30萬 t級VLCC天然氣動力船舶艙容計量系統(tǒng)設(shè)計

(青島遠洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071)

30萬 t級VLCC天然氣動力船舶艙容計量系統(tǒng)設(shè)計

葉曉華

(青島遠洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071)

針對大型LNG儲罐艙容精確計量難度大的問題，根據(jù)VLCC船體結(jié)構(gòu)特點和儲罐特性，合理選擇C型燃料儲罐；分析艙容計量特殊性和計量設(shè)備的特點，考慮C型儲罐結(jié)構(gòu)和營運過程中船舶橫傾、縱傾情況建立艙容計量的數(shù)學(xué)模型；根據(jù)數(shù)學(xué)模型進行艙容計量軟件的設(shè)計與開發(fā)。

VLCC；C型儲罐；艙容計量；LNG動力船；數(shù)學(xué)建模

國際公約對SOx和NOx排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴格，包括我國在內(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，能很好地滿足國際公約要求，而且運營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船舶有很大的市場前景和發(fā)展空間。MAN B&W和瓦錫蘭公司在LNG柴油機和供氣系統(tǒng)等方面進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]。大型遠洋船舶的燃料儲存罐體積龐大，營運過程受船舶縱傾、橫傾影響也大，艙容準(zhǔn)確計量困難。為此，考慮通過合理進行儲罐選型，對艙容計量系統(tǒng)進行研究和軟件開發(fā)。

1 LNG儲罐的選型與布置

選擇中國遠洋海運集團“船用LNG燃料儲運技術(shù)研究”項目中設(shè)計的30萬 t級VLCC，主要參數(shù)見表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、加注地燃料價格差異及盡可能減少儲罐體積等因素，選擇中東、新加坡2港各加注燃料一次。儲罐LNG容量按最大自持力31 d計算[4-5]。

表1 VLCC船舶主要參數(shù)

1.1 儲罐的選型

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

1.2 儲罐的布置

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LNG沸點在-163 ℃左右，儲罐內(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，大型遠洋船舶LNG儲存罐重量大影響載重，而且體積龐大布置困難。LNG儲罐如果若安裝在甲板的下面，會影響貨艙的布置，由于其處在密閉艙室，通風(fēng)差，一旦發(fā)生泄漏不利于燃氣的擴散，為滿足規(guī)范要求還需加裝一些特殊裝置保證安全[9-10]。而儲罐布置在甲板上有利于通風(fēng)，防止燃氣集聚，其主要缺陷是占用大量甲板空間[11]。

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

2 儲罐艙容計量和液位測量

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

2.1 儲罐艙容計量特殊性

根據(jù)C型儲罐布置方案和LNG燃料的特點，采用液位計算法對儲罐艙容計量。根據(jù)液位測量值、船舶吃水差、橫傾角度，通過查艙容表或通過計算機軟件進行艙容體積計算。但LNG儲罐通艙容計量同普通燃料艙計量有很大不同。

1)LNG儲罐是密閉壓力容器，不能同普通燃料艙那樣，通過測量尺和測量管進行測深測量。

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進行測量。

3)而LNG儲罐正常儲存液位上限為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儲罐上部氣體艙容亦屬燃料，也應(yīng)計算在艙容之內(nèi)。

2.2 儲罐液位測量裝置

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

LNG儲罐艙容液位測量除了安裝伺服液位計外，還必須有連續(xù)液位自動測量裝置，以便隨時掌握艙容變化。本案采用液位-溫度-密度一體自動測量裝置(LTD液位計)。同時可在加注管路上安裝體積流量計進行加裝量的測量，常用的體積流量計量包括孔板式、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 儲罐計量模型

目前航運市場低迷，大多數(shù)船舶采用最大功率的70%航行，設(shè)計采用最大功率的67%航行，LNG密度450 kg/m3，發(fā)熱值50.2 MJ/kg，LNG日耗量63 t/d。儲罐主要計量參數(shù)見表2。

表2 LNG儲罐主要計量參數(shù)

3.1 船舶橫傾、縱傾引起的誤差

在營運過程中，船舶受貨物配載、風(fēng)浪涌等因素的影響會產(chǎn)生橫傾、縱傾，從而產(chǎn)生計量誤差。

3.1.1 船舶左右橫傾引起的高度誤差

儲罐橫傾模型，見圖2。

圖2 儲罐橫傾模型

(1)

式中：h為實際液位高度；h″為中間位置測得的液位高度。

3.1.2 船舶前后縱傾的切面計算

儲罐縱傾模型，見圖3。

圖3 儲罐縱傾模型

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 艙容總體積計算

液位變化見圖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，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，y>5.5；如圖4c)所示。

(11)

y=-20tanα+h+10tanα-5.5。

(2)總體積V。

(12)

4 計量軟件設(shè)計

艙容計量軟件在Visual Studio 2013環(huán)境下，運用C#語言，基于C#完全面向?qū)ο蟮奶攸c[12]，開發(fā)在WINDOWS操作系統(tǒng)下運行的LNG儲罐艙容計量軟件。

4.1 軟件主頁面設(shè)計

軟件主界面見圖5。

圖5 軟件主界面

4.2 參數(shù)設(shè)定頁面設(shè)計

點擊“參數(shù)設(shè)定”按鈕，進入初始值設(shè)定界面如圖6。

圖6 初始值設(shè)定界面

在此頁面可對船舶吃水差、船舶橫傾角度、儲罐壓力、儲罐液位等參數(shù)在一定范圍內(nèi)設(shè)定。如設(shè)定值超出設(shè)定范圍，點擊"確定"按鈕時會出現(xiàn)設(shè)定值報錯提醒頁面。

例如如果船舶吃水差設(shè)定錯誤，報錯提示頁面如圖7，同樣，船舶橫傾角度、儲罐壓力、儲罐液位等參數(shù)設(shè)定錯誤也會有相關(guān)的報錯提示頁面。

圖7 吃水差報錯界面

當(dāng)設(shè)定值設(shè)定正確時，如圖8。

圖8 初始值設(shè)定正確界面

4.3 計算結(jié)果頁面設(shè)計

各參數(shù)設(shè)定完成后，點擊"確定"按鈕，則頁面顯示儲罐液位高度，如圖9。

圖9 LNG動力船燃料儲罐計量界面

點擊“計算結(jié)果”按鈕，后臺程序自動運算，運算結(jié)果輸出頁面如圖10。其中總艙容為2個LNG儲罐艙容之和，沖裝率是每個儲罐艙容占儲罐容積的百分比，同時該頁面顯示LNG預(yù)計可燃用天數(shù)。

圖10 LNG儲罐容量計算結(jié)果界面

5 結(jié)論

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

軟件開發(fā)選取67%最大功率運營，而航行中船舶受風(fēng)浪、洋流等外在條件的影響，燃料日耗量會不同，同時加注港口不同，燃料密度、熱值等參數(shù)會有所差別。因此在計算時，應(yīng)根據(jù)實際情況將軟件相關(guān)參數(shù)加以修正，以保證計算結(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)校科技計劃(J16LB75)；中國遠洋運輸(集團)總公司應(yīng)用研究計劃(2015-1-H-010)

葉曉華(1978—)，男，碩士，講師

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