張 春 偉

（上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司，上海 201504）

中小型LNG船舶獨(dú)立C型儲(chǔ)罐裝載率研究

張 春 偉

（上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司，上海 201504）

對(duì)于C型獨(dú)立液貨儲(chǔ)罐的中小型LNG船舶，當(dāng)已確定貨物的成分、液體密度等必要的物理性質(zhì)以及儲(chǔ)罐構(gòu)造、設(shè)備參數(shù)、壓力釋放閥最大許用設(shè)定等數(shù)據(jù)資料時(shí)，應(yīng)對(duì)儲(chǔ)罐的極限裝載率進(jìn)行計(jì)算，確定最大裝貨率，防止由于過度裝載以及運(yùn)輸過程中通過吸收外界熱量帶來(lái)的溫升和液貨體積膨脹，導(dǎo)致壓力釋放閥被LNG浸沒而故障失效以及LNG溢出等危險(xiǎn)事故的發(fā)生。結(jié)合28000m3LNG運(yùn)輸船設(shè)計(jì)工作，對(duì)獨(dú)立C型LNG儲(chǔ)罐裝載率計(jì)算方法進(jìn)行研究；基于規(guī)范的基本定義，確定了充裝極限和裝載極限的精確算法。通過分析儲(chǔ)罐壓力釋放閥最大許用設(shè)定值（Maximun Allowable Relief Valve Setting， MARVS）與極限裝載率的關(guān)系和合理調(diào)整壓力釋放閥設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)在確保船舶安全的前提下，最大限度地提高運(yùn)輸效率的可行性。

液化天然氣；裝載率；充裝極限；裝載極限；壓力釋放閥最大許用設(shè)定值

0　引 言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）的主要成分是甲烷。通過低溫制冷技術(shù)，在常壓下將天然氣冷卻至＜-164℃，使其液化。由于LNG的臨界溫度遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，所以只能采用全冷凍的條件下運(yùn)輸與貯存，即在常壓沸點(diǎn)（-164℃）溫度下運(yùn)輸［1］。

C型獨(dú)立液貨儲(chǔ)罐是按照壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的耐壓式LNG液貨艙，早期C型獨(dú)立液貨艙LNG船大多采用半冷半壓的運(yùn)輸方式，罐體的設(shè)計(jì)溫度可不低于LNG的沸點(diǎn)，但需要罐體的耐壓能力較高，并且載運(yùn)的貨物密度較小，經(jīng)濟(jì)性較差。近年來(lái)，隨著材料制造工藝的提升，罐體制造普遍使用的9Ni鋼及奧氏體不銹鋼等材料均可承受＜-192℃的溫度。因此，C型獨(dú)立液貨艙LNG船已基本采用全冷式的運(yùn)輸方式，通過儲(chǔ)罐絕熱技術(shù)、噴淋降溫等措施，控制LNG運(yùn)輸過程中的溫升和氣化量。

但任何絕熱形式都不可能達(dá)到理論上的熱絕緣，其使用的絕緣材料依然存在一定的熱傳導(dǎo)性。在運(yùn)輸過程中，C型獨(dú)立液貨儲(chǔ)罐會(huì)從周圍環(huán)境中不斷吸收熱量，使罐內(nèi)LNG溫度逐漸升高，并不斷產(chǎn)生液貨蒸發(fā)氣（Boil Off Gas，BOG）。如果BOG不能有效控制并及時(shí)消耗，BOG的增加將導(dǎo)致艙內(nèi)壓力逐漸升高。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力超過安全釋放閥最大許用設(shè)定值（Maximun A llowable Relief Valve Setting，MARVS）時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG將從安全釋放閥排至大氣。安全釋放閥超壓起跳雖然是作為一種保障船舶和貨物安全的應(yīng)急保護(hù)措施，但在LNG船運(yùn)領(lǐng)域內(nèi)是將其定義為事故級(jí)別的。而相比BOG從安全釋放閥排出控制儲(chǔ)罐壓力來(lái)說(shuō)，更為危險(xiǎn)的是，如果LNG儲(chǔ)罐裝載時(shí)不留有一定的氣相空間，完全裝滿的話，當(dāng)儲(chǔ)罐溫度和壓力上升時(shí)，LNG液體就會(huì)從罐體的安全釋放閥噴出。這種壓力釋放閥是按照釋放一定量氣體設(shè)計(jì)的，沒有考慮噴出液體的情況，因此，會(huì)導(dǎo)致閥門機(jī)構(gòu)的過壓損壞。同時(shí)，安全釋放閥噴出液體比噴出氣體對(duì)船舶和周圍環(huán)境的危險(xiǎn)程度更高［2］。

因此，對(duì)于C型獨(dú)立液貨儲(chǔ)罐的中小型LNG船舶，當(dāng)已確定貨物的成分、液體密度等必要的物理性質(zhì)以及儲(chǔ)罐構(gòu)造、設(shè)備參數(shù)、MARVS等必要數(shù)據(jù)資料時(shí)，應(yīng)對(duì)儲(chǔ)罐的極限裝載率進(jìn)行計(jì)算，確定最大裝貨率，防止危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

1　充裝極限計(jì)算原則

充裝極限（FL）系指：當(dāng)液體貨物達(dá)到基準(zhǔn)溫度（TR）時(shí)，液貨艙內(nèi)的最大液體體積與整個(gè)液貨艙容積之比［3］。在確定C型獨(dú)立LNG儲(chǔ)罐充裝極限時(shí)，應(yīng)遵循IMO（國(guó)際海事組織）制定的《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》（IGC）關(guān)于充裝極限的要求。

對(duì)于安裝過壓安全釋放閥或附加壓力釋放裝置的LNG貨物儲(chǔ)罐，當(dāng)貨物溫度達(dá)到相應(yīng)于MARVS的飽和溫度時(shí)，按照不使液貨由安全釋放閥噴出的原則來(lái)確定最大充裝極限。同時(shí)，為了不使液貨從安全閥噴出，應(yīng)考慮在船舶15°橫傾和0.015Lf縱傾條件下（Lf是船舶滿載水線長(zhǎng)度），安全閥的位置應(yīng)處于氣相部位。還應(yīng)考慮液位和溫度探測(cè)裝置的測(cè)量誤差。由于火災(zāi)的發(fā)生具有不確定性，火災(zāi)的程度也無(wú)法量化，對(duì)火災(zāi)時(shí)溫度上升的現(xiàn)象還不能進(jìn)行定量的計(jì)算和說(shuō)明［4］，因此在計(jì)算充裝極限時(shí)可不考慮火災(zāi)波及時(shí)的蒸發(fā)氣生成量對(duì)充裝極限的額外要求，僅假定在貨物載運(yùn)過程中貨物的溫度均勻上升。

2　充裝極限計(jì)算方法

C型獨(dú)立LNG液貨儲(chǔ)罐的最大充裝極限應(yīng)被確定為蒸汽空間在基準(zhǔn)溫度下具有的最小體積以允許：1） 儀器的公差，例如液位和溫度測(cè)量?jī)x；2） 壓力釋放閥調(diào)定壓力和最大許用設(shè)定值之間的貨物體積膨脹；3） 操作裕量，該裕量應(yīng)考慮到裝置完成后回流至液貨艙的液體、操作員的反應(yīng)時(shí)間和閥的關(guān)閉時(shí)間［5］。

最大充裝極限是假定在整個(gè)裝卸和運(yùn)輸過程中貨物始終保持基準(zhǔn)溫度的狀態(tài)下，考慮上述條件時(shí)液貨艙可裝載體積與整個(gè)液貨艙艙容的比值，可按式（1）計(jì)算。

式中：FL——充裝極限；a1——裝于罐體的液位計(jì)的最大設(shè)計(jì)誤差（用相對(duì)于罐體滿刻度的百分?jǐn)?shù)表示）的1/x倍，一般液位計(jì)的最大設(shè)計(jì)誤差為0.02%～0.05%；

在確定最高液面時(shí)，應(yīng)考慮在船舶15°橫傾和0.015Lf縱傾條件下（Lf是船舶滿載水線長(zhǎng)度），安全閥的位置應(yīng)處于氣相部位（見圖1～3）。

圖1　雙耳罐典型截面

圖2　橫傾15°狀態(tài)下的最高液位

圖3　縱傾0.015Lf狀態(tài)下的最高液位

圖4　飽和蒸汽溫度/壓力對(duì)照表

表1　罐體過壓安全閥設(shè)定壓力容許范圍

3　裝載極限計(jì)算

裝載極限（LL）系指最大許可的液體體積與液貨艙可裝載體積之比。由于儲(chǔ)罐內(nèi)LNG貨物在載運(yùn)、裝卸等過程中，通過吸收周圍環(huán)境的熱量，貨物溫度持續(xù)升高，貨物密度下降。因此，在充裝極限的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)載貨、裝卸過程中可能達(dá)到的最高貨物溫度狀態(tài)下的貨物密度，確定實(shí)際的裝載極限。裝載極限可按式（4）計(jì)算：

式中： LL——裝載極限，指最大許可的液體體積與液貨艙可裝載體積之比，用百分?jǐn)?shù)表示； FL——充裝極限，用百分?jǐn)?shù)表示； ρR——在基準(zhǔn)溫度（ TR）下貨物的相對(duì)密度； ρL——在裝載溫度下貨物的相對(duì)密度。

當(dāng)船舶配備了規(guī)范要求的貨物蒸氣壓力/溫度控制設(shè)施時(shí)，ρR可以是在環(huán)境設(shè)計(jì)溫度狀態(tài)下裝貨終止時(shí)、運(yùn)輸期間或卸貨時(shí)的最高溫度下的貨物相對(duì)密度，即MARVS對(duì)應(yīng)的貨物飽和溫度下的貨物相對(duì)密度。ρR的取值可以根據(jù)LNG組成成分進(jìn)行計(jì)算求得；當(dāng)LNG中甲烷摩爾含量較高時(shí)，也可通過液化氣密度/溫度曲線（圖5）快速求得。

ρL正常情況下可以取-164℃飽和溫度下的液密度（假定氣體不可壓縮，忽略壓力對(duì)密度的影響）。ρL的計(jì)算取值方法與上述ρR相同。

由于貨物密度受貨物裝載溫度和組成成分不同的影響，不同的航次、不同的環(huán)境條件、不同的貨源條件，裝載極限都不同。因此，在貨物裝載之前，應(yīng)得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)以計(jì)算實(shí)際的裝載極限。

圖5　液化氣液密度/溫度曲線

4　實(shí)例應(yīng)用

為驗(yàn)證上述裝載率極限計(jì)算方法，并在實(shí)際設(shè)計(jì)項(xiàng)目中推廣應(yīng)用，以佳豪公司設(shè)計(jì)的28000m3LNG運(yùn)輸船為例，對(duì)儲(chǔ)罐裝載率進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。

28000m3LNG運(yùn)輸船是為大連因泰集團(tuán)設(shè)計(jì)的采用C型獨(dú)立儲(chǔ)罐形式貨物維護(hù)系統(tǒng)的新型LNG運(yùn)輸船，由大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司建造。該船設(shè)有3個(gè)雙耳型獨(dú)立C型LNG儲(chǔ)罐，罐體基本特征見表2。

表2　28000m3LNG運(yùn)輸船罐體基本特征

按照上述充裝率計(jì)算方法計(jì)算出的28000m3LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐充裝極限和裝載極限結(jié)果見表3。

表3　28000m3LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐裝載率計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，該船基準(zhǔn)溫度下的充裝極限為97.44%～97.45%，接近規(guī)范要求的98%上限值，是比較合理的結(jié)果。在按照儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力值調(diào)定壓力釋放閥開啟壓力設(shè)定值的情況下，允許的裝載極限為89.1%。該計(jì)算結(jié)果與目前營(yíng)運(yùn)中的同類型LNG船的極限裝載率基本一致?？紤]到該船采用LNG燃料主機(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力源，并設(shè)置了蒸發(fā)氣應(yīng)急燃燒裝置（GCU），作為貨物蒸氣壓力/溫度控制設(shè)施。船舶運(yùn)營(yíng)過程中，儲(chǔ)罐的BOG壓力將有效控制在遠(yuǎn)低于壓力釋放閥開啟設(shè)定值的水平，因此可通過適當(dāng)降低壓力釋放閥開啟設(shè)定值來(lái)提高裝載率。

5　MARVS與裝載率的關(guān)系

對(duì)于中小型LNG船舶的獨(dú)立C型儲(chǔ)罐MARVS是與儲(chǔ)罐的強(qiáng)度和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力相關(guān)的，是一個(gè)可以確定的值。對(duì)于配備了規(guī)范要求的貨物蒸氣壓力/溫度控制設(shè)施的獨(dú)立C型LNG儲(chǔ)罐，在裝貨終止時(shí)、運(yùn)輸期間或卸貨時(shí)可能達(dá)到的最高溫度就是MARVS對(duì)應(yīng)的貨物飽和溫度，這一溫度即是基準(zhǔn)溫度（TR），是確定的溫度值。

由圖4可知，MARVS取值越高，用于裝載率計(jì)算的基準(zhǔn)溫度越高，即實(shí)際裝貨溫度與理論計(jì)算的基準(zhǔn)溫度值的溫差跨距越大，貨物密度的允許變化范圍也越大。也就是說(shuō)，從壓力溫度控制角度考慮，MARVS提高后，增強(qiáng)了儲(chǔ)罐的蓄壓能力，允許冷的貨物裝載運(yùn)輸時(shí)有更大的溫升變化范圍，貨物操作更安全。

但由于貨物密度與貨物溫度是相關(guān)的，由圖5可知，MARVS提高后，基準(zhǔn)溫度的取值相應(yīng)提高，而基準(zhǔn)溫度下的貨物密度是降低的，按照裝載率計(jì)算公式計(jì)算的裝載極限是降低的。因此，可以反過來(lái)理解，是通過降低儲(chǔ)罐的裝載率，留出更多的氣相空間用于抵抗更大的貨物溫升帶來(lái)的壓力升高，降低安全閥釋放的風(fēng)險(xiǎn)，保證貨物操作的安全。

6　結(jié) 語(yǔ)

由于 LNG具有低溫、易揮發(fā)等特殊危險(xiǎn)性，未經(jīng)計(jì)算核實(shí)的裝載率存在巨大的安全隱患，如發(fā)生安全閥進(jìn)氣口浸沒于液面以下而導(dǎo)致失效、液貨通過安全閥噴出、發(fā)生船體結(jié)構(gòu)低溫脆化、火災(zāi)等安全事故。因此，對(duì)于中小型LNG船舶的獨(dú)立C型LNG儲(chǔ)罐，準(zhǔn)確計(jì)算儲(chǔ)罐裝載極限是確保船舶運(yùn)營(yíng)安全的前提。同時(shí)，根據(jù)運(yùn)輸能力需求，合理調(diào)整MARVS，提高儲(chǔ)罐裝載率，可實(shí)現(xiàn)在確保船舶安全的前提下，最大限度的提高運(yùn)輸效率。

［1］ 李品友. 液化氣體海運(yùn)技術(shù)［M］. 大連：大連海事大學(xué)出版社，2003.

［2］ 惠美洋彥. 液化氣運(yùn)輸船實(shí)用手冊(cè)［M］. 黃 勝，馬鑒恩，劉英貴，等，譯. 哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1992.

［3］ 中國(guó)船級(jí)社. 散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范［S］. 北京：人民交通出版社，2006.

［4］ Authen T K，Skramstad E，Nylund J. Gas carriers-effects of fire on the cargo contrainment system［C］. New York： Presented at the Gastech 76 LNG & LPG Conference， 1976： 5-8.

［5］ IMO. MSC93/3， Amendments to the international code for the construction and equipment of ships carrying liquefied gases in bulk （IGC CODE） ［S］.London：IMO， 2014.

Study on the Loading Rate of Type C Independent Storage Tank on M idd le and Small Sized LNG Carriers

ZHANG Chun-wei

（Shanghai BESTWAY Marine Engineering Design Co.，Ltd.， Shanghai 201504）

For m iddle and small size LNG carriers w ith type C independent liquid cargo storage tanks， when the cargo physical properties such as composition and liquid density， as well as the tank construction， equipment parameters，maximum allowable setting of pressure relief valve are known， calculations on the tank loading limit should be performed to determine the maximum loading rate and to avoid the occurrence of hazardous accidents such as failure of pressure relief valve immersed by LNG due to over-loading or temperature increase， or liquid cargo volume expansion through absorbing external heat during transportation， or LNG leakage. Focusing on the design of 28000m3LNG carrier， the type C independent LNG liquid cargo tank loading rate calculation method is studied. The accurate calculation method for the filling limit and loading limit are determ ined based on basic definitions of the regulations. Through analyzing the relationship between Maximum Allowable Relief Valve Setting （MARVS） and loading lim it， and through proper adjustment of the relief valve setting， the highest transportation efficiency w ill achieved on the premise of ship safety being ensured.

liquid natural gas （LNG）； loading rate； filling limit； loading limit； maximum allowable relief valve setting （MARVS）

U674.13+3.3

A

2095-4069 （2016） 02-0021-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.02.005

2015-04-08

張春偉，男，工程師，1980年生。2004年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶及海洋工程輪機(jī)技術(shù)開發(fā)研究及設(shè)計(jì)工作。