Метод моделирования резервуаров сжиженного природного газа типа С на основе оптимизации объема для будущей эксплуатации в режиме частичного заполнения

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.

1. Lee 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.2016.05.039

2. Knizhnikov A.Yu., Klimentiev A.Yu. Perspective and opportunities of usage of LNG in arctic regions of Russia // Conference WWF View Russia, Feb. 2018, Moscow.

3. 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.

4. 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.8103

5. Budiyanto 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.e04538

6. Strantzali 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.2019.03.031

7. 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. P. 426–443.

8. 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.2019.02.174

9. Wang 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-16.2016.96

10. Lee 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/jmse9010036

11. Ferrín 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.2020.106840

12. Jo 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.2021.120060

13. Иванов 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/10.17586/1606-4313-2021-20-1-40-45

14. Salarkia 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.2019.14801

15. Sparks 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).

16. 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.