張 春 偉

（上海佳豪船舶工程設(shè)計股份有限公司，上海 201504）

中小型LNG船舶獨立C型儲罐裝載率研究

張 春 偉

（上海佳豪船舶工程設(shè)計股份有限公司，上海 201504）

對于C型獨立液貨儲罐的中小型LNG船舶，當已確定貨物的成分、液體密度等必要的物理性質(zhì)以及儲罐構(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，應對儲罐的極限裝載率進行計算，確定最大裝貨率，防止由于過度裝載以及運輸過程中通過吸收外界熱量帶來的溫升和液貨體積膨脹，導致壓力釋放閥被LNG浸沒而故障失效以及LNG溢出等危險事故的發(fā)生。結(jié)合28000m3LNG運輸船設(shè)計工作，對獨立C型LNG儲罐裝載率計算方法進行研究；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，實現(xiàn)在確保船舶安全的前提下，最大限度地提高運輸效率的可行性。

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的臨界溫度遠低于環(huán)境溫度，所以只能采用全冷凍的條件下運輸與貯存，即在常壓沸點（-164℃）溫度下運輸［1］。

C型獨立液貨儲罐是按照壓力容器設(shè)計標準設(shè)計的耐壓式LNG液貨艙，早期C型獨立液貨艙LNG船大多采用半冷半壓的運輸方式，罐體的設(shè)計溫度可不低于LNG的沸點，但需要罐體的耐壓能力較高，并且載運的貨物密度較小，經(jīng)濟性較差。近年來，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型獨立液貨艙LNG船已基本采用全冷式的運輸方式，通過儲罐絕熱技術(shù)、噴淋降溫等措施，控制LNG運輸過程中的溫升和氣化量。

但任何絕熱形式都不可能達到理論上的熱絕緣，其使用的絕緣材料依然存在一定的熱傳導性。在運輸過程中，C型獨立液貨儲罐會從周圍環(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消耗，BOG的增加將導致艙內(nèi)壓力逐漸升高。當儲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，儲罐內(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急保護措施，但在LNG船運領(lǐng)域內(nèi)是將其定義為事故級別的。而相比BOG從安全釋放閥排出控制儲罐壓力來說，更為危險的是，如果LNG儲罐裝載時不留有一定的氣相空間，完全裝滿的話，當儲罐溫度和壓力上升時，LNG液體就會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)計的，沒有考慮噴出液體的情況，因此，會導致閥門機構(gòu)的過壓損壞。同時，安全釋放閥噴出液體比噴出氣體對船舶和周圍環(huán)境的危險程度更高［2］。

因此，對于C型獨立液貨儲罐的中小型LNG船舶，當已確定貨物的成分、液體密度等必要的物理性質(zhì)以及儲罐構(gòu)造、設(shè)備參數(shù)、MARVS等必要數(shù)據(jù)資料時，應對儲罐的極限裝載率進行計算，確定最大裝貨率，防止危險事故的發(fā)生。

1　充裝極限計算原則

充裝極限（FL）系指：當液體貨物達到基準溫度（TR）時，液貨艙內(nèi)的最大液體體積與整個液貨艙容積之比［3］。在確定C型獨立LNG儲罐充裝極限時，應遵循IMO（國際海事組織）制定的《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》（IGC）關(guān)于充裝極限的要求。

對于安裝過壓安全釋放閥或附加壓力釋放裝置的LNG貨物儲罐，當貨物溫度達到相應于MARVS的飽和溫度時，按照不使液貨由安全釋放閥噴出的原則來確定最大充裝極限。同時，為了不使液貨從安全閥噴出，應考慮在船舶15°橫傾和0.015Lf縱傾條件下（Lf是船舶滿載水線長度），安全閥的位置應處于氣相部位。還應考慮液位和溫度探測裝置的測量誤差。由于火災的發(fā)生具有不確定性，火災的程度也無法量化，對火災時溫度上升的現(xiàn)象還不能進行定量的計算和說明［4］，因此在計算充裝極限時可不考慮火災波及時的蒸發(fā)氣生成量對充裝極限的額外要求，僅假定在貨物載運過程中貨物的溫度均勻上升。

2　充裝極限計算方法

C型獨立LNG液貨儲罐的最大充裝極限應被確定為蒸汽空間在基準溫度下具有的最小體積以允許：1） 儀器的公差，例如液位和溫度測量儀；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，該裕量應考慮到裝置完成后回流至液貨艙的液體、操作員的反應時間和閥的關(guān)閉時間［5］。

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

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

在確定最高液面時，應考慮在船舶15°橫傾和0.015Lf縱傾條件下（Lf是船舶滿載水線長度），安全閥的位置應處于氣相部位（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。由于儲罐內(nèi)LNG貨物在載運、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，應根據(jù)載貨、裝卸過程中可能達到的最高貨物溫度狀態(tài)下的貨物密度，確定實際的裝載極限。裝載極限可按式（4）計算：

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，用百分數(shù)表示； FL——充裝極限，用百分數(shù)表示； ρR——在基準溫度（ TR）下貨物的相對密度； ρL——在裝載溫度下貨物的相對密度。

當船舶配備了規(guī)范要求的貨物蒸氣壓力/溫度控制設(shè)施時，ρR可以是在環(huán)境設(shè)計溫度狀態(tài)下裝貨終止時、運輸期間或卸貨時的最高溫度下的貨物相對密度，即MARVS對應的貨物飽和溫度下的貨物相對密度。ρR的取值可以根據(jù)LNG組成成分進行計算求得；當LNG中甲烷摩爾含量較高時，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，忽略壓力對密度的影響）。ρL的計算取值方法與上述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，應得到準確的數(shù)據(jù)以計算實際的裝載極限。

圖5　液化氣液密度/溫度曲線

4　實例應用

為驗證上述裝載率極限計算方法，并在實際設(shè)計項目中推廣應用，以佳豪公司設(shè)計的28000m3LNG運輸船為例，對儲罐裝載率進行計算驗證。

28000m3LNG運輸船是為大連因泰集團設(shè)計的采用C型獨立儲罐形式貨物維護系統(tǒng)的新型LNG運輸船，由大連中遠船務(wù)工程有限公司建造。該船設(shè)有3個雙耳型獨立C型LNG儲罐，罐體基本特征見表2。

表2　28000m3LNG運輸船罐體基本特征

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

表3　28000m3LNG運輸船儲罐裝載率計算

根據(jù)計算結(jié)果可知，該船基準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。在按照儲罐設(shè)計壓力值調(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%。該計算結(jié)果與目前營運中的同類型LNG船的極限裝載率基本一致?？紤]到該船采用LNG燃料主機作為推進動力源，并設(shè)置了蒸發(fā)氣應急燃燒裝置（GCU），作為貨物蒸氣壓力/溫度控制設(shè)施。船舶運營過程中，儲罐的BOG壓力將有效控制在遠低于壓力釋放閥開啟設(shè)定值的水平，因此可通過適當降低壓力釋放閥開啟設(shè)定值來提高裝載率。

5　MARVS與裝載率的關(guān)系

對于中小型LNG船舶的獨立C型儲罐MARVS是與儲罐的強度和系統(tǒng)的設(shè)計壓力相關(guān)的，是一個可以確定的值。對于配備了規(guī)范要求的貨物蒸氣壓力/溫度控制設(shè)施的獨立C型LNG儲罐，在裝貨終止時、運輸期間或卸貨時可能達到的最高溫度就是MARVS對應的貨物飽和溫度，這一溫度即是基準溫度（TR），是確定的溫度值。

由圖4可知，MARVS取值越高，用于裝載率計算的基準溫度越高，即實際裝貨溫度與理論計算的基準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，從壓力溫度控制角度考慮，MARVS提高后，增強了儲罐的蓄壓能力，允許冷的貨物裝載運輸時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，基準溫度的取值相應提高，而基準溫度下的貨物密度是降低的，按照裝載率計算公式計算的裝載極限是降低的。因此，可以反過來理解，是通過降低儲罐的裝載率，留出更多的氣相空間用于抵抗更大的貨物溫升帶來的壓力升高，降低安全閥釋放的風險，保證貨物操作的安全。

6　結(jié) 語

由于 LNG具有低溫、易揮發(fā)等特殊危險性，未經(jīng)計算核實的裝載率存在巨大的安全隱患，如發(fā)生安全閥進氣口浸沒于液面以下而導致失效、液貨通過安全閥噴出、發(fā)生船體結(jié)構(gòu)低溫脆化、火災等安全事故。因此，對于中小型LNG船舶的獨立C型LNG儲罐，準確計算儲罐裝載極限是確保船舶運營安全的前提。同時，根據(jù)運輸能力需求，合理調(diào)整MARVS，提高儲罐裝載率，可實現(xiàn)在確保船舶安全的前提下，最大限度的提高運輸效率。

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

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

［3］ 中國船級社. 散裝運輸液化氣體船舶構(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)于哈爾濱工程大學熱能與動力工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶及海洋工程輪機技術(shù)開發(fā)研究及設(shè)計工作。