船舶双燃料管系优化设计研究

船舶双燃料管系优化设计研究

王衍治

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扬州中远海运重工有限公司 

摘要：船舶双燃料管系的优化设计对于提高燃料利用率、降低排放量具有重要意义。然而，目前对于双燃料管系优化设计的研究还相对较少。本研究旨在探讨双燃料管系的优化设计理论与方法，并提出相应的优化设计方案。通过计算机辅助设计、参数化设计和虚拟仿真技术的应用，可以实现对双燃料管系的全面优化。本研究的结果将为船舶双燃料管系的优化设计提供重要参考。

关键词：船舶；双燃料管系；优化设计

引言：

随着全球对环境保护的日益重视，对NOX和SOX的排放标准也变得越来越严格。为了满足这些标准，众多公司开始采用清洁绿色燃料，如LNG、甲醇和氨等，因为这些清洁燃料不仅具有较低的排放，还能够有效地减少对环境的污染。从综合成本考虑，使用清洁能源和柴油（轻质燃油和重油）的双燃料设计是一个非常优秀的解决方案。这种设计不仅可以满足排放标准，还可以降低运营成本，提高企业的竞争力。

本研究旨在优化船舶双燃料管系的的设计，探讨了双燃料管系的概述、优化设计的基本原理和方法与步骤。在方法方面，研究了计算机辅助设计、参数化设计和虚拟仿真技术在双燃料管系优化设计中的应用。在方案方面，研究了双燃料管系的总体布局优化、材料选择与结构优化、连接方式优化以及流体力学分析与优化。通过本研究，可以为船舶双燃料管系的优化设计提供理论与方法支持。

一、船舶双燃料管系优化设计理论与方法

1.1 双燃料管系概述

船舶双燃料管系是指同时使用两种燃料的船舶燃料管路系统。通常，这种系统包括柴油燃料管系和清洁能源燃料管系，如LNG、甲醇或氨等。双燃料管系的设计需要考虑到多种因素，如燃料的储存、输送和燃烧特性，以及发动机的特性和运行要求等。

1.2 优化设计的基本原理

双燃料管系的优化设计基于以下基本原理：首先，根据船舶的特性和运行需求，确定合适的双燃料管系方案。其次，通过合理的布局和结构设计，最大限度地减少能量损失和燃料浪费。同时，考虑到材料的选择和结构的强度，确保双燃料管系的可靠性和安全性。最后，通过流体力学分析和优化，提高双燃料管系的流动性和燃烧效率。

1.3 优化设计的方法与步骤

双燃料管系的优化设计主要包括以下方法与步骤：第一，利用三维设计软件进行双燃料管系的三维建模和布局优化。第二，采用参数化设计的方法，通过调整设计参数，得到不同方案的双燃料管系，并进行比较和评估。第三，利用虚拟仿真技术，对双燃料管系进行流体力学分析和优化，优化管道的直径、长度和角度等参数。第四，通过实验验证和验证，对优化后的双燃料管系进行性能测试和评估，确保其满足设计要求和船舶运行需求。

二、双燃料管系优化设计方法

2.1 三维设计软件Aveva Marine在双燃料管系优化设计中的应用

Aveva Marine是一款专门为船舶行业设计的三维设计软件，它具有强大的建模、仿真和分析功能，可以广泛应用于双燃料管系的优化设计。具体来说，Aveva Marine可以通过以下方式支持双燃料管系的优化设计：

（1）建立双燃料管系的三维模型：使用Aveva Marine的建模工具，可以根据船舶的设计要求和运行需求，建立双燃料管系的三维模型。通过这种方式，可以直观地查看双燃料管系的布局和结构，方便进行后续的优化设计。

（2）进行布局优化：在Aveva Marine中，可以通过调整双燃料管系中管道的长度、直径和角度等参数，进行布局优化。通过对比不同布局方案，选择最优的方案，最大限度地减少能量损失和燃料浪费。

（3）进行结构优化：在Aveva Marine中，还可以通过调整双燃料管系中管道的材料、厚度和连接方式等参数，进行结构优化。通过实验验证和评估，可以确定最优的结构方案，提高双燃料管系的可靠性和安全性。

总之，Aveva Marine作为一款专业的三维设计软件，可以为双燃料管系的优化设计提供强大的支持和帮助。通过使用Aveva Marine，可以更加高效地、直观地进行双燃料管系的优化，提高燃料利用率、降低排放量，实现更加环保和经济的船舶运行。

图2-1小型LNG AM模型

2.2 PIPNET软件参数化设计在双燃料管系优化设计中的应用

PIPNET是一款专门为管网设计开发的软件，具有强大的参数化设计功能，可以广泛应用于管网的计算及优化设计。具体来说，PIPNET可以通过以下方式支持双燃料管网的优化设计：

（1）建立双燃料管系的管网模型：使用PIPNET的建模工具，可以根据三维模型，建立双燃料管系的管网模型。通过这种方式，可以直观地查看双燃料管系的管网计算结果，方便进行后续的优化设计。

（2）进行流体力学分析和优化：PIPNET还具有流体力学分析功能，可以对双燃料管系的流体性能进行模拟和分析。通过调整管道的直径、长度和角度等参数，避免水锤、流速变化过快等现象，优化双燃料管系内外管的流场和压力分布，提高其流动性和燃烧效率。

PIPNET作为一款专业的管网计算软件，可以为双燃料管系的优化设计提供强大的支持和帮助，管网计算作业流程见图2-2。通过使用PIPNET，可以更加高效地进行双燃料管网的布局流体力学优化，提高燃料利用率、降低排放量，实现更加环保和经济的船舶运行。

图2-2PIPENET管网计算作业流程

2.3 CESAR II应力分析软件在双燃料管系布置及管路支架优化设计中的应用

CESAR II内置完备的国际上通用管道设计规范，可以进行管道的静态分析与行动态分析，保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题，被广泛应用于石化、化工、电力、海事、船舶、建筑、制药等众多行业领域。具体来说，CESAR II可以通过以下方式对双燃料管系的优化设计：

（1）进行双燃料管系的应力分析：CAESAR II基于标准规范，利用有限元分析将整个管道系统的每个节点的应力进行分析并形成报告，可有效防止管道因应力过大或金属疲劳引起管道或支架损坏，从而对双燃料管系中的管道和支架进行精确地计算出管道和支架的应力和变形，确保其满足船舶的运行需求和安全性要求。

（2）双燃料管路弹性支架的优化设计：CAESAR II根据管道系统的走向和输入工况进行弹性支架的选择。软件内置33种标准的弹性支架库，用户也可以使用自定义弹性支架，通过合理化建议调整支架的位置、形式等参数，进行支架及支架位置的优化设计。通过实验验证和评估，可以确定最优的支架设计方案，提高双燃料管系的稳定性和安全性。

CESAR II应力分析软件可以为双燃料管系及支架的优化设计提供精确的应力和变形分析支持。可以更加高效地进行双燃料管系的布置、支架优化设计，提高整体设计效率。

三、双燃料管系优化设计方案

3.1 双燃料管系的总体布局优化

双燃料管系的总体布局优化是提高船舶运行效率和安全性的重要环节。以下是一些具体的优化方案：模块化设计：将双燃料管系按照功能和区域进行模块化设计，减少管道的长度和弯曲度，降低流体阻力，提高流速和燃烧效率。优化管道走向：根据船舶的结构特点和运行需求，合理安排管道的走向，避免出现交叉和重叠的情况，减少流体阻力，提高流速和燃烧效率。调整管道直径：根据流体的性质和流量需求，合理选择管道的直径，避免出现过大或过小的情况，减少流体阻力和能量损失，提高流速和燃烧效率。加强支架设计：合理选择支架的形式和位置，确保管道的稳定性和安全性，避免出现松动或变形的情况，减少流体阻力和能量损失，提高流速和燃烧效率。考虑船舶运行工况：根据船舶的运行工况和需求，合理安排管道的布局和结构，确保在不同工况下管道的可靠性和安全性，提高船舶的运行效率和安全性。总之，双燃料管系的总体布局优化需要综合考虑多种因素，包括船舶的结构特点、运行需求、流体性质和工况等。通过模块化设计、优化管道走向、调整管道直径、加强支架设计和考虑船舶运行工况等措施，可以有效地提高双燃料管系的流动性和燃烧效率，为船舶的运行提供更好的保障。

3.2 双燃料管系的材料选择与结构优化

（1）在双燃料管系的材料选择方面，需要综合考虑燃料的特性、管道使用工况以及市场行情等因素。由于LNG、甲醇等燃料具有易燃、易爆、微毒等特性，因此燃料管通常采用真空双壁管或通风双壁管的结构形式。常见的材料选择包括不锈钢、镍基合金等，这些材料具有良好的耐腐蚀性和低温韧性，能够满足双燃料管系的工作要求。同时，考虑到管道的承压能力和稳定性，还需要对管道的结构进行优化设计，以确保管道的安全性和可靠性。

图3-1双壁管

(2)在双燃料管系的结构优化方面，通过修正PIPENET模型中管道的直径、长度和角度等参数，以最大限度地减少能量损失和阻力，提高燃料的流动性和燃烧效率。同时，通过调整管道的角度和弯曲半径，可以减少流体的阻力和压力损失，提高燃烧系统的效率。此外，还需要考虑管道的强度和稳定性，确保双燃料管系的安全运行。通过结构优化，可以使双燃料管系在保证燃料供应和燃烧系统稳定性的前提下，最大限度地提高能源利用效率。

3.3 双燃料管系的连接方式优化

双燃料管系的连接方式优化是指选择合适的连接方式，以确保燃料的顺畅供应和燃烧系统的稳定运行。连接方式可以包括焊接、螺纹连接和法兰连接等。在连接方式的选择中，需要考虑燃料的特性和管道的工作压力，选择合适的连接方式，以确保连接的紧密性和密封性。同时，还需要考虑连接的可拆卸性和维护性，方便对双燃料管系进行维修和更换。

3.4 双燃料管系的流体力学分析与优化

双燃料管系的流体力学分析与优化通过流体力学分析，模拟燃料在管道中的流动情况，分析流速、压力、温度等参数的分布和变化。流体力学分析还可以进行多场耦合分析，考虑燃料的燃烧过程和排放特性，为双燃料管系的优化设计提供科学依据。同时，机舱作为船舶动力输出的核心机械处所，设备繁多且经常受到强烈的振动影响。因此，在布置泵及各类主辅机设备进出口管路时，需要特别注意防止管路振动，以确保船舶动力系统的稳定性和可靠性。为了实现这一目标，必须采取有效的防振措施，例如合理调整支管位置、支架位置及型式等。通过使用先进的CAESAR II软件进行计算，可以得出修正后的支管位置及型式，从而改善内部流体流动性能和管路及支架的受力情况。这些措施不仅可以提高船舶动力系统的性能和稳定性，还可以延长设备的使用寿命，减少维修和更换的频率，降低运营成本。总之，采取有效的防振措施和利用CAESAR II软件进行计算修正，对于保障船舶动力系统的稳定性和可靠性具有重要意义。

在主管上直接衍生支管的结构中，开孔位置因受热可能会出现“泛黄”现象，此现象类似于材料的“脆化”，这种情况下，管子的主体材料已经遭受到损伤。为避免这一问题，我们提议在主管上增设一个护板，以保护管子不受损害。护板的具体形式如附图所示，但请注意，护板上设有一个透气孔。

在预制管件阶段，这个透气孔需用特氟龙垫块进行临时封闭。特氟龙是一种在管道维护中常用的材料，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等诸多优点。封闭透气孔时，首先将特氟龙垫块放置在护板上的透气孔位置，然后使用专业的焊接设备进行封闭。

之后进行酸洗钝化处理，此步骤是为了去除管子表面的杂质和氧化层，以提高管子的耐腐蚀性能。酸洗钝化处理结束后，需要将特氟龙垫块取出，然后进行强度试验。

强度试验是为了验证管子的质量及强度是否符合要求。试验过程中，需要对管子进行加压测试，检测其是否能够承受规定的压力与流量。只有强度试验结束后，才能将特氟龙垫块取出并实施焊接封闭。

总之，通过增设护板、临时封闭透气孔、酸洗钝化处理及强度试验等措施，可以有效解决主管直接生支管时出现的问题，从而确保管子的质量及安全性。

结束语

本研究对船舶双燃料管系的优化设计进行了系统的探讨与研究。通过计算机辅助设计、参数化设计和虚拟仿真技术的应用，实现了对双燃料管系的全面优化。通过总体布局优化、材料选择与结构优化、连接方式优化以及流体力学分析与优化，以提高燃料利用率、降低排放量。本研究的结果对于船舶双燃料管系的优化设计具有重要的理论与实践意义。

参考文献

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