LNG動力船船用儲罐液位及儲量算法

LNG動力船船用儲罐液位及儲量算法李清;甘少煒;汪國慶;李坤【摘要】InordertoimprovethemeasurementaccuracyofliquidlevelofLNGtank,theinfluenceoftemperaturevariationuponthedensityofLNGunderdifferentpressure.ThealgorithmofLNGvolumewastookintoaccounttoproposeacalculationmethodoftank'sliquidlevelandstorageforLNG-poweredships,whichwasprovedtobeabletocalculatethereallevelandstorageofLNGtankaccurately.%針對LNG儲罐液位檢測的準(zhǔn)確性問題，分析不同壓力狀態(tài)下溫度變化對密度的影響，結(jié)合考慮LNG體積算法,提出一種計算LNG動力船舶儲罐液位及儲量的方法,用該方法能夠更加準(zhǔn)確地計量LNG儲罐的液位及實際LNG儲存量.【期刊名稱】《船海工程》【年(卷)，期】2017(046)004【總頁數(shù)】4頁(P106-109)【關(guān)鍵詞】LNG動力船;C型罐;LNG差壓液位;飽和蒸汽;LNG密度【作者】李清;甘少煒;汪國慶;李坤【作者單位】交通運輸部水運科學(xué)研究院,北京100088;中國船級社武漢規(guī)范研究所，武漢430022;武漢交大新能源科技有限公司，武漢430090;交通運輸部水運科學(xué)研究院,北京100088【正文語種】中文【中圖分類】U674.13液化天然氣（liquefilednaturalgas,LNG）在儲存時存在氣液2相狀態(tài)。現(xiàn)有的LNG儲罐液位檢測多采用差壓檢測，參考液位對照表對照查詢液位值［1-2］，通過從儲罐底部和頂部分別引出氣體接管（見圖1中A，B導(dǎo)管，A導(dǎo)管內(nèi)壓力為貯槽底部壓力，B導(dǎo)管內(nèi)壓力為頂部的壓力），通過液位計測量A，B導(dǎo)管的壓力差值（即儲罐內(nèi)液柱產(chǎn)生的靜壓值），從而確定儲罐內(nèi)的液位高度。由于LNG動力船舶處于非靜止?fàn)顟B(tài)，LNG儲罐內(nèi)液體狀態(tài)會不斷發(fā)生變化，該方法檢測結(jié)果存在一定程度的誤差。為此，提出一種計算LNG動力船舶儲罐液位及儲量的方法。LNG儲罐液位高度與體積的關(guān)系將儲罐總體積計算分2部分考慮，直管段和封頭段，見圖2。其中2個封頭段（標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭）可以合并作橢球體考慮［1］。1.1.1橢球體液體體積計算橢球體三維坐標(biāo)系見圖3，橢球面方程為式中；b=R；C=R。在XY平面內(nèi)投影為橢圓模型，建立截面坐標(biāo)系見圖4。橢圓方程為式中；b=R。液面高度為H時y=H-R,帶入上式得到在YZ平面內(nèi)投影為圓形模型（見圖5），圓形方程為式中：b=R；c=R；液面高度為H時，y=H-R；帶入上式得到在XZ坐標(biāo)系內(nèi)液面為H時，液面投影為橢圓形，其中長半軸A=z，短半軸B=x。由橢圓面積公式SH=nAB可得液面高度為H時液面的面積為液面高度為H時，y=R-H；橢球液體體積為1.1.2圓柱體液體體積計算液體高度為H時，液面在YZ平面的投影見圖5。在XZ平面內(nèi)投影為矩形，其中長度筒體長度L，寬為；液面面積為；圓柱體液面為H時，y=R-H；圓柱體體積為1.1.3儲罐液體總體積液面高度為H時，液體總體積為上述2部分計算體積之和。儲罐總?cè)莘e為LNG密度與溫度的關(guān)系LNG的密度通常為430—470kg/m3。密度還是液體溫度的函數(shù)，溫度越高，密度越小，變化梯度為1.35kg?z-3/C。按純甲烷計算(p)［6］。式中：A、B、n為化合物的回歸系數(shù)，A=0.15998，B=0.2881，n=0.277;Tc為臨界溫度，Tc=190.58K。LNG設(shè)計壓力一般為1.2MPa，實際儲存時溫度在110一150K之間，溫度與密度對照見表1。由表1可見，理論計算密度與實際物性表密度中存在一定偏差，差值平均值為1.597479。將式(3)修正為將LNG儲罐氣相空間的處于飽和狀態(tài)的天然氣看作理想氣體，由氣體狀態(tài)方程：pV=nRT，n=m/M得到式中：p：狀態(tài)壓力，Pa，T為熱力學(xué)溫度，K;R氣體常數(shù)，8.314J?mol1?K1;M為甲烷摩爾質(zhì)量，16.414g/mol。LNG壓力與溫度的關(guān)系儲罐儲存LNG液體后，氣相空間可以看作處于飽和蒸汽狀態(tài)。飽和蒸汽狀態(tài)壓力和溫度存在一定關(guān)系可以用安托因方程描述［2］。式中:A、B、C、E為物性常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度，K;p為氣力，mmHgA=14.6667,B=-5.7097x102,C=-3.3373,D=2.1999x10-9,E=1.3096x10-5。簡化方程，見圖6。由圖6可以看出，在110-150K區(qū)間兩者相差不是太大?？梢杂煤喕匠瘫硎鰞烧咧g的關(guān)系。式中：A、B、C為物性常數(shù)，A=6.69561,B=405.420,C=267.777;t為攝氏溫度^,p為測量示值，105Pa。計算結(jié)果與物性表對比見圖7。由圖7可見，兩者結(jié)果幾乎一致。表明式(7)計算結(jié)果可以用作LNG不同狀態(tài)計算依據(jù)。LNG儲罐液位高度與壓差關(guān)系差壓液位計產(chǎn)生的示值是2處監(jiān)測點液體高度H所差生的差壓，p=pgH。則液位高度H為結(jié)合式(1)和式(4)以及儲罐壓力p，考慮動影響得到密度p,計算得到實時液位高為2.1LNG儲罐實際儲存量—般船用LNG儲罐都有對儲罐壓力和液位的實時監(jiān)測傳感器。但是由于儲罐以及溫度傳感器的結(jié)構(gòu)特點，不可能有效實時監(jiān)測。但是可以按前文所述根據(jù)儲罐壓力推導(dǎo)出儲罐內(nèi)部LNG儲存溫度(假設(shè)儲罐處于汽液平衡飽和狀態(tài))，進(jìn)而推導(dǎo)出儲罐內(nèi)部液相和氣相天然氣的不同壓力狀態(tài)下的密度，由此推導(dǎo)換算出儲罐在不同壓力狀態(tài)下各項參數(shù)。計算出儲罐實際存儲量，換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體體積后可為能耗計算提供依據(jù)，免除了通過流量計統(tǒng)計氣耗量。2.2實際使用過程中的參數(shù)計算在IGF規(guī)則中提出了裝載極限(LL)和充裝極限(FL)的概念，對儲罐的實際充裝使用中的極限問題提出了嚴(yán)格要求，但由于LNG狀態(tài)的變化以及充裝氣源的不同，上述參數(shù)都會有一定程度的變化，這就需要有明確的計算公式，為儲罐的監(jiān)控系統(tǒng)以及能源管理系統(tǒng)提供參考依據(jù)。儲罐壓力釋放閥調(diào)定壓力下，與燃料艙內(nèi)燃料蒸汽壓力所對應(yīng)的溫度是基準(zhǔn)溫度。國內(nèi)內(nèi)河LNG動力船C型罐的壓力釋放閥調(diào)定值應(yīng)不大于1.2MPa。通過物性表以及前述計算公式可得該壓力飽和狀態(tài)對應(yīng)溫度為-120°C,對應(yīng)該狀態(tài)下LNG密度為353.8kg/m3。IGF規(guī)則以及國內(nèi)相關(guān)規(guī)范中對充裝極限提出了98%和95%的數(shù)據(jù)要求。結(jié)合國內(nèi)內(nèi)河LNG動力船C型罐的使用普及情況，取98%的充裝極限數(shù)據(jù)。由此得出實際充裝時的裝載極限LL為式中:pR為在基準(zhǔn)溫度下燃料的相對密度，取pR=353.8kg/m3;pL為在裝載溫度下燃料的相對密度，也就是加注罐的LNG密度，可以由加注方提供，也可以參考式(4)和式(7)計算。相關(guān)參數(shù)的計算推導(dǎo)解決了現(xiàn)有LNG動力船舶儲罐液位計算方法在船舶處于運動狀態(tài)時計算不準(zhǔn)確的問題。不但可實現(xiàn)實時監(jiān)測LNG動力船舶儲罐液位的功能；而且可為精確計算船舶運營經(jīng)濟(jì)性提供依據(jù)；同時也可為計算加注量提供驗證方法。但是LNG實際是多種組分的混合物，以上所涉及的參數(shù)公式都是以甲烷的物性參數(shù)為推導(dǎo)依據(jù)，實際運用中會存在一定偏差，實際使用中需要對公式參數(shù)進(jìn)行修正。研究方向：清潔能源在船舶上應(yīng)用技術(shù)【相關(guān)文獻(xiàn)】王妍玲，李明.橢圓形封頭臥式貯罐液位與容積對應(yīng)關(guān)系的建立[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報，2002,18(1):88-90.楊帆.LNG