ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2023-23-3-659-667ntv-44Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONМетод моделирования резервуаров сжиженного природного газа типа С на основе оптимизации объема для будущей эксплуатации в режиме частичного заполненияMethod of type-C liquefied natural gas tank modeling based on volume optimization for future “milk-run” exploitationhttps://orcid.org/0000-0002-6916-7154ИвановЛ. В.IvanovL. V.

Иванов Лев Владимирович — инженер 

sc 57216964617 

Санкт-Петербург, 197101 

Lev V. Ivanov — Engineer 

sc 57216964617 

Saint Petersburg, 197101 

levladiv@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9263-8153БарановА. Ю.BaranovA. Yu.

Баранов Александр Юрьевич — доктор технических наук, профессор, руководитель департамента; профессор

sc 57191032604 

Санкт-Петербург, 197101;  Санкт-Петербург, 197375 

Alexander Yu. Baranov — D.Sc., Professor, Head of Research Department

sc 57191032604 

Saint Petersburg, 197101;  Saint Petersburg, 197375 

abaranov@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7100-6635НовицкаяА. В.NovitskayaA. V.

Новицкая Анна Владимировна — кандидат технических наук, преподаватель

sc 57211850010 

Санкт-Петербург, 197101 

Anna V. Novitskaya — PhD, Lecturer 

sc 57211850010 

Saint Petersburg, 197101 

vasilenok_anna@itmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationУниверситет ИТМО ; Научно-производственное предприятие «КРИОН»РоссияITMO University ; R&D KRION LLCRussian Federation202311122024233659667Copyright © Иванов Л.В., Баранов А.Ю., Новицкая А.В., 20242024Иванов Л.В., Баранов А.Ю., Новицкая А.В.Ivanov L.V., Baranov A.Y., Novitskaya A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/44

Введение. Распространенные на практике методы проектирования танков для транспортировки сжиженного природного газа не учитывают специфики эксплуатации танкеров-газовозов при частичном заполнении криогенных резервуаров. Предложен новый метод проектирования судовых танков типа С, основанный на решении задачи увеличения объема перевозимого сжиженного природного газа речными малотоннажными речными танкерами. Метод основан на применении ряда ограничительных параметров: минимального допустимого времени бездренажного хранения криопродукта, допустимых значений осадки судна и реальной продолжительности переходов между соседними потребителями. Выполнена оптимизация типа, формы, толщины стенок и теплового ограждения криогенного танка. Метод. Предложенный метод направлен на увеличение использования габаритов корпуса судна. Это достигается изменением диаметра, расстояния между центрами двудольного танка, толщины изоляции и максимально допустимого давления. Увеличение объема танка обеспечено согласованием таких параметров, как максимально допустимая осадка судна, минимальное время бездренажного хранения и время бездренажного хранения при различном начальном уровне заполнения. Расчет времени бездренажного хранения определен условиями эксплуатации резервуаров типа С. Расчет подвода тепла к резервуару учитывает площадь контакта сжиженного газа и его паров со металлическими стенками резервуара. В расчетах не принимается допущение о тепловом равновесии между жидкой и паровой фракциями, что приводит к необходимости учета теплопередачи от пара к жидкости. Основные результаты. Реализация метода показана на примере расчета танков для судов типа река–море. Показано, что оптимизации параметров резервуаров в соответствии с предложенными критериями может привести к увеличению объема перевозимого природного сжиженного газа более чем на 4 %. Обсуждение. Метод может найти применение при разработке новых и модернизации существующих проектов судов для перевозки сжиженного природного газа, работающих в водных бассейнах рек Лена и Енисей Восточно-Сибирского региона. Описанный метод может быть использован при проектировании автомобильных и железнодорожных цистерн, а также стационарных малогабаритных цилиндрических цистерн для транспортировки и хранения сжиженного природного газа.

Common practice methods of tank design for transportation of liquefied natural gas don’t take into account the specifics of the gas carriers operation under the condition of partial filling of cryogenic tanks. A new method for designing of type-C tank is proposed. Method is based on solving the problem of increasing the volume of transported liquefied natural gas by small-scale inland carriers. The method is based on usage of a number of limiting parameters: minimal allowable ventless operation time, allowable values of the ship’s draft, and the actual duration of voyages between neighboring consumers. The method allows optimizing type, shape, wall thickness, and heat insulation thickness of cryogenic tank. The proposed method is aimed at enlargement of usage of the ship’s hull dimensions. This is achieved by changing the diameter, the distance between centers of the bi-lobe tank, the thickness of the insulation, and the maximum allowable working pressure. An increase in the volume of the tank is achieved by coordination such parameters as the maximum allowable draft of the vessel, the minimum time of ventless storage, and the time of ventless operation under partial filling conditions. The calculation of the ventless operation time is determined by the operating conditions of type-C tanks. The calculation of the heat ingress into the tank takes into account the contact area of liquefied gas and its vapors with the metal wall of the tank. The calculations do not take into account the assumption of thermal equilibrium between the liquid and vapor fractions, which leads to the need to take into account heat transfer from vapor to liquid. The implementation of the method is shown on the example of the modeling of the two-way river-sea type vessel. It is shown that optimization of tank parameters in accordance with proposed criteria can lead to an increase in the volume of transported natural gas by more than 4 %. The method can be used in the development of new and modernization of existing vessel projects to transportation of liquefied natural gas operating in water basins of Lena and Yenisei rivers in the East Siberian region. The described method can also be used in the design of road and rail tanks as well as smallscale bullet tanks for liquefied natural gas.

проектирование криогенного танкатанки типа Счастичное заполнениеоптимизация танкаречной газовозмалотоннажный газовозсжиженный природный газбездренажное хранениеcryogenic tank designtype-C tankpartial fillingtank optimizationinland carriersmall-scale tankerliquiefied natural gasventless operationReferencesLee S., Seo Y., Lee J., Chang D. Economic evaluation of pressurized LNG supply chain // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2016. V. 33. P. 405–418. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2016.05.039Lee S., Seo Y., Lee J., Chang D. Economic evaluation of pressurized LNG supply chain. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2016, vol. 33, pp. 405–418. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2016.05.039Knizhnikov A.Yu., Klimentiev A.Yu. Perspective and opportunities of usage of LNG in arctic regions of Russia // Conference WWF View Russia, Feb. 2018, Moscow.Knizhnikov A.Yu., Klimentiev A.Yu. Perspective and opportunities of usage of LNG in arctic regions of Russia. Conference WWF View Russia, 2018, Moscow.Иванов Л.Е., Баранов А.Ю. Анализ технических и логистических решений, применяемых при транспорте спг малотоннажными газовозами // Газовая промышленность. 2021. № 4(815). С. 80–86.Ivanov L.V., Baranov A.Yu. Analysis of technical and logistic solutions used in the inland transportation by small-scale LNG carriers. Gas Industry, 2021, no. 4(815), pp. 80–86. (in Russian)Budiyanto M.A., Pamitran A.S., Yusman T. Optimization of the route of distribution of LNG using small scale LNG carrier: a case study of a gas power plant in the Sumatra region, Indonesia // International Journal of Energy Economics and Policy. 2019. V. 9. N 6. P. 179–187. https://doi.org/10.32479/ijeep.8103Budiyanto M.A., Pamitran A.S., Yusman T. Optimization of the route of distribution of LNG using small scale LNG carrier: a case study of a gas power plant in the Sumatra region, Indonesia. International Journal of Energy Economics and Policy, 2019, vol. 9, no 6, pp. 179– 187. https://doi.org/10.32479/ijeep.8103Budiyanto M.A., Riadi A., Sumanta Buana I.G.N., Kurnita G. Study on the LNG distribution to mobile power plants utilizing small-scale LNG carriers // Heliyon. 2020. V. 6. N 7. P. e04538. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e04538Budiyanto M.A., Riadi A., Sumanta Buana I.G.N., Kurnita G. Study on the LNG distribution to mobile power plants utilizing small-scale LNG carriers. Heliyon, 2020, vol. 6, no. 7, pp. e04538. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e04538Strantzali E., Aravossis K., Livanos G.A., Nikoloudis Ch. “A decision support approach for evaluating liquefied natural gas supply options: Implementation on Greek case study” // Journal of Cleaner Production. 2019. V. 222. P. 414–423. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.03.031Strantzali E., Aravossis K., Livanos G.A., Nikoloudis Ch. “A decision support approach for evaluating liquefied natural gas supply options: Implementation on Greek case study”. Journal of Cleaner Production, 2019, vol. 222, pp. 414–423. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.03.031Kalajdžić M., Bobić D. Unconventional inland LNG carrier design for the river Danube // Proc. of the 23th Symposium on Theory and Practice of Shipbuilding SORTA. 2018. P. 426–443.Kalajdžić M., Bobić D. Unconventional inland LNG carrier design for the river Danube. Proc. of the 23th Symposium on Theory and Practice of Shipbuilding SORTA, 2018, pp. 426–443.Huerta F., Vesovic V. A realistic vapour phase heat transfer model for the weathering of LNG stored in large tanks // Energy. 2019. V. 174. P. 280–291. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.02.174Huerta F., Vesovic V. A realistic vapour phase heat transfer model for the weathering of LNG stored in large tanks. Energy, 2019, vol. 174, pp. 280–291. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.02.174Wang Y., Yun Y., Chen M., Lim Y. Numerical prediction research on the evaporation rate of liquid cargo tank for LNG Filling Vessel Based on Ansys // Proc. of the 5th International Conference on Measurement, Instrumentation and Automation (ICMIA 2016). 2016. https://doi.org/10.2991/icmia-16.2016.96Wang Y., Yun Y., Chen M., Lim Y. Numerical prediction research on the evaporation rate of liquid cargo tank for LNG Filling Vessel Based on Ansys. Proc. of the 5th International Conference on Measurement, Instrumentation and Automation (ICMIA 2016), 2016. https://doi.org/10.2991/icmia-16.2016.96Lee D.-H., Cha S.-J., Kim J.-D., Kim J.-H., Kim S.-K., Lee J.-M. Practical prediction of the boil-off rate of independent-type storage tanks // Journal of Marine Science and Engineering. 2021. V. 9. N 1. P. 36. https://doi.org/10.3390/jmse9010036Lee D.-H., Cha S.-J., Kim J.-D., Kim J.-H., Kim S.-K., Lee J.-M. Practical prediction of the boil-off rate of independent-type storage tanks. Journal of Marine Science and Engineering, 2021, vol. 9, no. 1, pp. 36. https://doi.org/10.3390/jmse9010036Ferrín J.L., Pérez-Pérez L.J. Numerical simulation of natural convection and boil-off in a small size pressurized LNG storage tank // Computers and Chemical Engineering. 2020. V. 138. P. 106840. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2020.106840Ferrín J.L., Pérez-Pérez L.J. Numerical simulation of natural convection and boil-off in a small size pressurized LNG storage tank. Computers and Chemical Engineering, 2020, vol. 138, pp. 106840. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2020.106840Jo Y., Shin K., Hwang S. Development of dynamic simulation model of LNG tank and its operational strategy // Energy. 2021. V. 223. P. 120060. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120060Jo Y., Shin K., Hwang S. Development of dynamic simulation model of LNG tank and its operational strategy. Energy, 2021, vol. 223, pp. 120060. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120060Иванов Л.В., Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Андреев А.М. Методика подбора криогенных резервуаров для модернизации проектов малотоннажных судов // Вестник Международной академии холода. 2021. № 1. С. 40–45. https://doi.org/10.17586/1606-4313-2021-20-1-40-45Ivanov L.V., Baranov A.Yu., Malysheva T.A., Andreev A.M. Selection of cryogenic tanks for modernization of small-scale LNG carriers. Journal of International Academy of Refrigeration, 2021, no. 1, pp. 40–45. (in Russian). https://doi.org/10.17586/1606-4313-2021-20-1-40-45Salarkia M., Golabi S., Amirsalari B. Optimum design of liquified natural gas Bi-lobe tanks using finite element, genetic algorithm and neural network // Journal of Applied and Computational Mechanics. 2020. V. 6. N 4. P. 862–877. https://doi.org/10.22055/JACM.2019.14801Salarkia M., Golabi S., Amirsalari B. Optimum design of liquified natural gas Bi-lobe tanks using finite element, genetic algorithm and neural network. Journal of Applied and Computational Mechanics, 2020, vol. 6, no. 4, pp. 862–877. https://doi.org/10.22055/JACM.2019.14801Sparks L.L. Thermal conductivity of polyurethane foam from 95 to 340 K. National Bureau of Standards, Boulder, Colorado, USA, 1982 [Электронный ресурс]. URL: https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nbsir82-1664.pdf (дата обращения: 10.12.2021).Sparks L.L. Thermal conductivity of polyurethane foam from 95 to 340 K. National Bureau of Standards, Boulder, Colorado, USA, 1982. Available at: https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nbsir82-1664.pdf (accessed: 10.12.2021).Архаров А.М., Архаров И.А., Беляков В.П. и др. Криогенные системы. В 2 т. Т. 2. Основы проектирования аппаратов, установок и систем: учебное пособие. М.: Машиностроение, 1999. 720 с.Arkharov A.M., Arkharov I.A., Belyakov V.P. et. al. Cryogenic Systems. In 2 vol. V. 2. Fundamentals of Designing Devices, Installations and Systems. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1999, 720 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.