中小型LNG船舶独立C型储罐装载率研究

张 春 伟

（上海佳豪船舶工程设计股份有限公司，上海 201504）

中小型LNG船舶独立C型储罐装载率研究

张 春 伟

（上海佳豪船舶工程设计股份有限公司，上海 201504）

对于C型独立液货储罐的中小型LNG船舶，当已确定货物的成分、液体密度等必要的物理性质以及储罐构造、设备参数、压力释放阀最大许用设定等数据资料时，应对储罐的极限装载率进行计算，确定最大装货率，防止由于过度装载以及运输过程中通过吸收外界热量带来的温升和液货体积膨胀，导致压力释放阀被LNG浸没而故障失效以及LNG溢出等危险事故的发生。结合28000m3LNG运输船设计工作，对独立C型LNG储罐装载率计算方法进行研究；基于规范的基本定义，确定了充装极限和装载极限的精确算法。通过分析储罐压力释放阀最大许用设定值（Maximun Allowable Relief Valve Setting， MARVS）与极限装载率的关系和合理调整压力释放阀设定值，实现在确保船舶安全的前提下，最大限度地提高运输效率的可行性。

液化天然气；装载率；充装极限；装载极限；压力释放阀最大许用设定值

0　引 言

液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）的主要成分是甲烷。通过低温制冷技术，在常压下将天然气冷却至＜-164℃，使其液化。由于LNG的临界温度远低于环境温度，所以只能采用全冷冻的条件下运输与贮存，即在常压沸点（-164℃）温度下运输［1］。

C型独立液货储罐是按照压力容器设计标准设计的耐压式LNG液货舱，早期C型独立液货舱LNG船大多采用半冷半压的运输方式，罐体的设计温度可不低于LNG的沸点，但需要罐体的耐压能力较高，并且载运的货物密度较小，经济性较差。近年来，随着材料制造工艺的提升，罐体制造普遍使用的9Ni钢及奥氏体不锈钢等材料均可承受＜-192℃的温度。因此，C型独立液货舱LNG船已基本采用全冷式的运输方式，通过储罐绝热技术、喷淋降温等措施，控制LNG运输过程中的温升和气化量。

但任何绝热形式都不可能达到理论上的热绝缘，其使用的绝缘材料依然存在一定的热传导性。在运输过程中，C型独立液货储罐会从周围环境中不断吸收热量，使罐内LNG温度逐渐升高，并不断产生液货蒸发气（Boil Off Gas，BOG）。如果BOG不能有效控制并及时消耗，BOG的增加将导致舱内压力逐渐升高。当储罐压力超过安全释放阀最大许用设定值（Maximun A llowable Relief Valve Setting，MARVS）时，储罐内的BOG将从安全释放阀排至大气。安全释放阀超压起跳虽然是作为一种保障船舶和货物安全的应急保护措施，但在LNG船运领域内是将其定义为事故级别的。而相比BOG从安全释放阀排出控制储罐压力来说，更为危险的是，如果LNG储罐装载时不留有一定的气相空间，完全装满的话，当储罐温度和压力上升时，LNG液体就会从罐体的安全释放阀喷出。这种压力释放阀是按照释放一定量气体设计的，没有考虑喷出液体的情况，因此，会导致阀门机构的过压损坏。同时，安全释放阀喷出液体比喷出气体对船舶和周围环境的危险程度更高［2］。

因此，对于C型独立液货储罐的中小型LNG船舶，当已确定货物的成分、液体密度等必要的物理性质以及储罐构造、设备参数、MARVS等必要数据资料时，应对储罐的极限装载率进行计算，确定最大装货率，防止危险事故的发生。

1　充装极限计算原则

充装极限（FL）系指：当液体货物达到基准温度（TR）时，液货舱内的最大液体体积与整个液货舱容积之比［3］。在确定C型独立LNG储罐充装极限时，应遵循IMO（国际海事组织）制定的《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》（IGC）关于充装极限的要求。

对于安装过压安全释放阀或附加压力释放装置的LNG货物储罐，当货物温度达到相应于MARVS的饱和温度时，按照不使液货由安全释放阀喷出的原则来确定最大充装极限。同时，为了不使液货从安全阀喷出，应考虑在船舶15°横倾和0.015Lf纵倾条件下（Lf是船舶满载水线长度），安全阀的位置应处于气相部位。还应考虑液位和温度探测装置的测量误差。由于火灾的发生具有不确定性，火灾的程度也无法量化，对火灾时温度上升的现象还不能进行定量的计算和说明［4］，因此在计算充装极限时可不考虑火灾波及时的蒸发气生成量对充装极限的额外要求，仅假定在货物载运过程中货物的温度均匀上升。

2　充装极限计算方法

C型独立LNG液货储罐的最大充装极限应被确定为蒸汽空间在基准温度下具有的最小体积以允许：1） 仪器的公差，例如液位和温度测量仪；2） 压力释放阀调定压力和最大许用设定值之间的货物体积膨胀；3） 操作裕量，该裕量应考虑到装置完成后回流至液货舱的液体、操作员的反应时间和阀的关闭时间［5］。

最大充装极限是假定在整个装卸和运输过程中货物始终保持基准温度的状态下，考虑上述条件时液货舱可装载体积与整个液货舱舱容的比值，可按式（1）计算。

式中：FL——充装极限；a1——装于罐体的液位计的最大设计误差（用相对于罐体满刻度的百分数表示）的1/x倍，一般液位计的最大设计误差为0.02%～0.05%；

在确定最高液面时，应考虑在船舶15°横倾和0.015Lf纵倾条件下（Lf是船舶满载水线长度），安全阀的位置应处于气相部位（见图1～3）。

图1　双耳罐典型截面

图2　横倾15°状态下的最高液位

图3　纵倾0.015Lf状态下的最高液位

图4　饱和蒸汽温度/压力对照表

表1　罐体过压安全阀设定压力容许范围

3　装载极限计算

装载极限（LL）系指最大许可的液体体积与液货舱可装载体积之比。由于储罐内LNG货物在载运、装卸等过程中，通过吸收周围环境的热量，货物温度持续升高，货物密度下降。因此，在充装极限的基础上，应根据载货、装卸过程中可能达到的最高货物温度状态下的货物密度，确定实际的装载极限。装载极限可按式（4）计算：

式中： LL——装载极限，指最大许可的液体体积与液货舱可装载体积之比，用百分数表示； FL——充装极限，用百分数表示； ρR——在基准温度（ TR）下货物的相对密度； ρL——在装载温度下货物的相对密度。

当船舶配备了规范要求的货物蒸气压力/温度控制设施时，ρR可以是在环境设计温度状态下装货终止时、运输期间或卸货时的最高温度下的货物相对密度，即MARVS对应的货物饱和温度下的货物相对密度。ρR的取值可以根据LNG组成成分进行计算求得；当LNG中甲烷摩尔含量较高时，也可通过液化气密度/温度曲线（图5）快速求得。

ρL正常情况下可以取-164℃饱和温度下的液密度（假定气体不可压缩，忽略压力对密度的影响）。ρL的计算取值方法与上述ρR相同。

由于货物密度受货物装载温度和组成成分不同的影响，不同的航次、不同的环境条件、不同的货源条件，装载极限都不同。因此，在货物装载之前，应得到准确的数据以计算实际的装载极限。

图5　液化气液密度/温度曲线

4　实例应用

为验证上述装载率极限计算方法，并在实际设计项目中推广应用，以佳豪公司设计的28000m3LNG运输船为例，对储罐装载率进行计算验证。

28000m3LNG运输船是为大连因泰集团设计的采用C型独立储罐形式货物维护系统的新型LNG运输船，由大连中远船务工程有限公司建造。该船设有3个双耳型独立C型LNG储罐，罐体基本特征见表2。

表2　28000m3LNG运输船罐体基本特征

按照上述充装率计算方法计算出的28000m3LNG运输船储罐充装极限和装载极限结果见表3。

表3　28000m3LNG运输船储罐装载率计算

根据计算结果可知，该船基准温度下的充装极限为97.44%～97.45%，接近规范要求的98%上限值，是比较合理的结果。在按照储罐设计压力值调定压力释放阀开启压力设定值的情况下，允许的装载极限为89.1%。该计算结果与目前营运中的同类型LNG船的极限装载率基本一致。考虑到该船采用LNG燃料主机作为推进动力源，并设置了蒸发气应急燃烧装置（GCU），作为货物蒸气压力/温度控制设施。船舶运营过程中，储罐的BOG压力将有效控制在远低于压力释放阀开启设定值的水平，因此可通过适当降低压力释放阀开启设定值来提高装载率。

5　MARVS与装载率的关系

对于中小型LNG船舶的独立C型储罐MARVS是与储罐的强度和系统的设计压力相关的，是一个可以确定的值。对于配备了规范要求的货物蒸气压力/温度控制设施的独立C型LNG储罐，在装货终止时、运输期间或卸货时可能达到的最高温度就是MARVS对应的货物饱和温度，这一温度即是基准温度（TR），是确定的温度值。

由图4可知，MARVS取值越高，用于装载率计算的基准温度越高，即实际装货温度与理论计算的基准温度值的温差跨距越大，货物密度的允许变化范围也越大。也就是说，从压力温度控制角度考虑，MARVS提高后，增强了储罐的蓄压能力，允许冷的货物装载运输时有更大的温升变化范围，货物操作更安全。

但由于货物密度与货物温度是相关的，由图5可知，MARVS提高后，基准温度的取值相应提高，而基准温度下的货物密度是降低的，按照装载率计算公式计算的装载极限是降低的。因此，可以反过来理解，是通过降低储罐的装载率，留出更多的气相空间用于抵抗更大的货物温升带来的压力升高，降低安全阀释放的风险，保证货物操作的安全。

6　结 语

由于 LNG具有低温、易挥发等特殊危险性，未经计算核实的装载率存在巨大的安全隐患，如发生安全阀进气口浸没于液面以下而导致失效、液货通过安全阀喷出、发生船体结构低温脆化、火灾等安全事故。因此，对于中小型LNG船舶的独立C型LNG储罐，准确计算储罐装载极限是确保船舶运营安全的前提。同时，根据运输能力需求，合理调整MARVS，提高储罐装载率，可实现在确保船舶安全的前提下，最大限度的提高运输效率。

［1］ 李品友. 液化气体海运技术［M］. 大连：大连海事大学出版社，2003.

［2］ 惠美洋彦. 液化气运输船实用手册［M］. 黄 胜，马鉴恩，刘英贵，等，译. 哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1992.

［3］ 中国船级社. 散装运输液化气体船舶构造与设备规范［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

张春伟，男，工程师，1980年生。2004年毕业于哈尔滨工程大学热能与动力工程专业，现从事船舶及海洋工程轮机技术开发研究及设计工作。