C型液艙LNG運(yùn)輸船測(cè)量蒸發(fā)率的計(jì)算與修正

周志峰，張淇鑫，李 輝

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 引 言

日蒸發(fā)率（Daily Boil-off Rate）是液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）運(yùn)輸船建造過(guò)程中和交付時(shí)必須考慮的一個(gè)重要參數(shù)，其準(zhǔn)確性直接影響船舶運(yùn)營(yíng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，需作為擔(dān)保參數(shù)直接寫(xiě)入造船合同中[1]。對(duì)于大型的薄膜型LNG運(yùn)輸船來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)近幾十年的研究和發(fā)展，其蒸發(fā)率的測(cè)量與修正問(wèn)題已得到較好的解決，形成了一套比較成熟的測(cè)量與修正方法。近些年，國(guó)際海事組織（International Maritime Organization, IMO）對(duì)船舶污染氣體排放的要求日趨嚴(yán)格，LNG作為一種清潔高效的替代燃料，越來(lái)越受海運(yùn)界的重視。為滿(mǎn)足LNG的運(yùn)輸需求，近幾年基于C型液艙的小型LNG運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)和建造得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但是，相對(duì)于大型的薄膜型LNG運(yùn)輸船而言，這類(lèi)LNG運(yùn)輸船蒸發(fā)率的測(cè)量與修正方法尚未得到充分的研究，缺乏有效的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支持，在業(yè)界未能形成標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量與修正方法，亟需發(fā)展一套標(biāo)準(zhǔn)的流程和方法，為后續(xù)類(lèi)似船型的設(shè)計(jì)和建造提供參考。本文基于國(guó)內(nèi)某采用 C型液艙的小型LNG運(yùn)輸船的實(shí)測(cè)蒸發(fā)率數(shù)據(jù)，探討蒸發(fā)率的測(cè)量和修正方法。

1 蒸發(fā)率的定義

在標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致貨艙內(nèi)的液相貨物自然蒸發(fā)為氣相貨物，其質(zhì)量占整船貨物質(zhì)量的百分比定義為日蒸發(fā)率，單位為%/d。為使同類(lèi)型LNG運(yùn)輸船的蒸發(fā)率具有可比性，需定義相同的邊界條件。目前標(biāo)準(zhǔn)的外界環(huán)境溫度設(shè)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(shè)定為最大裝載率，通常為98%[3]；同時(shí)，設(shè)定甲板貨物管路內(nèi)無(wú)液相貨物。由于 LNG為混合物，在不同的產(chǎn)地其成分有較大的差別，在定義蒸發(fā)率時(shí)，通常采用純甲烷作為標(biāo)準(zhǔn)貨物[5]，密度為425kg/m3，氣化潛熱為511kJ/kg[2]，用于蒸發(fā)率的前期定義和后續(xù)修正計(jì)算。

2 蒸發(fā)率的測(cè)量

對(duì)于采用C型液艙的LNG運(yùn)輸船來(lái)說(shuō)，目前業(yè)界還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的蒸發(fā)率測(cè)量程序，大多參考大型薄膜型LNG運(yùn)輸船的測(cè)量程序，基于C型液艙和貨物處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)作相應(yīng)的調(diào)整。根據(jù)蒸發(fā)率的定義和標(biāo)準(zhǔn)邊界條件的要求，需通過(guò)甲板貨物處理系統(tǒng)的運(yùn)行保證液貨艙盡量處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)測(cè)量貨物的狀態(tài)數(shù)據(jù)和外部環(huán)境數(shù)據(jù)，做好記錄，用于后續(xù)的計(jì)算和修正?；境绦蛉缦拢?/p>

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(cè)量并記錄貨物各狀態(tài)參數(shù)，包括溫度、壓力及液位；

5) 測(cè)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(dòng)蒸發(fā)氣壓縮機(jī)，供氣給機(jī)艙燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，保證貨艙壓力維持在一個(gè)穩(wěn)定的值，該過(guò)程模擬貨艙處于自然蒸發(fā)的狀態(tài)；

7) 每隔1h，記錄貨物和外界環(huán)境的各類(lèi)參數(shù)[5]。

某采用C型液艙的小型LNG運(yùn)輸船單艙部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，其所裝載貨物的組分見(jiàn)表2。

表1 單艙部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表2 裝載貨物的組分

續(xù)表2

3 蒸發(fā)率的計(jì)算和修正

由于測(cè)試狀態(tài)下實(shí)際的邊界條件不同于蒸發(fā)率定義的標(biāo)準(zhǔn)條件，需根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和修正，可分為2部分，即：基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出實(shí)測(cè)蒸發(fā)率；基于標(biāo)準(zhǔn)的邊界條件修正實(shí)測(cè)蒸發(fā)率至標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)率。

3.1 蒸發(fā)率的計(jì)算

首先基于實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出實(shí)測(cè)蒸發(fā)率。根據(jù)蒸發(fā)率的定義，可得到實(shí)測(cè)日蒸發(fā)率的計(jì)算式為

式(1)中：RBOR為實(shí)測(cè)日蒸發(fā)率，%/d；V1為測(cè)量開(kāi)始時(shí)貨物的體積，m3；V2為測(cè)量結(jié)束時(shí)貨物的體積，m3；d1為測(cè)量開(kāi)始時(shí)貨物的密度，kg/m3；d2為測(cè)量結(jié)束時(shí)貨物的密度，kg/m3；LLNG為貨物的平均氣化潛熱，kJ/kg；H1為測(cè)量開(kāi)始時(shí)貨物的焓值，kJ/kg；H2為測(cè)量結(jié)束時(shí)貨物的焓值，kJ/kg；t為測(cè)試時(shí)間，d。

由上述計(jì)算式可得出蒸發(fā)氣質(zhì)量分為2部分：

1) 由于實(shí)際的液相貨物蒸發(fā)導(dǎo)致的質(zhì)量減少量。

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

分析計(jì)算表1中的測(cè)量參數(shù)和表2中的實(shí)際裝載貨物組分，進(jìn)而根據(jù)蒸發(fā)率計(jì)算式計(jì)算得到實(shí)測(cè)蒸發(fā)率值見(jiàn)表3。

表3 實(shí)測(cè)蒸發(fā)率

3.2 蒸發(fā)率的修正

通過(guò)實(shí)測(cè)得到各邊界條件數(shù)據(jù)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)條件的關(guān)系，可得到各邊界條件的修正系數(shù)，進(jìn)而算出基于標(biāo)準(zhǔn)條件的日蒸發(fā)率，用于檢驗(yàn)實(shí)船日蒸發(fā)率是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)蒸發(fā)率的要求。修正系數(shù)可根據(jù)貨物的物理特性和外界環(huán)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(fā)率的定義，標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)率是標(biāo)準(zhǔn)密度（425kg/m3）下的值，但實(shí)際載運(yùn)的 LNG貨物的密度與其各類(lèi)物質(zhì)的組分所占比例密切相關(guān)，實(shí)測(cè)蒸發(fā)率值需基于實(shí)裝貨物在實(shí)際溫度下的密度進(jìn)行修正。

密度修正系數(shù)C1的計(jì)算式為

式(2)中：d1為測(cè)量開(kāi)始時(shí)LNG貨物的密度，kg/m3；dM為蒸發(fā)率定義的標(biāo)準(zhǔn)密度，425kg/m3。

按前述載運(yùn)貨物組分和測(cè)試開(kāi)始時(shí)的貨物溫度，可計(jì)算得到實(shí)際貨物的密度d1=451.1kg/m3，進(jìn)而可計(jì)算出密度修正系數(shù)C1= 1.006。

3.2.2 貨物氣化潛熱修正

基于蒸發(fā)率的定義，標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)率是標(biāo)準(zhǔn)氣化潛熱（511kJ/kg）下的值，但實(shí)際載運(yùn)的LNG貨物的氣化潛熱與其各類(lèi)物質(zhì)的組分所占比例密切相關(guān)，實(shí)測(cè)蒸發(fā)率需基于實(shí)裝貨物在實(shí)際溫度下的氣化潛熱進(jìn)行修正。

氣化潛熱修正系數(shù)C2的計(jì)算式為

式(3)中：LLNG為貨物在測(cè)量過(guò)程中的平均氣化潛熱值，kJ/kg；LM為蒸發(fā)率定義的標(biāo)準(zhǔn)氣化潛熱值，511kg/m3。

根據(jù)前述載運(yùn)貨物的組分和測(cè)量過(guò)程中貨物的平均溫度，可計(jì)算得到實(shí)際貨物的氣化潛熱LLNG=468.8kJ/kg，進(jìn)而可計(jì)算出氣化潛熱修正系數(shù)C2= 0.919。

3.2.3 貨物裝載體積修正

基于蒸發(fā)率的定義，保證蒸發(fā)率是98%裝載率下的值，需按測(cè)試狀態(tài)下實(shí)際貨物的體積進(jìn)行修正。

體積修正系數(shù)C3的計(jì)算式為

式(4)中：V1為測(cè)量開(kāi)始時(shí)LNG貨物的體積，m3；VM為蒸發(fā)率定義的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際體積VM=3599.49m3，可計(jì)算出體積修正系數(shù)C3= 0.972。

3.2.4 外界溫度修正

基于蒸發(fā)率的定義，保證蒸發(fā)率是標(biāo)準(zhǔn)外界溫度和標(biāo)準(zhǔn)貨物溫度下的值，需按測(cè)試狀態(tài)下實(shí)測(cè)到的貨艙處所溫度和貨物平均溫度進(jìn)行修正。

溫差修正系數(shù)C4的計(jì)算式為

式(5)中：TS為蒸發(fā)率定義的貨艙處所標(biāo)準(zhǔn)溫度，29℃；TM為蒸發(fā)率定義的標(biāo)準(zhǔn)貨物溫度，-161.5℃；TH為實(shí)測(cè)貨艙處所的平均溫度，℃；TLNG為貨物在測(cè)量過(guò)程中的平均溫度，℃。

按前述實(shí)測(cè)的貨艙處所平均溫度TH=23.95℃，貨物平均溫度TLNG=-156.31℃，可計(jì)算得出體積修正系數(shù)C4= 1.057。

3.2.5 貨艙壓力修正

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，通常采用燃?xì)鈮嚎s機(jī)主動(dòng)抽吸貨艙內(nèi)的蒸發(fā)氣的方法，保證貨艙內(nèi)的壓力基本穩(wěn)定在開(kāi)始測(cè)量時(shí)的壓力值，以滿(mǎn)足蒸發(fā)率定義的要求，但在實(shí)際情況下往往會(huì)出現(xiàn)過(guò)度抽吸的現(xiàn)象，導(dǎo)致貨艙內(nèi)的液相貨物過(guò)度蒸發(fā)，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)測(cè)蒸發(fā)率偏大，需基于測(cè)量開(kāi)始時(shí)和測(cè)量結(jié)束時(shí)貨艙的絕對(duì)壓力進(jìn)行修正。

艙壓修正系數(shù)C5的計(jì)算式為

式(6)中：P1為測(cè)量開(kāi)始時(shí)貨艙的絕對(duì)壓力，MPa；P2為測(cè)量結(jié)束時(shí)貨艙的絕對(duì)壓力，MPa。

按前述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)量開(kāi)始時(shí)貨艙的絕對(duì)壓力P1=0.1559 MPa，測(cè)量結(jié)束時(shí)貨艙的絕對(duì)壓力P2=0.1561 MPa，可計(jì)算出艙壓修正系數(shù)C5= 1.0013。

3.2.6 總修正系數(shù)

將上述各修正系數(shù)相乘，即可得到總修正系數(shù)C的計(jì)算式為

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

3.2.7 標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)率

標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)率由實(shí)測(cè)蒸發(fā)率乘以總修正系數(shù)得到，計(jì)算式為

式(8)中：RBORS為標(biāo)準(zhǔn)日蒸發(fā)率，%/d；TBOR為實(shí)測(cè)蒸發(fā)率，%/d。將上述計(jì)算值代入式(8)，可得

3.3 整船蒸發(fā)率

通常LNG運(yùn)輸船布置有2～4個(gè)液貨艙，而保證的日蒸發(fā)率為整船蒸發(fā)率。實(shí)際測(cè)試蒸發(fā)率過(guò)程中得到的參數(shù)均為單艙數(shù)據(jù)，計(jì)算和修正之后得到的參數(shù)僅是單艙的蒸發(fā)率。對(duì)于整船的蒸發(fā)率，需按各艙在測(cè)量狀態(tài)下實(shí)際裝載貨物的質(zhì)量進(jìn)行加權(quán)平均得到，計(jì)算式為

式(9)中：R為整船標(biāo)準(zhǔn)日蒸發(fā)率，%/d；RBORS(Tki)為單艙標(biāo)準(zhǔn)日蒸發(fā)率，%/d；W(Tki)為單艙貨物質(zhì)量，kg；W為整船貨物質(zhì)量，kg。

另外，為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以避免單次測(cè)量因外界條件不確定而導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差，通常需測(cè)量10個(gè)航次左右[5]，計(jì)算修正得到各航次的整船標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)率，然后計(jì)算平均值，作為最終的整船標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)率，用于考核是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于采用C型液艙的小型LNG運(yùn)輸船而言，目前在實(shí)船航行過(guò)程中測(cè)量的貨物和蒸發(fā)氣的狀態(tài)數(shù)據(jù)還不夠多，部分可能影響蒸發(fā)率的外界因素沒(méi)能全面考慮和修正，如航行過(guò)程中由于風(fēng)浪導(dǎo)致的船舶運(yùn)動(dòng)對(duì)貨物蒸發(fā)的影響程度等。本文所述測(cè)量、計(jì)算和修正的方法需在后續(xù)數(shù)據(jù)積累和分析過(guò)程中進(jìn)行校核和修正，做進(jìn)一步的研究和分析，從而設(shè)計(jì)出一套適合C型液艙LNG運(yùn)輸船蒸發(fā)率測(cè)量、計(jì)算和修正的標(biāo)準(zhǔn)方法，為后續(xù)類(lèi)似船舶提供一套標(biāo)準(zhǔn)化的方法。