C型液艙LNG運輸船測量蒸發率的計算與修正

周志峰，張淇鑫，李 輝

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 引 言

日蒸發率（Daily Boil-off Rate）是液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）運輸船建造過程中和交付時必須考慮的一個重要參數，其準確性直接影響船舶運營的安全性和經濟性，需作為擔保參數直接寫入造船合同中[1]。對于大型的薄膜型LNG運輸船來說，經過近幾十年的研究和發展，其蒸發率的測量與修正問題已得到較好的解決，形成了一套比較成熟的測量與修正方法。近些年，國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）對船舶污染氣體排放的要求日趨嚴格，LNG作為一種清潔高效的替代燃料，越來越受海運界的重視。為滿足LNG的運輸需求，近幾年基于C型液艙的小型LNG運輸船的設計和建造得到了長足發展，但是，相對于大型的薄膜型LNG運輸船而言，這類LNG運輸船蒸發率的測量與修正方法尚未得到充分的研究，缺乏有效的經驗和數據支持，在業界未能形成標準的測量與修正方法，亟需發展一套標準的流程和方法，為后續類似船型的設計和建造提供參考。本文基于國內某采用 C型液艙的小型LNG運輸船的實測蒸發率數據，探討蒸發率的測量和修正方法。

1 蒸發率的定義

在標準的外界條件下保持貨艙壓力24h不變，由于外部熱量的滲入，導致貨艙內的液相貨物自然蒸發為氣相貨物，其質量占整船貨物質量的百分比定義為日蒸發率，單位為%/d。為使同類型LNG運輸船的蒸發率具有可比性，需定義相同的邊界條件。目前標準的外界環境溫度設定為：大氣溫度 45℃；海水溫度32℃[4]；貨艙處所的平均溫度29℃。貨艙裝載率設定為最大裝載率，通常為98%[3]；同時，設定甲板貨物管路內無液相貨物。由于 LNG為混合物，在不同的產地其成分有較大的差別，在定義蒸發率時，通常采用純甲烷作為標準貨物[5]，密度為425kg/m3，氣化潛熱為511kJ/kg[2]，用于蒸發率的前期定義和后續修正計算。

2 蒸發率的測量

對于采用C型液艙的LNG運輸船來說，目前業界還沒有標準的蒸發率測量程序，大多參考大型薄膜型LNG運輸船的測量程序，基于C型液艙和貨物處理系統的設計特點作相應的調整。根據蒸發率的定義和標準邊界條件的要求，需通過甲板貨物處理系統的運行保證液貨艙盡量處于相對穩定的狀態，同時測量貨物的狀態數據和外部環境數據，做好記錄，用于后續的計算和修正。基本程序如下：

1) 全船裝載至最大裝貨量，約98%的裝載率；

2) 清空液貨管路的液相貨物；

3) 取得裝載貨物組分表；

4) 測量并記錄貨物各狀態參數，包括溫度、壓力及液位；

5) 測量并記錄外界空氣溫度、海水溫度、貨艙處所溫度和大氣壓力；

6) 啟動蒸發氣壓縮機，供氣給機艙燃氣發動機，保證貨艙壓力維持在一個穩定的值，該過程模擬貨艙處于自然蒸發的狀態；

7) 每隔1h，記錄貨物和外界環境的各類參數[5]。

某采用C型液艙的小型LNG運輸船單艙部分實測數據見表1，其所裝載貨物的組分見表2。

表1 單艙部分實測數據

表2 裝載貨物的組分

續表2

3 蒸發率的計算和修正

由于測試狀態下實際的邊界條件不同于蒸發率定義的標準條件，需根據實測數據進行計算和修正，可分為2部分，即：基于實測數據計算出實測蒸發率；基于標準的邊界條件修正實測蒸發率至標準蒸發率。

3.1 蒸發率的計算

首先基于實測得到的數據進行分析計算，得出實測蒸發率。根據蒸發率的定義，可得到實測日蒸發率的計算式為

式(1)中：RBOR為實測日蒸發率，%/d；V1為測量開始時貨物的體積，m3；V2為測量結束時貨物的體積，m3；d1為測量開始時貨物的密度，kg/m3；d2為測量結束時貨物的密度，kg/m3；LLNG為貨物的平均氣化潛熱，kJ/kg；H1為測量開始時貨物的焓值，kJ/kg；H2為測量結束時貨物的焓值，kJ/kg；t為測試時間，d。

由上述計算式可得出蒸發氣質量分為2部分：

1) 由于實際的液相貨物蒸發導致的質量減少量。

2) 由于液相貨物吸收滲入熱量導致的液相貨物整體溫度的升高量，此部分為隱性蒸發氣質量。

分析計算表1中的測量參數和表2中的實際裝載貨物組分，進而根據蒸發率計算式計算得到實測蒸發率值見表3。

表3 實測蒸發率

3.2 蒸發率的修正

通過實測得到各邊界條件數據相對于標準條件的關系，可得到各邊界條件的修正系數，進而算出基于標準條件的日蒸發率，用于檢驗實船日蒸發率是否滿足設計蒸發率的要求。修正系數可根據貨物的物理特性和外界環境條件分為貨物密度修正、貨物氣化潛熱修正、貨物體積修正、外界溫度修正和貨艙壓力修正等5種。

3.2.1 貨物密度修正

基于蒸發率的定義，標準蒸發率是標準密度（425kg/m3）下的值，但實際載運的 LNG貨物的密度與其各類物質的組分所占比例密切相關，實測蒸發率值需基于實裝貨物在實際溫度下的密度進行修正。

密度修正系數C1的計算式為

式(2)中：d1為測量開始時LNG貨物的密度，kg/m3；dM為蒸發率定義的標準密度，425kg/m3。

按前述載運貨物組分和測試開始時的貨物溫度，可計算得到實際貨物的密度d1=451.1kg/m3，進而可計算出密度修正系數C1= 1.006。

3.2.2 貨物氣化潛熱修正

基于蒸發率的定義，標準蒸發率是標準氣化潛熱（511kJ/kg）下的值，但實際載運的LNG貨物的氣化潛熱與其各類物質的組分所占比例密切相關，實測蒸發率需基于實裝貨物在實際溫度下的氣化潛熱進行修正。

氣化潛熱修正系數C2的計算式為

式(3)中：LLNG為貨物在測量過程中的平均氣化潛熱值，kJ/kg；LM為蒸發率定義的標準氣化潛熱值，511kg/m3。

根據前述載運貨物的組分和測量過程中貨物的平均溫度，可計算得到實際貨物的氣化潛熱LLNG=468.8kJ/kg，進而可計算出氣化潛熱修正系數C2= 0.919。

3.2.3 貨物裝載體積修正

基于蒸發率的定義，保證蒸發率是98%裝載率下的值，需按測試狀態下實際貨物的體積進行修正。

體積修正系數C3的計算式為

式(4)中：V1為測量開始時LNG貨物的體積，m3；VM為蒸發率定義的標準貨物的體積，m3。

按前述裝載貨物的體積V1=3498.03m3，98%裝載率下貨艙實際體積VM=3599.49m3，可計算出體積修正系數C3= 0.972。

3.2.4 外界溫度修正

基于蒸發率的定義，保證蒸發率是標準外界溫度和標準貨物溫度下的值，需按測試狀態下實測到的貨艙處所溫度和貨物平均溫度進行修正。

溫差修正系數C4的計算式為

式(5)中：TS為蒸發率定義的貨艙處所標準溫度，29℃；TM為蒸發率定義的標準貨物溫度，-161.5℃；TH為實測貨艙處所的平均溫度，℃；TLNG為貨物在測量過程中的平均溫度，℃。

按前述實測的貨艙處所平均溫度TH=23.95℃，貨物平均溫度TLNG=-156.31℃，可計算得出體積修正系數C4= 1.057。

3.2.5 貨艙壓力修正

在實際測量過程中，通常采用燃氣壓縮機主動抽吸貨艙內的蒸發氣的方法，保證貨艙內的壓力基本穩定在開始測量時的壓力值，以滿足蒸發率定義的要求，但在實際情況下往往會出現過度抽吸的現象，導致貨艙內的液相貨物過度蒸發，進而導致實測蒸發率偏大，需基于測量開始時和測量結束時貨艙的絕對壓力進行修正。

艙壓修正系數C5的計算式為

式(6)中：P1為測量開始時貨艙的絕對壓力，MPa；P2為測量結束時貨艙的絕對壓力，MPa。

按前述實測數據，測量開始時貨艙的絕對壓力P1=0.1559 MPa，測量結束時貨艙的絕對壓力P2=0.1561 MPa，可計算出艙壓修正系數C5= 1.0013。

3.2.6 總修正系數

將上述各修正系數相乘，即可得到總修正系數C的計算式為

式(7)中：C為總修正系數。將上述各修正系數值代入式(7)，可得C= 0.951。

3.2.7 標準蒸發率

標準蒸發率由實測蒸發率乘以總修正系數得到，計算式為

式(8)中：RBORS為標準日蒸發率，%/d；TBOR為實測蒸發率，%/d。將上述計算值代入式(8)，可得

3.3 整船蒸發率

通常LNG運輸船布置有2～4個液貨艙，而保證的日蒸發率為整船蒸發率。實際測試蒸發率過程中得到的參數均為單艙數據，計算和修正之后得到的參數僅是單艙的蒸發率。對于整船的蒸發率，需按各艙在測量狀態下實際裝載貨物的質量進行加權平均得到，計算式為

式(9)中：R為整船標準日蒸發率，%/d；RBORS(Tki)為單艙標準日蒸發率，%/d；W(Tki)為單艙貨物質量，kg；W為整船貨物質量，kg。

另外，為保證測量數據的準確性，以避免單次測量因外界條件不確定而導致數據偏差，通常需測量10個航次左右[5]，計算修正得到各航次的整船標準蒸發率，然后計算平均值，作為最終的整船標準蒸發率，用于考核是否滿足設計要求。

4 結 語

對于采用C型液艙的小型LNG運輸船而言，目前在實船航行過程中測量的貨物和蒸發氣的狀態數據還不夠多，部分可能影響蒸發率的外界因素沒能全面考慮和修正，如航行過程中由于風浪導致的船舶運動對貨物蒸發的影響程度等。本文所述測量、計算和修正的方法需在后續數據積累和分析過程中進行校核和修正，做進一步的研究和分析，從而設計出一套適合C型液艙LNG運輸船蒸發率測量、計算和修正的標準方法，為后續類似船舶提供一套標準化的方法。