30萬(wàn) t級(jí)VLCC天然氣動(dòng)力船舶艙容計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071)

30萬(wàn) t級(jí)VLCC天然氣動(dòng)力船舶艙容計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉曉華

(青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071)

針對(duì)大型LNG儲(chǔ)罐艙容精確計(jì)量難度大的問(wèn)題，根據(jù)VLCC船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和儲(chǔ)罐特性，合理選擇C型燃料儲(chǔ)罐；分析艙容計(jì)量特殊性和計(jì)量設(shè)備的特點(diǎn)，考慮C型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)和營(yíng)運(yùn)過(guò)程中船舶橫傾、縱傾情況建立艙容計(jì)量的數(shù)學(xué)模型；根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行艙容計(jì)量軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

VLCC；C型儲(chǔ)罐；艙容計(jì)量；LNG動(dòng)力船；數(shù)學(xué)建模

國(guó)際公約對(duì)SOx和NOx排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，包括我國(guó)在內(nèi)，全球很多地區(qū)劃定了限制排放的區(qū)域。LNG作為清潔能源，能很好地滿足國(guó)際公約要求，而且運(yùn)營(yíng)成本比船用燃料油更低。因此LNG燃料代替燃料油已經(jīng)提上日程， LNG船舶有很大的市場(chǎng)前景和發(fā)展空間。MAN B&W和瓦錫蘭公司在LNG柴油機(jī)和供氣系統(tǒng)等方面進(jìn)行了卓有成效的研究，技術(shù)日臻成熟，但現(xiàn)今LNG船舶主要是用于內(nèi)河和近海的小型船舶[1-3]。大型遠(yuǎn)洋船舶的燃料儲(chǔ)存罐體積龐大，營(yíng)運(yùn)過(guò)程受船舶縱傾、橫傾影響也大，艙容準(zhǔn)確計(jì)量困難。為此，考慮通過(guò)合理進(jìn)行儲(chǔ)罐選型，對(duì)艙容計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行研究和軟件開(kāi)發(fā)。

1 LNG儲(chǔ)罐的選型與布置

選擇中國(guó)遠(yuǎn)洋海運(yùn)集團(tuán)“船用LNG燃料儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究”項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的30萬(wàn) t級(jí)VLCC，主要參數(shù)見(jiàn)表1。該船航線選取中東裝油途經(jīng)新加坡終到青島卸貨的典型航線，單程航行23 d(中東—新加坡單程14 d，新加坡—青島單程9 d)，考慮到滿載不易加注燃料、加注地燃料價(jià)格差異及盡可能減少儲(chǔ)罐體積等因素，選擇中東、新加坡2港各加注燃料一次。儲(chǔ)罐LNG容量按最大自持力31 d計(jì)算[4-5]。

表1 VLCC船舶主要參數(shù)

1.1 儲(chǔ)罐的選型

船用LNG儲(chǔ)罐通常采用低溫低壓儲(chǔ)罐。薄膜型儲(chǔ)罐和球艙型儲(chǔ)罐在LNG儲(chǔ)存上有很大的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛，但這2種形式主要應(yīng)用于超過(guò)10 000 m3超大儲(chǔ)罐，而且承壓能力較低[6]。儲(chǔ)罐外形為球形,可減少晃動(dòng)，便于計(jì)量，但在船舶上安裝和布置困難，因而船用儲(chǔ)存罐通常設(shè)計(jì)為中間為圓柱體，2端封頭為半球體或橢球體，也有少數(shù)中間菱形設(shè)計(jì)。本案采用的是2個(gè)C型儲(chǔ)罐(2端封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢球體，中間部分為圓柱體)，如圖1所示。

圖1 LNG儲(chǔ)罐布置示意

1.2 儲(chǔ)罐的布置

LNG主要組分為甲烷，熱值約為50 MJ/kg與燃料油(約42 MJ/kg)相仿，但其密度不到普通燃油(約980 kg/m3)的一半。同時(shí)LNG沸點(diǎn)在-163 ℃左右，儲(chǔ)罐內(nèi)外溫差大，需要較厚的保溫層，還需采用雙金殼和內(nèi)外支撐結(jié)構(gòu)以保證安全、防止泄漏[7]。因而，LNG儲(chǔ)罐重量通常是船用燃料油艙的2.5倍左右，布置占用的空間是后者的5倍左右[8]。因此，大型遠(yuǎn)洋船舶LNG儲(chǔ)存罐重量大影響載重，而且體積龐大布置困難。LNG儲(chǔ)罐如果若安裝在甲板的下面，會(huì)影響貨艙的布置，由于其處在密閉艙室，通風(fēng)差，一旦發(fā)生泄漏不利于燃?xì)獾臄U(kuò)散，為滿足規(guī)范要求還需加裝一些特殊裝置保證安全[9-10]。而儲(chǔ)罐布置在甲板上有利于通風(fēng)，防止燃?xì)饧?，其主要缺陷是占用大量甲板空間[11]。

本船甲板面積大，有利于儲(chǔ)罐、供氣站、加注站的布置和管線閥件等附件的安裝，而且儲(chǔ)罐影響載重的問(wèn)題也容易解決。綜上所述，采用2個(gè)C型儲(chǔ)罐。

2 儲(chǔ)罐艙容計(jì)量和液位測(cè)量

儲(chǔ)罐艙容準(zhǔn)確計(jì)量在船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中有重要意義：①航行過(guò)程中，隨時(shí)掌握每個(gè)儲(chǔ)罐的存量，及時(shí)調(diào)換使用儲(chǔ)罐，利于船舶穩(wěn)性和吃水的調(diào)整，保證航行安全；②及時(shí)掌握燃料剩余量，根據(jù)日消耗量準(zhǔn)確計(jì)算船舶續(xù)航時(shí)間和續(xù)航距離，綜合價(jià)格和對(duì)船舶載重的影響，合理選擇加裝港和加裝量達(dá)到經(jīng)濟(jì)利益最大化；③燃料加注時(shí)，準(zhǔn)確計(jì)算燃料預(yù)加注總量和儲(chǔ)罐的加注分配，隨時(shí)掌控加注過(guò)程，保證加注安全，還可避免與燃料供應(yīng)商產(chǎn)生計(jì)量糾紛。

2.1 儲(chǔ)罐艙容計(jì)量特殊性

根據(jù)C型儲(chǔ)罐布置方案和LNG燃料的特點(diǎn)，采用液位計(jì)算法對(duì)儲(chǔ)罐艙容計(jì)量。根據(jù)液位測(cè)量值、船舶吃水差、橫傾角度，通過(guò)查艙容表或通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行艙容體積計(jì)算。但LNG儲(chǔ)罐通艙容計(jì)量同普通燃料艙計(jì)量有很大不同。

1)LNG儲(chǔ)罐是密閉壓力容器，不能同普通燃料艙那樣，通過(guò)測(cè)量尺和測(cè)量管進(jìn)行測(cè)深測(cè)量。

2)LNG內(nèi)罐處于在-163 ℃的低溫環(huán)境，不能采用與燃料接觸的普通液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

3)而LNG儲(chǔ)罐正常儲(chǔ)存液位上限為95%，下限為15%，上部為氣體艙容。普通燃料艙，可用燃料為艙內(nèi)所存液體，而LNG儲(chǔ)罐上部氣體艙容亦屬燃料，也應(yīng)計(jì)算在艙容之內(nèi)。

2.2 儲(chǔ)罐液位測(cè)量裝置

由于LNG儲(chǔ)罐液位無(wú)法實(shí)現(xiàn)人工測(cè)量，因而需安裝液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量，通常液位計(jì)安裝在儲(chǔ)罐圓柱體中間。由于儲(chǔ)罐內(nèi)溫度很低且有較高壓力，因而液位計(jì)不能直接與儲(chǔ)罐LNG接觸。本案采用伺服液位計(jì)，該液位計(jì)屬于非接觸式液位計(jì)，能夠與被測(cè)介質(zhì)完全隔離，可防止液位計(jì)損壞，造成介質(zhì)外泄事故。由于LNG儲(chǔ)罐燃料的加裝口在儲(chǔ)罐的底部，因而儲(chǔ)罐液位較低時(shí)，LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐產(chǎn)生的旋流會(huì)對(duì)液位計(jì)浮球產(chǎn)生沖擊，影響液位指示的準(zhǔn)確性，為保證測(cè)量精度，液位計(jì)采用波導(dǎo)管安裝。安裝時(shí)應(yīng)注意：波導(dǎo)管安裝位置要避開(kāi)LNG加裝口，以防止加注時(shí)LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐沖擊測(cè)量浮球，其位置還應(yīng)距離儲(chǔ)罐內(nèi)壁500 mm以上，以防受內(nèi)罐溫度影響，同時(shí)進(jìn)液孔要光滑、無(wú)毛刺，以防止刮擦測(cè)量浮球；伺服液位計(jì)連接法蘭的安裝要有正確的安裝角，以防測(cè)量浮球與波導(dǎo)管相接觸而影響液位計(jì)測(cè)量精度。

LNG儲(chǔ)罐艙容液位測(cè)量除了安裝伺服液位計(jì)外，還必須有連續(xù)液位自動(dòng)測(cè)量裝置，以便隨時(shí)掌握艙容變化。本案采用液位-溫度-密度一體自動(dòng)測(cè)量裝置(LTD液位計(jì))。同時(shí)可在加注管路上安裝體積流量計(jì)進(jìn)行加裝量的測(cè)量，常用的體積流量計(jì)量包括孔板式、旋渦式、容積式以及超聲波式等,其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，本文不再贅述。

3 儲(chǔ)罐計(jì)量模型

目前航運(yùn)市場(chǎng)低迷，大多數(shù)船舶采用最大功率的70%航行，設(shè)計(jì)采用最大功率的67%航行，LNG密度450 kg/m3，發(fā)熱值50.2 MJ/kg，LNG日耗量63 t/d。儲(chǔ)罐主要計(jì)量參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 LNG儲(chǔ)罐主要計(jì)量參數(shù)

3.1 船舶橫傾、縱傾引起的誤差

在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，船舶受貨物配載、風(fēng)浪涌等因素的影響會(huì)產(chǎn)生橫傾、縱傾，從而產(chǎn)生計(jì)量誤差。

3.1.1 船舶左右橫傾引起的高度誤差

儲(chǔ)罐橫傾模型，見(jiàn)圖2。

圖2 儲(chǔ)罐橫傾模型

(1)

式中：h為實(shí)際液位高度；h″為中間位置測(cè)得的液位高度。

3.1.2 船舶前后縱傾的切面計(jì)算

儲(chǔ)罐縱傾模型，見(jiàn)圖3。

圖3 儲(chǔ)罐縱傾模型

1)橢球體積為

V=(2 257.48-π×5.52×20)÷2=178.89 m3

2)切面公式為

y=-xtanα+h+10tanα-5.5v

(2)

x=(h+10tanα-5.5-y)÷tanα

(3)

3)左邊半橢球方程式為

(4)

式中a=2.8；b=5.5；c=5.5。

3.2 艙容總體積計(jì)算

液位變化見(jiàn)圖4。

圖4 液位變化示意

1)當(dāng)y=-5.5,0

(1)左邊橢球上部分體積V1。

(5)

(2)中間規(guī)則部分體積V2。

(6)

(3)總體積V。

V=V2+178.89-V1

(7)

2)當(dāng)y=-5.5，x>20,且x=0,y<5.5時(shí)，如圖4b)所示。

(8)

y=-20tanα+h+10tanα-5.5。

(2)右邊橢球上部分體積V2。

(9)

(3)總體積V。

(10)

3)當(dāng)x=0時(shí)，y>5.5；如圖4c)所示。

(11)

y=-20tanα+h+10tanα-5.5。

(2)總體積V。

(12)

4 計(jì)量軟件設(shè)計(jì)

艙容計(jì)量軟件在Visual Studio 2013環(huán)境下，運(yùn)用C#語(yǔ)言，基于C#完全面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)[12]，開(kāi)發(fā)在WINDOWS操作系統(tǒng)下運(yùn)行的LNG儲(chǔ)罐艙容計(jì)量軟件。

4.1 軟件主頁(yè)面設(shè)計(jì)

軟件主界面見(jiàn)圖5。

圖5 軟件主界面

4.2 參數(shù)設(shè)定頁(yè)面設(shè)計(jì)

點(diǎn)擊“參數(shù)設(shè)定”按鈕，進(jìn)入初始值設(shè)定界面如圖6。

圖6 初始值設(shè)定界面

在此頁(yè)面可對(duì)船舶吃水差、船舶橫傾角度、儲(chǔ)罐壓力、儲(chǔ)罐液位等參數(shù)在一定范圍內(nèi)設(shè)定。如設(shè)定值超出設(shè)定范圍，點(diǎn)擊"確定"按鈕時(shí)會(huì)出現(xiàn)設(shè)定值報(bào)錯(cuò)提醒頁(yè)面。

例如如果船舶吃水差設(shè)定錯(cuò)誤，報(bào)錯(cuò)提示頁(yè)面如圖7，同樣，船舶橫傾角度、儲(chǔ)罐壓力、儲(chǔ)罐液位等參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤也會(huì)有相關(guān)的報(bào)錯(cuò)提示頁(yè)面。

圖7 吃水差報(bào)錯(cuò)界面

當(dāng)設(shè)定值設(shè)定正確時(shí)，如圖8。

圖8 初始值設(shè)定正確界面

4.3 計(jì)算結(jié)果頁(yè)面設(shè)計(jì)

各參數(shù)設(shè)定完成后，點(diǎn)擊"確定"按鈕，則頁(yè)面顯示儲(chǔ)罐液位高度，如圖9。

圖9 LNG動(dòng)力船燃料儲(chǔ)罐計(jì)量界面

點(diǎn)擊“計(jì)算結(jié)果”按鈕，后臺(tái)程序自動(dòng)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出頁(yè)面如圖10。其中總艙容為2個(gè)LNG儲(chǔ)罐艙容之和，沖裝率是每個(gè)儲(chǔ)罐艙容占儲(chǔ)罐容積的百分比，同時(shí)該頁(yè)面顯示LNG預(yù)計(jì)可燃用天數(shù)。

圖10 LNG儲(chǔ)罐容量計(jì)算結(jié)果界面

5 結(jié)論

該艙容計(jì)量軟件結(jié)合了C型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)和布置特點(diǎn)，主要考慮船舶吃水差，船舶傾斜角度等參數(shù)對(duì)計(jì)量的影響。同時(shí)，儲(chǔ)罐上部的可燃?xì)怏w空間，根據(jù)LNG飽和壓力與飽和溫度、密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將其計(jì)算在艙容之內(nèi)。本軟件可根據(jù)液位高度計(jì)算每個(gè)儲(chǔ)罐的艙容、沖裝率和總艙容，并根據(jù)總艙容和LNG日耗量計(jì)算出預(yù)計(jì)可燃用天數(shù)。

軟件開(kāi)發(fā)選取67%最大功率運(yùn)營(yíng)，而航行中船舶受風(fēng)浪、洋流等外在條件的影響，燃料日耗量會(huì)不同，同時(shí)加注港口不同，燃料密度、熱值等參數(shù)會(huì)有所差別。因此在計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況將軟件相關(guān)參數(shù)加以修正，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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Design of Tank Capacity Measurement System for 30 000 Ton Class Natural Gas Powered VLCC

YEXiao-hua

(Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao Shandong 266071, China)

It is very difficult to measure the capacity of large LNG tank accurately. The characteristics of VLCC vessels’ structure and storage tanks were analyzed to selecte the type of LNG fuel storage tanks reasonably, as well as the particularities of the tank capacity measurement and metering equipment. The mathematical model of the tank capacity measurement was established according to the structure of C type tank, considering the heel and trim of the vessel during the course of operation. According to the mathematical model, the tank capacity measurement software was developed.

VLCC; C type tank; capacity measurement; LNG powered vessel; mathematical modeling

U674.13

A

1671-7953(2017)06-0045-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.010

2017-01-16

2017-03-07

山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃(J16LB75)；中國(guó)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸(集團(tuán))總公司應(yīng)用研究計(jì)劃(2015-1-H-010)

葉曉華(1978—)，男，碩士，講師

研究方向：現(xiàn)代輪機(jī)管理；液化氣船新技術(shù)應(yīng)用