C型液舱LNG运输船测量蒸发率的计算与修正

周志峰，张淇鑫，李 辉

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 引 言

日蒸发率（Daily Boil-off Rate）是液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）运输船建造过程中和交付时必须考虑的一个重要参数，其准确性直接影响船舶运营的安全性和经济性，需作为担保参数直接写入造船合同中[1]。对于大型的薄膜型LNG运输船来说，经过近几十年的研究和发展，其蒸发率的测量与修正问题已得到较好的解决，形成了一套比较成熟的测量与修正方法。近些年，国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）对船舶污染气体排放的要求日趋严格，LNG作为一种清洁高效的替代燃料，越来越受海运界的重视。为满足LNG的运输需求，近几年基于C型液舱的小型LNG运输船的设计和建造得到了长足发展，但是，相对于大型的薄膜型LNG运输船而言，这类LNG运输船蒸发率的测量与修正方法尚未得到充分的研究，缺乏有效的经验和数据支持，在业界未能形成标准的测量与修正方法，亟需发展一套标准的流程和方法，为后续类似船型的设计和建造提供参考。本文基于国内某采用 C型液舱的小型LNG运输船的实测蒸发率数据，探讨蒸发率的测量和修正方法。

1 蒸发率的定义

在标准的外界条件下保持货舱压力24h不变，由于外部热量的渗入，导致货舱内的液相货物自然蒸发为气相货物，其质量占整船货物质量的百分比定义为日蒸发率，单位为%/d。为使同类型LNG运输船的蒸发率具有可比性，需定义相同的边界条件。目前标准的外界环境温度设定为：大气温度 45℃；海水温度32℃[4]；货舱处所的平均温度29℃。货舱装载率设定为最大装载率，通常为98%[3]；同时，设定甲板货物管路内无液相货物。由于 LNG为混合物，在不同的产地其成分有较大的差别，在定义蒸发率时，通常采用纯甲烷作为标准货物[5]，密度为425kg/m3，气化潜热为511kJ/kg[2]，用于蒸发率的前期定义和后续修正计算。

2 蒸发率的测量

对于采用C型液舱的LNG运输船来说，目前业界还没有标准的蒸发率测量程序，大多参考大型薄膜型LNG运输船的测量程序，基于C型液舱和货物处理系统的设计特点作相应的调整。根据蒸发率的定义和标准边界条件的要求，需通过甲板货物处理系统的运行保证液货舱尽量处于相对稳定的状态，同时测量货物的状态数据和外部环境数据，做好记录，用于后续的计算和修正。基本程序如下：

1) 全船装载至最大装货量，约98%的装载率；

2) 清空液货管路的液相货物；

3) 取得装载货物组分表；

4) 测量并记录货物各状态参数，包括温度、压力及液位；

5) 测量并记录外界空气温度、海水温度、货舱处所温度和大气压力；

6) 启动蒸发气压缩机，供气给机舱燃气发动机，保证货舱压力维持在一个稳定的值，该过程模拟货舱处于自然蒸发的状态；

7) 每隔1h，记录货物和外界环境的各类参数[5]。

某采用C型液舱的小型LNG运输船单舱部分实测数据见表1，其所装载货物的组分见表2。

表1 单舱部分实测数据

表2 装载货物的组分

续表2

3 蒸发率的计算和修正

由于测试状态下实际的边界条件不同于蒸发率定义的标准条件，需根据实测数据进行计算和修正，可分为2部分，即：基于实测数据计算出实测蒸发率；基于标准的边界条件修正实测蒸发率至标准蒸发率。

3.1 蒸发率的计算

首先基于实测得到的数据进行分析计算，得出实测蒸发率。根据蒸发率的定义，可得到实测日蒸发率的计算式为

式(1)中：RBOR为实测日蒸发率，%/d；V1为测量开始时货物的体积，m3；V2为测量结束时货物的体积，m3；d1为测量开始时货物的密度，kg/m3；d2为测量结束时货物的密度，kg/m3；LLNG为货物的平均气化潜热，kJ/kg；H1为测量开始时货物的焓值，kJ/kg；H2为测量结束时货物的焓值，kJ/kg；t为测试时间，d。

由上述计算式可得出蒸发气质量分为2部分：

1) 由于实际的液相货物蒸发导致的质量减少量。

2) 由于液相货物吸收渗入热量导致的液相货物整体温度的升高量，此部分为隐性蒸发气质量。

分析计算表1中的测量参数和表2中的实际装载货物组分，进而根据蒸发率计算式计算得到实测蒸发率值见表3。

表3 实测蒸发率

3.2 蒸发率的修正

通过实测得到各边界条件数据相对于标准条件的关系，可得到各边界条件的修正系数，进而算出基于标准条件的日蒸发率，用于检验实船日蒸发率是否满足设计蒸发率的要求。修正系数可根据货物的物理特性和外界环境条件分为货物密度修正、货物气化潜热修正、货物体积修正、外界温度修正和货舱压力修正等5种。

3.2.1 货物密度修正

基于蒸发率的定义，标准蒸发率是标准密度（425kg/m3）下的值，但实际载运的 LNG货物的密度与其各类物质的组分所占比例密切相关，实测蒸发率值需基于实装货物在实际温度下的密度进行修正。

密度修正系数C1的计算式为

式(2)中：d1为测量开始时LNG货物的密度，kg/m3；dM为蒸发率定义的标准密度，425kg/m3。

按前述载运货物组分和测试开始时的货物温度，可计算得到实际货物的密度d1=451.1kg/m3，进而可计算出密度修正系数C1= 1.006。

3.2.2 货物气化潜热修正

基于蒸发率的定义，标准蒸发率是标准气化潜热（511kJ/kg）下的值，但实际载运的LNG货物的气化潜热与其各类物质的组分所占比例密切相关，实测蒸发率需基于实装货物在实际温度下的气化潜热进行修正。

气化潜热修正系数C2的计算式为

式(3)中：LLNG为货物在测量过程中的平均气化潜热值，kJ/kg；LM为蒸发率定义的标准气化潜热值，511kg/m3。

根据前述载运货物的组分和测量过程中货物的平均温度，可计算得到实际货物的气化潜热LLNG=468.8kJ/kg，进而可计算出气化潜热修正系数C2= 0.919。

3.2.3 货物装载体积修正

基于蒸发率的定义，保证蒸发率是98%装载率下的值，需按测试状态下实际货物的体积进行修正。

体积修正系数C3的计算式为

式(4)中：V1为测量开始时LNG货物的体积，m3；VM为蒸发率定义的标准货物的体积，m3。

按前述装载货物的体积V1=3498.03m3，98%装载率下货舱实际体积VM=3599.49m3，可计算出体积修正系数C3= 0.972。

3.2.4 外界温度修正

基于蒸发率的定义，保证蒸发率是标准外界温度和标准货物温度下的值，需按测试状态下实测到的货舱处所温度和货物平均温度进行修正。

温差修正系数C4的计算式为

式(5)中：TS为蒸发率定义的货舱处所标准温度，29℃；TM为蒸发率定义的标准货物温度，-161.5℃；TH为实测货舱处所的平均温度，℃；TLNG为货物在测量过程中的平均温度，℃。

按前述实测的货舱处所平均温度TH=23.95℃，货物平均温度TLNG=-156.31℃，可计算得出体积修正系数C4= 1.057。

3.2.5 货舱压力修正

在实际测量过程中，通常采用燃气压缩机主动抽吸货舱内的蒸发气的方法，保证货舱内的压力基本稳定在开始测量时的压力值，以满足蒸发率定义的要求，但在实际情况下往往会出现过度抽吸的现象，导致货舱内的液相货物过度蒸发，进而导致实测蒸发率偏大，需基于测量开始时和测量结束时货舱的绝对压力进行修正。

舱压修正系数C5的计算式为

式(6)中：P1为测量开始时货舱的绝对压力，MPa；P2为测量结束时货舱的绝对压力，MPa。

按前述实测数据，测量开始时货舱的绝对压力P1=0.1559 MPa，测量结束时货舱的绝对压力P2=0.1561 MPa，可计算出舱压修正系数C5= 1.0013。

3.2.6 总修正系数

将上述各修正系数相乘，即可得到总修正系数C的计算式为

式(7)中：C为总修正系数。将上述各修正系数值代入式(7)，可得C= 0.951。

3.2.7 标准蒸发率

标准蒸发率由实测蒸发率乘以总修正系数得到，计算式为

式(8)中：RBORS为标准日蒸发率，%/d；TBOR为实测蒸发率，%/d。将上述计算值代入式(8)，可得

3.3 整船蒸发率

通常LNG运输船布置有2～4个液货舱，而保证的日蒸发率为整船蒸发率。实际测试蒸发率过程中得到的参数均为单舱数据，计算和修正之后得到的参数仅是单舱的蒸发率。对于整船的蒸发率，需按各舱在测量状态下实际装载货物的质量进行加权平均得到，计算式为

式(9)中：R为整船标准日蒸发率，%/d；RBORS(Tki)为单舱标准日蒸发率，%/d；W(Tki)为单舱货物质量，kg；W为整船货物质量，kg。

另外，为保证测量数据的准确性，以避免单次测量因外界条件不确定而导致数据偏差，通常需测量10个航次左右[5]，计算修正得到各航次的整船标准蒸发率，然后计算平均值，作为最终的整船标准蒸发率，用于考核是否满足设计要求。

4 结 语

对于采用C型液舱的小型LNG运输船而言，目前在实船航行过程中测量的货物和蒸发气的状态数据还不够多，部分可能影响蒸发率的外界因素没能全面考虑和修正，如航行过程中由于风浪导致的船舶运动对货物蒸发的影响程度等。本文所述测量、计算和修正的方法需在后续数据积累和分析过程中进行校核和修正，做进一步的研究和分析，从而设计出一套适合C型液舱LNG运输船蒸发率测量、计算和修正的标准方法，为后续类似船舶提供一套标准化的方法。