LNG運輸船獨立C型貨艙蒸發率實測驗證計算方法

何金平，王連佳，王炳軒，張龍

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

世界上已建造的LNG運輸船中,大型LNG運輸船多采用薄膜形式，中小型LNG運輸船大都采用獨立C型。C型獨立液貨可以采用圓筒形，為了充分利用船體空間、提高容利用率，通常采用雙聯圓筒形，也就是常所說的雙耳形；其封頭形式一般采用球形封頭，但有時因為主尺度的限制，也會考慮采用碟形封頭。常用的標準雙耳罐見圖1。

圖1 雙耳型獨立C型液貨

液化氣船一般是布置型船舶，主尺度的選擇要從總布置(容和布置地位)及船舶性能等方面來考慮，船舶的主尺度又影響液罐的尺寸和容量，二者相互制約，相互影響[1]。

目前國內關于超過20 000 m3的大容量液貨蒸發率的研究大多處于理論分析階段，具體實驗數據文獻較少。本文在原有液位計測量法的基礎上，將通過對測試目標的具體分析，依據每日損失的液貨質量，建立適用于本液貨液位計測量公式。

1 主要設計參數

該型船舶通常配備4個液貨艙，為C型雙耳結構液罐，1#罐總容積為7 297.5 m3，其他的3罐(2#、3#、4#)外形尺寸一致，各罐容積基本相同(～7 944.8 m3)，絕緣材質為主體厚度340 mm的聚氨脂板，現場施工工藝及狀態均相同。貨品組份按照IGF規則定義的標準設計組分。

最大允許釋放壓力(MARVS，按IMO/ABS)為0.35 MPa；

最小允許壓為0.075 MPa；

最小貨物溫度為-164 ℃；

絕熱材料總傳熱系數為0.095 W/(m2·K)

最大日蒸發率為0.22%；

液貨充注率為≥98%；

LNG液貨汽化潛熱為520.7 kJ/kg。

2 測試標準及方法

LNG船液貨屬于低壓絕熱容器，液貨LNG平均溫度一般低于-140 ℃，屬于深冷液體范圍，參考GB/T 18443.5—2010《真空絕熱深冷設備性能測試方法》中關于靜態蒸發率測量標準部分[3]。

國標里給出了3種較為典型的蒸發率測試方法，分別為稱重法測量和氣體流量計測量，其中氣體流量計測量分為濕式氣體流量計測量和氣體質量流量計測量。液貨系統設計廠家(TGE)提供的蒸發率測量參考程序“Boil off Gas Measurement Procedure”。本次測試目標的LNG船液貨容積為30 000 m3，遠大于稱重法中對于容積的要求，故稱重法并不適用。另外由于本LNG船液貨沒有安裝合適的流量計設備和可供測試的相關排氣管道，故無法通過氣體流量計法測量LNG的蒸發率情況[4]。

測量液罐蒸發率實際上是測量液貨單位時間內的質量差:

1.仔豬消化機能不全。斷奶仔豬從吃初乳變成了以飼料為主，加上斷奶應激，降低了酶的水平。據資料表明，斷奶后一周各種消化酶活性降低到斷奶前水平的1/3，使本來就不足的酶含量更少，影響營養成分的消化和吸收。同時，斷奶后，仔豬胃內由于胃酸不足，PH值升高，胃蛋白酶形成減少，對飼料中蛋白質的消化率降低，消化不完全的飼料為腸內致病性大腸桿菌及有害微生物的繁殖提供了有利條件，抑制了乳酸桿菌的生長，最終因消化不良而腹瀉。

mg=mb-mamb=pbVbma=paVa

(1)

將式(1)帶入到利用稱重法計算蒸發率公式。

(2)

式中：a0為測試蒸發率，%/d；mg為24 h蒸發的氣體質量，kg/d;mb為被檢件測量前質量，kg；ma為被檢件測量后質量，kg；ρb為被檢件測量前密度，kg/m3；ρa為被檢件測量后密度，kg/m3；Vb為被檢件測量前體積，m3；Va為被檢件測量后的體積，m3；ρ1為標準大氣壓(100 kPa)下飽和液體的密度，kg/m3；V為被檢件的有效容積，m3。

LNG液貨內均安裝有雷達導波式液位計，可以直接實時讀取液內液貨的體積，考慮本船處于浮營運狀態的客觀條件，故采用液位法測量LNG液貨的蒸發率，是基于目前現有設備條件及船舶營運狀態下的最佳選擇，即根據一定時間后LNG 儲罐內實際有效液體的體積變化計算儲罐內LNG的蒸發量。[5]

3 蒸發率的計算

3.1 LNG液貨組分

液貨系統設計用于輸送貨物充分主要為甲烷(液化天然氣)，但是LNG液貨不是純凈的單一組分，通常伴有少量其他組分，見表1。

表1 LNG組分

LNG成分基本一致，組分摩爾數差異較小。此差異對蒸發率計算結果影響甚微。再則貨內存液量及其他條件影響，液貨內的組份也在不斷變化，分析報告內的組分僅為參考。為減小計算結果隨機誤差，取甲烷數為中間值的組分分析報告作為依據

3.2 貨物數據的測量

在船舶運營過程中，根據廠家對船舶貨艙蒸發率的計算要求，需要長期監控記錄液貨艙貨物相關數據，貨物系統記錄的數據作為液貨艙蒸發率驗證計算的輸入條件。該船貨艙貨物數據(部分)記錄見表2。

表2 液貨數據測量

3.3 計算取值

數據的預處理和篩選側重于對大量的實驗數據進行分析并從中篩選出最適合的原始數據作為

計算蒸發率的輸入參數。由于在測試液貨的日均蒸發率時，往往實驗時間較長，而在實驗過程中，內壓力，環境溫度等參數均處于較不穩定的波動狀態，因此不考慮對偏離程度大的數據點和數據波動大的時間段，而選擇參數變動較為平穩的時間段所對應的實驗數值，并采用平均值作為計算輸入項[6]。

LNG的組分和溫度決定了其密度。LNG根據其來源地的不同，組分往往也有差異。與此同時，LNG的溫度不同，其密度也不同。為減小密度對測算結果的影響，本報告中LNG的密度是根據船東提供的LNG組分報告，計算出的不同溫度下混合物密度。

(3)

式中：a1為蒸發率計算值；V1為測試前LNG體積；V2為測試后LNG體積；V3為貨艙容積；ρ1為測試前LNG密度；ρ2為測試后LNG密度；n為測試時間。

對各液貨的測量數據進行整理，見表3。

表3 液貨貨物測量數據

根據LNG的組份報告，液貨LNG密度主要由各組分占比和溫度決定。由測試數據得知，液貨內的LNG可以看作近似飽和狀態。由于船舶裝貨貨源溫度、能量帶入等因素的影響，船舶液貨的溫度通常在-157～153 ℃范圍之內，溫度記錄見表4。

表4 貨物溫度數據表

LNG混合物溫度密度擬合曲線見圖2。

圖2 LNG混合物溫度密度擬合曲線

LNG混合物溫度密度擬合方程為

ρ=-1.42t+227.85

(4)

以貨艙1P為例，根據測試前LNG溫度計算得出LNG密度為449.78 kg/m3，體積為3 503.32 m3，測試后密度為447.69 kg/m3，體積3 499.55 m3，貨艙容積為3 679.29 m3，測試時間為2.5 d。代入到計算公式中得到貨艙1P蒸發率，同理可以計算出其余貨艙蒸發率[7]。

4 結論

對C型貨艙蒸發率，采用最常用的稱重法，通過對貨物系統運營的實測參數進行分析計算，得到相對準確的貨艙蒸發率，從而驗證貨艙實際蒸發率與設計蒸發率的差異。

同時，貨艙蒸發率會受到LNG組分、環境溫度、液罐壓力，充灌率等的影響，可以在計算中進行修正。另外，為保證貨艙蒸發率滿足設計，通常在貨艙設計過程中增加一定液罐絕緣厚度，預留一定設計余量。