LNG动力船船用储罐液位及储量算法

LNG动力船船用储罐液位及储量算法李清;甘少炜;汪国庆;李坤【摘要】InordertoimprovethemeasurementaccuracyofliquidlevelofLNGtank,theinfluenceoftemperaturevariationuponthedensityofLNGunderdifferentpressure.ThealgorithmofLNGvolumewastookintoaccounttoproposeacalculationmethodoftank'sliquidlevelandstorageforLNG-poweredships,whichwasprovedtobeabletocalculatethereallevelandstorageofLNGtankaccurately.%针对LNG储罐液位检测的准确性问题，分析不同压力状态下温度变化对密度的影响，结合考虑LNG体积算法,提出一种计算LNG动力船舶储罐液位及储量的方法,用该方法能够更加准确地计量LNG储罐的液位及实际LNG储存量.【期刊名称】《船海工程》【年(卷)，期】2017(046)004【总页数】4页(P106-109)【关键词】LNG动力船;C型罐;LNG差压液位;饱和蒸汽;LNG密度【作者】李清;甘少炜;汪国庆;李坤【作者单位】交通运输部水运科学研究院,北京100088;中国船级社武汉规范研究所，武汉430022;武汉交大新能源科技有限公司，武汉430090;交通运输部水运科学研究院,北京100088【正文语种】中文【中图分类】U674.13液化天然气（liquefilednaturalgas,LNG）在储存时存在气液2相状态。现有的LNG储罐液位检测多采用差压检测，参考液位对照表对照查询液位值［1-2］，通过从储罐底部和顶部分别引出气体接管（见图1中A，B导管，A导管内压力为贮槽底部压力，B导管内压力为顶部的压力），通过液位计测量A，B导管的压力差值（即储罐内液柱产生的静压值），从而确定储罐内的液位高度。由于LNG动力船舶处于非静止状态，LNG储罐内液体状态会不断发生变化，该方法检测结果存在一定程度的误差。为此，提出一种计算LNG动力船舶储罐液位及储量的方法。LNG储罐液位高度与体积的关系将储罐总体积计算分2部分考虑，直管段和封头段，见图2。其中2个封头段（标准椭圆封头）可以合并作椭球体考虑［1］。1.1.1椭球体液体体积计算椭球体三维坐标系见图3，椭球面方程为式中；b=R；C=R。在XY平面内投影为椭圆模型，建立截面坐标系见图4。椭圆方程为式中；b=R。液面高度为H时y=H-R,带入上式得到在YZ平面内投影为圆形模型（见图5），圆形方程为式中：b=R；c=R；液面高度为H时，y=H-R；带入上式得到在XZ坐标系内液面为H时，液面投影为椭圆形，其中长半轴A=z，短半轴B=x。由椭圆面积公式SH=nAB可得液面高度为H时液面的面积为液面高度为H时，y=R-H；椭球液体体积为1.1.2圆柱体液体体积计算液体高度为H时，液面在YZ平面的投影见图5。在XZ平面内投影为矩形，其中长度筒体长度L，宽为；液面面积为；圆柱体液面为H时，y=R-H；圆柱体体积为1.1.3储罐液体总体积液面高度为H时，液体总体积为上述2部分计算体积之和。储罐总容积为LNG密度与温度的关系LNG的密度通常为430—470kg/m3。密度还是液体温度的函数，温度越高，密度越小，变化梯度为1.35kg・z-3/C。按纯甲烷计算(p)［6］。式中：A、B、n为化合物的回归系数，A=0.15998，B=0.2881，n=0.277;Tc为临界温度，Tc=190.58K。LNG设计压力一般为1.2MPa，实际储存时温度在110一150K之间，温度与密度对照见表1。由表1可见，理论计算密度与实际物性表密度中存在一定偏差，差值平均值为1.597479。将式(3)修正为将LNG储罐气相空间的处于饱和状态的天然气看作理想气体，由气体状态方程：pV=nRT，n=m/M得到式中：p：状态压力，Pa，T为热力学温度，K;R气体常数，8.314J・mol1・K1;M为甲烷摩尔质量，16.414g/mol。LNG压力与温度的关系储罐储存LNG液体后，气相空间可以看作处于饱和蒸汽状态。饱和蒸汽状态压力和温度存在一定关系可以用安托因方程描述［2］。式中:A、B、C、E为物性常数；T为热力学温度，K;p为气力，mmHgA=14.6667,B=-5.7097x102,C=-3.3373,D=2.1999x10-9,E=1.3096x10-5。简化方程，见图6。由图6可以看出，在110-150K区间两者相差不是太大。可以用简化方程表述两者之间的关系。式中：A、B、C为物性常数，A=6.69561,B=405.420,C=267.777;t为摄氏温度^,p为测量示值，105Pa。计算结果与物性表对比见图7。由图7可见，两者结果几乎一致。表明式(7)计算结果可以用作LNG不同状态计算依据。LNG储罐液位高度与压差关系差压液位计产生的示值是2处监测点液体高度H所差生的差压，p=pgH。则液位高度H为结合式(1)和式(4)以及储罐压力p，考虑动影响得到密度p,计算得到实时液位高为2.1LNG储罐实际储存量—般船用LNG储罐都有对储罐压力和液位的实时监测传感器。但是由于储罐以及温度传感器的结构特点，不可能有效实时监测。但是可以按前文所述根据储罐压力推导出储罐内部LNG储存温度(假设储罐处于汽液平衡饱和状态)，进而推导出储罐内部液相和气相天然气的不同压力状态下的密度，由此推导换算出储罐在不同压力状态下各项参数。计算出储罐实际存储量，换算成标准状态下气体体积后可为能耗计算提供依据，免除了通过流量计统计气耗量。2.2实际使用过程中的参数计算在IGF规则中提出了装载极限(LL)和充装极限(FL)的概念，对储罐的实际充装使用中的极限问题提出了严格要求，但由于LNG状态的变化以及充装气源的不同，上述参数都会有一定程度的变化，这就需要有明确的计算公式，为储罐的监控系统以及能源管理系统提供参考依据。储罐压力释放阀调定压力下，与燃料舱内燃料蒸汽压力所对应的温度是基准温度。国内内河LNG动力船C型罐的压力释放阀调定值应不大于1.2MPa。通过物性表以及前述计算公式可得该压力饱和状态对应温度为-120°C,对应该状态下LNG密度为353.8kg/m3。IGF规则以及国内相关规范中对充装极限提出了98%和95%的数据要求。结合国内内河LNG动力船C型罐的使用普及情况，取98%的充装极限数据。由此得出实际充装时的装载极限LL为式中:pR为在基准温度下燃料的相对密度，取pR=353.8kg/m3;pL为在装载温度下燃料的相对密度，也就是加注罐的LNG密度，可以由加注方提供，也可以参考式(4)和式(7)计算。相关参数的计算推导解决了现有LNG动力船舶储罐液位计算方法在船舶处于运动状态时计算不准确的问题。不但可实现实时监测LNG动力船舶储罐液位的功能；而且可为精确计算船舶运营经济性提供依据；同时也可为计算加注量提供验证方法。但是LNG实际是多种组分的混合物，以上所涉及的参数公式都是以甲烷的物性参数为推导依据，实际运用中会存在一定偏差，实际使用中需要对公式参数进行修正。研究方向：清洁能源在船舶上应用技术【相关文献】王妍玲，李明.椭圆形封头卧式贮罐液位与容积对应关系的建立[J].齐齐哈尔大学学报，2002,18(1):88-90.杨帆.LNG