30万 t级VLCC天然气动力船舶舱容计量系统设计
2018-01-10
(青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071)
30万 t级VLCC天然气动力船舶舱容计量系统设计
叶晓华
(青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071)
针对大型LNG储罐舱容精确计量难度大的问题，根据VLCC船体结构特点和储罐特性，合理选择C型燃料储罐；分析舱容计量特殊性和计量设备的特点，考虑C型储罐结构和营运过程中船舶横倾、纵倾情况建立舱容计量的数学模型；根据数学模型进行舱容计量软件的设计与开发。
VLCC；C型储罐；舱容计量；LNG动力船；数学建模
国际公约对SOx和NOx排放标准越来越严格，包括我国在内，全球很多地区划定了限制排放的区域。LNG作为清洁能源，能很好地满足国际公约要求，而且运营成本比船用燃料油更低。因此LNG燃料代替燃料油已经提上日程， LNG船舶有很大的市场前景和发展空间。MAN B&W和瓦锡兰公司在LNG柴油机和供气系统等方面进行了卓有成效的研究，技术日臻成熟，但现今LNG船舶主要是用于内河和近海的小型船舶[1-3]。大型远洋船舶的燃料储存罐体积庞大，营运过程受船舶纵倾、横倾影响也大，舱容准确计量困难。为此，考虑通过合理进行储罐选型，对舱容计量系统进行研究和软件开发。
1 LNG储罐的选型与布置
选择中国远洋海运集团“船用LNG燃料储运技术研究”项目中设计的30万 t级VLCC，主要参数见表1。该船航线选取中东装油途经新加坡终到青岛卸货的典型航线，单程航行23 d(中东—新加坡单程14 d，新加坡—青岛单程9 d)，考虑到满载不易加注燃料、加注地燃料价格差异及尽可能减少储罐体积等因素，选择中东、新加坡2港各加注燃料一次。储罐LNG容量按最大自持力31 d计算[4-5]。
表1 VLCC船舶主要参数
1.1 储罐的选型
船用LNG储罐通常采用低温低压储罐。薄膜型储罐和球舱型储罐在LNG储存上有很大的优点，应用最为广泛，但这2种形式主要应用于超过10 000 m3超大储罐，而且承压能力较低[6]。储罐外形为球形,可减少晃动，便于计量，但在船舶上安装和布置困难，因而船用储存罐通常设计为中间为圆柱体，2端封头为半球体或椭球体，也有少数中间菱形设计。本案采用的是2个C型储罐(2端封头为标准椭球体，中间部分为圆柱体)，如图1所示。
图1 LNG储罐布置示意
1.2 储罐的布置
LNG主要组分为甲烷，热值约为50 MJ/kg与燃料油(约42 MJ/kg)相仿，但其密度不到普通燃油(约980 kg/m3)的一半。同时LNG沸点在-163 ℃左右，储罐内外温差大，需要较厚的保温层，还需采用双金壳和内外支撑结构以保证安全、防止泄漏[7]。因而，LNG储罐重量通常是船用燃料油舱的2.5倍左右，布置占用的空间是后者的5倍左右[8]。因此，大型远洋船舶LNG储存罐重量大影响载重，而且体积庞大布置困难。LNG储罐如果若安装在甲板的下面，会影响货舱的布置，由于其处在密闭舱室，通风差，一旦发生泄漏不利于燃气的扩散，为满足规范要求还需加装一些特殊装置保证安全[9-10]。而储罐布置在甲板上有利于通风，防止燃气集聚，其主要缺陷是占用大量甲板空间[11]。
本船甲板面积大，有利于储罐、供气站、加注站的布置和管线阀件等附件的安装，而且储罐影响载重的问题也容易解决。综上所述，采用2个C型储罐。
2 储罐舱容计量和液位测量
储罐舱容准确计量在船舶营运过程中有重要意义：①航行过程中，随时掌握每个储罐的存量，及时调换使用储罐，利于船舶稳性和吃水的调整，保证航行安全；②及时掌握燃料剩余量，根据日消耗量准确计算船舶续航时间和续航距离，综合价格和对船舶载重的影响，合理选择加装港和加装量达到经济利益最大化；③燃料加注时，准确计算燃料预加注总量和储罐的加注分配，随时掌控加注过程，保证加注安全，还可避免与燃料供应商产生计量纠纷。
2.1 储罐舱容计量特殊性
根据C型储罐布置方案和LNG燃料的特点，采用液位计算法对储罐舱容计量。根据液位测量值、船舶吃水差、横倾角度，通过查舱容表或通过计算机软件进行舱容体积计算。但LNG储罐通舱容计量同普通燃料舱计量有很大不同。
1)LNG储罐是密闭压力容器，不能同普通燃料舱那样，通过测量尺和测量管进行测深测量。
2)LNG內罐处于在-163 ℃的低温环境，不能采用与燃料接触的普通液位计进行测量。
3)而LNG储罐正常储存液位上限为95%，下限为15%，上部为气体舱容。普通燃料舱，可用燃料为舱内所存液体，而LNG储罐上部气体舱容亦属燃料，也应计算在舱容之内。
2.2 储罐液位测量装置
由于LNG储罐液位无法实现人工测量，因而需安装液位计进行测量，通常液位计安装在储罐圆柱体中间。由于储罐內温度很低且有较高压力，因而液位计不能直接与储罐LNG接触。本案采用伺服液位计，该液位计属于非接触式液位计，能够与被测介质完全隔离，可防止液位计损坏，造成介质外泄事故。由于LNG储罐燃料的加装口在储罐的底部，因而储罐液位较低时，LNG进入储罐产生的旋流会对液位计浮球产生冲击，影响液位指示的准确性，为保证测量精度，液位计采用波导管安装。安装时应注意：波导管安装位置要避开LNG加装口，以防止加注时LNG进入储罐冲击测量浮球，其位置还应距离储罐内壁500 mm以上，以防受內罐温度影响，同时进液孔要光滑、无毛刺，以防止刮擦测量浮球；伺服液位计连接法兰的安装要有正确的安装角，以防测量浮球与波导管相接触而影响液位计测量精度。
LNG储罐舱容液位测量除了安装伺服液位计外，还必须有连续液位自动测量装置，以便随时掌握舱容变化。本案采用液位-温度-密度一体自动测量装置(LTD液位计)。同时可在加注管路上安装体积流量计进行加装量的测量，常用的体积流量计量包括孔板式、旋涡式、容积式以及超声波式等,其技术已经相当成熟，本文不再赘述。
3 储罐计量模型
目前航运市场低迷，大多数船舶采用最大功率的70%航行，设计采用最大功率的67%航行，LNG密度450 kg/m3，发热值50.2 MJ/kg，LNG日耗量63 t/d。储罐主要计量参数见表2。
表2 LNG储罐主要计量参数
3.1 船舶横倾、纵倾引起的误差
在营运过程中，船舶受货物配载、风浪涌等因素的影响会产生横倾、纵倾，从而产生计量误差。
3.1.1 船舶左右横倾引起的高度误差
储罐横倾模型，见图2。
图2 储罐横倾模型
(1)
式中：h为实际液位高度；h″为中间位置测得的液位高度。
3.1.2 船舶前后纵倾的切面计算
储罐纵倾模型，见图3。
图3 储罐纵倾模型
1)椭球体积为
V=(2 257.48-π×5.52×20)÷2=178.89 m3
2)切面公式为
y=-xtanα+h+10tanα-5.5v
(2)
x=(h+10tanα-5.5-y)÷tanα
(3)
3)左边半椭球方程式为
(4)
式中a=2.8；b=5.5；c=5.5。
3.2 舱容总体积计算
液位变化见图4。
图4 液位变化示意
1)当y=-5.5,0 (1)左边椭球上部分体积V1。 (5) (2)中间规则部分体积V2。 (6) (3)总体积V。 V=V2+178.89-V1 (7) 2)当y=-5.5，x>20,且x=0,y<5.5时，如图4b)所示。 (8) y=-20tanα+h+10tanα-5.5。 (2)右边椭球上部分体积V2。 (9) (3)总体积V。 (10) 3)当x=0时，y>5.5；如图4c)所示。 (11) y=-20tanα+h+10tanα-5.5。 (2)总体积V。 (12) 舱容计量软件在Visual Studio 2013环境下，运用C#语言，基于C#完全面向对象的特点[12]，开发在WINDOWS操作系统下运行的LNG储罐舱容计量软件。 软件主界面见图5。 图5 软件主界面 点击“参数设定”按钮，进入初始值设定界面如图6。 图6 初始值设定界面 在此页面可对船舶吃水差、船舶横倾角度、储罐压力、储罐液位等参数在一定范围内设定。如设定值超出设定范围，点击"确定"按钮时会出现设定值报错提醒页面。 例如如果船舶吃水差设定错误，报错提示页面如图7，同样，船舶横倾角度、储罐压力、储罐液位等参数设定错误也会有相关的报错提示页面。 图7 吃水差报错界面 当设定值设定正确时，如图8。 图8 初始值设定正确界面 各参数设定完成后，点击"确定"按钮，则页面显示储罐液位高度，如图9。 图9 LNG动力船燃料储罐计量界面 点击“计算结果”按钮，后台程序自动运算，运算结果输出页面如图10。其中总舱容为2个LNG储罐舱容之和，冲装率是每个储罐舱容占储罐容积的百分比，同时该页面显示LNG预计可燃用天数。 图10 LNG储罐容量计算结果界面 该舱容计量软件结合了C型储罐结构和布置特点，主要考虑船舶吃水差，船舶倾斜角度等参数对计量的影响。同时，储罐上部的可燃气体空间，根据LNG饱和压力与饱和温度、密度的对应关系，将其计算在舱容之内。本软件可根据液位高度计算每个储罐的舱容、冲装率和总舱容，并根据总舱容和LNG日耗量计算出预计可燃用天数。 软件开发选取67%最大功率运营，而航行中船舶受风浪、洋流等外在条件的影响，燃料日耗量会不同，同时加注港口不同，燃料密度、热值等参数会有所差别。因此在计算时，应根据实际情况将软件相关参数加以修正，以保证计算结果的准确性。 [1] 秦炳军，周天雄.双燃料型近海供应船开发设计研究[J].船舶工程，2016，38(4)：7-12. [2] 李超，王立席，杜太利，等.LNG动力船舶加气技术[J].油气储运，2013，32(9)：997-1000. [3] 王卫琳，林权.采用LNG作为船用燃料的探讨.煤气与热力[J],2013，33(3)：B10-B14 [4] 李博洋，张运秋，邱立强，等.LNG动力船燃料冷能的综合开发与利用[J].中国航海，2015，38(3)：108-111. [5] 李博洋，邱立强，田东方，等.基于VLCC船LNG燃料供给系统设计[J].舰船科学技术.2015，37(12)：68-71. [6] 陈江凡，邹华生.大型液化气低温储罐结构及其保冷设计.油气储运[J]，2006，25(7):11-15. [7] 金全洲，曹蛟龙.LNG燃料船储气罐疲劳强度计算[J].船舶工程，2013，35卷(增刊1)：36-39. [8] 周志贤，杨令康，吴海荣.LNG双燃料动力船舶设计探讨[J].船海工程，2014，43(2)：154-156. [9] 中国船级社.天然气燃料动力船舶规范[S].北京：人民交通出版社，2013． [10] IMO.国际气体燃料船舶安全规则[S].2012. [11] 李博洋，胡德栋，孙延寿，等.VLCC船LNG燃料储罐的设计[J].船舶工程，2015，37(3)：20-22. [12] 黄敬尧，杨爽，张超，等.基于C#的AUV控制软件的设计与实现[J].机械工程师，2013(5):139-141. Design of Tank Capacity Measurement System for 30 000 Ton Class Natural Gas Powered VLCC YEXiao-hua (Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao Shandong 266071, China) It is very difficult to measure the capacity of large LNG tank accurately. The characteristics of VLCC vessels’ structure and storage tanks were analyzed to selecte the type of LNG fuel storage tanks reasonably, as well as the particularities of the tank capacity measurement and metering equipment. The mathematical model of the tank capacity measurement was established according to the structure of C type tank, considering the heel and trim of the vessel during the course of operation. According to the mathematical model, the tank capacity measurement software was developed. VLCC; C type tank; capacity measurement; LNG powered vessel; mathematical modeling U674.13 A 1671-7953(2017)06-0045-05 10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.010 2017-01-16 2017-03-07 山东省高等学校科技计划(J16LB75)；中国远洋运输(集团)总公司应用研究计划(2015-1-H-010) 叶晓华(1978—)，男，硕士，讲师 研究方向：现代轮机管理；液化气船新技术应用
4 计量软件设计
4.1 软件主页面设计
4.2 参数设定页面设计
4.3 计算结果页面设计
5 结论
