝热层外层制作高分子增强纤维(FRP)保护层起到固定作用。为得到模拟舱绝热层在低温下不同部位的温度分布数据,考虑到模拟舱结构对称,选择其A,B,C,E,F,G面共6个特征表面的绝热块连接处作为温度测试点,见图3。对于同一测点,在绝热层横截面垂十绝热j
a发f々感器/f 乱鲞鍪盥蕉鎏蕉鉴兰竺:j氮‘i 卜————————————————1L—————————二—丰|}f:c体
图2 绝热结构及温度传感器安装图
直方向,从内到外共布置4个温度传感器,分别安装于舱体外表面,绝热层内表面,绝热层中间和绝热层外层,以测量相应部位的温度。具体安装图可见图2。
5.2模拟舱管路系统
模拟舱的管路系统图如图4所示。在本试验的管路系统中,两台氮气质量流量计用于测量蒸发的氮气累积流量(一用一备);同理,在液氮加注管路CLI和卸载管路CLl 1处各两台液氮体积流量计用制流量;液位计显示液氮加实时监测模拟舱内部
6测试工况及流程
模拟舱蒸发率测试流程分为5个步骤,分别为
(1)氮气置换。打开阀门CLl V,CL3V,CLIOV,CIA3V,CIA5V,氮气经过管路CLl和CLl3进入模拟舱,舱内杂质气体经CL22排出。
(2)模拟舱预冷。启动低温泵,关闭阀门CLIOV,打开阀门CL9V,CL25V,液氮流经管路CLl,CL6,CL7并通过喷淋装置预冷模拟舱。
(3)液氮加注。关闭阀门CL25,打开阀f-i CL24V液氮经管路CLl和CL5进入模拟舱,直到液位计显示液氮充注率达到98%液位高度,停止加注。
(4)蒸发率测试。关闭低温泵,关闭除CL43V,CL45V外的所有阀门,模拟舱静置48小时后,关闭阀f-1 CL43V,打开阀门CL41 V(或CL42V),CL44V,进行蒸发率测试,记录24小时内氮气质量流量计示数,温度传感器示数和舱压示数。
(5)液氮卸载。关闭阀门CL41V(或CL42V),打开阀门CLSV,CL7V,CL23V,CL25V,CL43V,启动低温泵,液氮经管路CL6和CLl 1流出模拟舱。
7蒸发率测试结果
7.1 模拟舱各表面温度分布
模拟舱各表面温度分布如图5所示。从图5a,5b,5c中可知,在测试过程中,各面整体温度趋势十分平稳,绝热层内部温度波动极小,仅绝热层外壁温度有随室温的波动。从图5d中可知,由于未浸没在液氮中,A和E面相同部位的温度均稍高于其他表面,而浸没在液氮中的B,C,F,G面相同部位处温度分布基本相同。
  涡轮流量计,气体涡轮流量计,罗茨流量计
                                  图5模拟舱温度分布
7.2蒸发率结果
首先,为了分析模拟舱蒸发率趋势和温度压力趋势,将24小时均分为6个时段,计算每4小时内的平均温度压力数值和相关蒸发率并绘制成图6。图6a中可见,测试过程中舱内压力呈现轻微先上升后下降的趋势并基本稳定在18 kPa。图6b中可见,随着测试时间的延长,模拟舱标况蒸发率呈现先增大后减小的趋势,其趋势符合温度压力等外部条件变化对蒸发率的影响,而实船LNG蒸发率比较稳定,一直保持在0.1%/d以下。最后,将测试24小时内得到的蒸发率数据汇总分析,通过平均压力和平均温度可以求得平均综合修正系数,以求得模拟舱和实船的平均蒸发率,结果见表。
从表3中的数据可见,本次试验中模拟舱平均标况蒸发率为1.844%/d,转换得到的实船设计工况下的LNG日均蒸发率为0.088%/d,小于并满足日均蒸发率0.1%/d的原设计要求。
8误差分析与结论
8.1 误差分析及计算
在蒸发率测试过程中,通过控制台实现全部数据的自动采集与记录。其中与蒸发率计算相关的数据采集过程为:气体质量流量计测量现场氮气质量流量,然后转换输出4—20 mA电流信号至控制台以显示实时流量。在此过程中会存在两个部分的测量误差:一是气体流量计的测量误差;二是从气体质量流量计到控制台的信号传输误差。前者属于未定系统误差,用e。表示;后者属于已定系统误差,用E。tra”表示。流量计的未定系统误差可根据其满量程精度计算,结果为:
e9。=/1,X 6%×A=24 X 1.5%×50 kg/h=18 kg(7)
式中:n为测试时长,h;6为设备的精度等级;A为气体质量流量计满量程,kg/h。信号传输的已定系统误差E。tra”可以在记录测试前后流量计仪表箱上累积流量g≯‘与控制台上累计流量q。后通过代数运算得到,结果为:
E,Ir。a”=∥m”一q。=684.23—690.15 kg=一5.92 kg(8)
根据系统误差成定律"1,总系统误差△g。为已定系统误差与未定系统误差之和,即
』 m△g。=△:=∑E。±∑勺=l。1 J21E。tr。a”±P。。=一23.92—12.08 kg (9)
消除系统误差后,可得实船LNG蒸发率真实值范围为:。L。NCt?=n眦actualwww.ngyibiao.com…2 n X f唑1: I竺—=I_ 、 q。 ,(0.084 9--0.089 5)%/d<0.1%/d (10)
考虑试验误差后计算得到的实船LNG蒸发率值仍然满足日均0.1%/d的设计要求。
8.2 结 论
在本次蒸发率测试中,得到了模拟舱绝热层的温度分布数据,并通过流量计法测量得出模拟舱标况蒸发率为1.844%/d,经转换修正后得到的实船日均LNG蒸发率为0.0880%/d。随后经过误差分析计算表明实船LNG蒸发率的真实值范围仍然低于0.1%/d,因此可以认为新独立B型液化天然气船的绝热层性能满足蒸发率0.1%/d的原设计要求。

 

点击次数:  更新时间:2019-01-06 16:16:38  【打印此页】  【关闭