LNG运输船独立C型货舱蒸发率实测验证计算方法

2021-06-28何金平王连佳王炳轩张龙

船海工程 2021年3期

何金平，王连佳，王炳轩，张龙

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452)

世界上已建造的LNG运输船中,大型LNG运输船多采用薄膜形式，中小型LNG运输船大都采用独立C型。C型独立液货可以采用圆筒形，为了充分利用船体空间、提高容利用率，通常采用双联圆筒形，也就是常所说的双耳形；其封头形式一般采用球形封头，但有时因为主尺度的限制，也会考虑采用碟形封头。常用的标准双耳罐见图1。

图1 双耳型独立C型液货

液化气船一般是布置型船舶，主尺度的选择要从总布置(容和布置地位)及船舶性能等方面来考虑，船舶的主尺度又影响液罐的尺寸和容量，二者相互制约，相互影响[1]。

目前国内关于超过20 000 m3的大容量液货蒸发率的研究大多处于理论分析阶段，具体实验数据文献较少。本文在原有液位计测量法的基础上，将通过对测试目标的具体分析，依据每日损失的液货质量，建立适用于本液货液位计测量公式。

1 主要设计参数

该型船舶通常配备4个液货舱，为C型双耳结构液罐，1#罐总容积为7 297.5 m3，其他的3罐(2#、3#、4#)外形尺寸一致，各罐容积基本相同(～7 944.8 m3)，绝缘材质为主体厚度340 mm的聚氨脂板，现场施工工艺及状态均相同。货品组份按照IGF规则定义的标准设计组分。

最大允许释放压力(MARVS，按IMO/ABS)为0.35 MPa；

最小允许压为0.075 MPa；

最小货物温度为-164 ℃；

绝热材料总传热系数为0.095 W/(m2·K)

最大日蒸发率为0.22%；

液货充注率为≥98%；

LNG液货汽化潜热为520.7 kJ/kg。

2 测试标准及方法

LNG船液货属于低压绝热容器，液货LNG平均温度一般低于-140 ℃，属于深冷液体范围，参考GB/T 18443.5—2010《真空绝热深冷设备性能测试方法》中关于静态蒸发率测量标准部分[3]。

国标里给出了3种较为典型的蒸发率测试方法，分别为称重法测量和气体流量计测量，其中气体流量计测量分为湿式气体流量计测量和气体质量流量计测量。液货系统设计厂家(TGE)提供的蒸发率测量参考程序“Boil off Gas Measurement Procedure”。本次测试目标的LNG船液货容积为30 000 m3，远大于称重法中对于容积的要求，故称重法并不适用。另外由于本LNG船液货没有安装合适的流量计设备和可供测试的相关排气管道，故无法通过气体流量计法测量LNG的蒸发率情况[4]。

测量液罐蒸发率实际上是测量液货单位时间内的质量差:

1.仔猪消化机能不全。断奶仔猪从吃初乳变成了以饲料为主，加上断奶应激，降低了酶的水平。据资料表明，断奶后一周各种消化酶活性降低到断奶前水平的1/3，使本来就不足的酶含量更少，影响营养成分的消化和吸收。同时，断奶后，仔猪胃内由于胃酸不足，PH值升高，胃蛋白酶形成减少，对饲料中蛋白质的消化率降低，消化不完全的饲料为肠内致病性大肠杆菌及有害微生物的繁殖提供了有利条件，抑制了乳酸杆菌的生长，最终因消化不良而腹泻。

mg=mb-mamb=pbVbma=paVa

(1)

将式(1)带入到利用称重法计算蒸发率公式。

(2)

式中：a0为测试蒸发率，%/d；mg为24 h蒸发的气体质量，kg/d;mb为被检件测量前质量，kg；ma为被检件测量后质量，kg；ρb为被检件测量前密度，kg/m3；ρa为被检件测量后密度，kg/m3；Vb为被检件测量前体积，m3；Va为被检件测量后的体积，m3；ρ1为标准大气压(100 kPa)下饱和液体的密度，kg/m3；V为被检件的有效容积，m3。

LNG液货内均安装有雷达导波式液位计，可以直接实时读取液内液货的体积，考虑本船处于浮营运状态的客观条件，故采用液位法测量LNG液货的蒸发率，是基于目前现有设备条件及船舶营运状态下的最佳选择，即根据一定时间后LNG 储罐内实际有效液体的体积变化计算储罐内LNG的蒸发量。[5]

3 蒸发率的计算

3.1 LNG液货组分

液货系统设计用于输送货物充分主要为甲烷(液化天然气)，但是LNG液货不是纯净的单一组分，通常伴有少量其他组分，见表1。

表1 LNG组分

LNG成分基本一致，组分摩尔数差异较小。此差异对蒸发率计算结果影响甚微。再则货内存液量及其他条件影响，液货内的组份也在不断变化，分析报告内的组分仅为参考。为减小计算结果随机误差，取甲烷数为中间值的组分分析报告作为依据

3.2 货物数据的测量

在船舶运营过程中，根据厂家对船舶货舱蒸发率的计算要求，需要长期监控记录液货舱货物相关数据，货物系统记录的数据作为液货舱蒸发率验证计算的输入条件。该船货舱货物数据(部分)记录见表2。

表2 液货数据测量

3.3 计算取值

数据的预处理和筛选侧重于对大量的实验数据进行分析并从中筛选出最适合的原始数据作为

计算蒸发率的输入参数。由于在测试液货的日均蒸发率时，往往实验时间较长，而在实验过程中，内压力，环境温度等参数均处于较不稳定的波动状态，因此不考虑对偏离程度大的数据点和数据波动大的时间段，而选择参数变动较为平稳的时间段所对应的实验数值，并采用平均值作为计算输入项[6]。

LNG的组分和温度决定了其密度。LNG根据其来源地的不同，组分往往也有差异。与此同时，LNG的温度不同，其密度也不同。为减小密度对测算结果的影响，本报告中LNG的密度是根据船东提供的LNG组分报告，计算出的不同温度下混合物密度。

(3)

式中：a1为蒸发率计算值；V1为测试前LNG体积；V2为测试后LNG体积；V3为货舱容积；ρ1为测试前LNG密度；ρ2为测试后LNG密度；n为测试时间。

对各液货的测量数据进行整理，见表3。

表3 液货货物测量数据

根据LNG的组份报告，液货LNG密度主要由各组分占比和温度决定。由测试数据得知，液货内的LNG可以看作近似饱和状态。由于船舶装货货源温度、能量带入等因素的影响，船舶液货的温度通常在-157～153 ℃范围之内，温度记录见表4。

表4 货物温度数据表

LNG混合物温度密度拟合曲线见图2。

图2 LNG混合物温度密度拟合曲线

LNG混合物温度密度拟合方程为

ρ=-1.42t+227.85

(4)

以货舱1P为例，根据测试前LNG温度计算得出LNG密度为449.78 kg/m3，体积为3 503.32 m3，测试后密度为447.69 kg/m3，体积3 499.55 m3，货舱容积为3 679.29 m3，测试时间为2.5 d。代入到计算公式中得到货舱1P蒸发率，同理可以计算出其余货舱蒸发率[7]。