某小型LNG动力船舶燃料储罐的设计

JOURNAL OF GUANGZHOU MARITIME INSTITUTE

广州航海学院学报

Vd. 25 No. 2Jun. 2017

某小型

LNG动力船舶燃料储罐的设计

张国岭\\邢明2

(1.广州航海学院轮机工程学院，广东广州510725;2.上海浦东发展银行有限公司大连分行，辽宁大连116026)

摘要：出于运营经济性与安全性的目的，中小型LNG动力船舶供气系统的储罐一般选用C型储 罐.对于储罐的设计，首先是要根据内压储罐的设计要求进行设计计算，然后，针对所设计的壁厚 等参数依据相应规范进行适当的校核，以保证强度的要求.关键词：小型LNG动力船；C型储罐;有效容积；强度校核 中图分类号：TK434.6

文献标志码：A

文章编号：1009 -8526(2017)02 -0004 -03

LNG储罐指的是船上用于储存液化天然气燃 料的装置.LNG储罐可分为薄膜型储罐、半薄膜型 储罐和独立储罐（包括A型、B型和C型）等，其中 薄膜型储罐和半薄膜型储罐主要用作LNG运输船的 液货舱，而小型LNG动力船的LNG储罐，当前广泛采 用的是C型独立真空罐[1].这既能满足营运经济性 与安全性的要求，又可以满足航行工况的特殊性.本 文主要对C型独立储罐进行了相关的参数设计.

2内压储罐有效容积的计算

c型内压储罐有效容积的计算主要依据是:在 不考虑锅炉、副机等设备燃烧LNG的前提下，按照 存储量至少满足船舶续航力要求进行相关的计算. 在此计算过程中，忽略双燃料发动机在纯柴油模式 下与在双燃料模式下的热效率差异.这样，所需 LNG体积可以通过船舶发动机在续航时间内，纯柴 油模式下所需热量与在双燃料模式下所需热量相 同这一关系求得[2].具体计算过程如下所示：

^ bxPsxtxH0L

(1)Q= 1 000 •

Qn — Q ^xi-T/ Qn 1

Ve ~~•

nNL PLNG

由以上公式可以导出：

bxH0L PsxtxXi le ~ i ooo x hnl xPlng-(2)(3)

1船舶的初始条件的选定

对于储罐的设计，需要先确定被设计船舶的初

始给定条件，从而依据初始条件可以估算出船舶在

满足要求的续航力时的最大的LNG体积，即C型内 压储罐的有效容积.目标船为小型客船，双机双桨， 其主机型号为Z6170ZLC/S -6型双燃料发动机，目 标船及其主机的具体参数如表1所示.

表1

项目总长总吨位设计水线长

型宽型深设计吃水排水量

参数

目标船及其主机参数

项目设计航速续航时间持续功率持续转速最低稳定转速综合燃油替代率燃油消耗率 (纯柴油模式）

参数

(4)

45 m

400 GT41 m7. 8 m2. 1 m1.1m183 t23 km/h40 h300 kWx21 200 r/ min540 r/ min70%200g/(kWh)

式中为船舶续航时间内纯柴油模式下燃料燃烧所 产生的热量，kj; 6为发动机在纯燃油模式下的燃油消 耗率，g/(kWh) ;JPs为发动机的最大持续功率，kWy为 续航时间，h;

为燃油的低热值，kj/kg;久为船舶续

航时间内，燃油替代率为^时，LNG燃烧所产生的热 量，kj;%,为燃油替代率;R为所需LNG体积，m3 为LNG的低热值，kJ/kg;PM(^ LNG的密度，kg/m3.

收稿日期：2016-10-19

基金项目：广州航海学院创新强校工程(2016E038)

作者简介：张国岭（1989—），男，硕士，教师，主要研究方向为现代轮机管理.

第2期

张国岭等：某小型LNG动力船舶燃料储罐的设计

5

由前文可知，发动机在纯燃油模式下的燃油消

耗率为200 g/(kWh)，发动机最大持续功率为300 x2 =600 kW,续航时间为40 h,发动机的综合燃油 替代率为70% .柴油的低热值约为46. 04 MJ/kg,

LNG的低热值约为49. 2 MJ/kg, LNG的密度约为

420 kg/m3[3].将上述参数代入公式（4)中可得所需 LNG的体积^为7.48 m3.

根据船级社相关规定，LNG储罐的充装率要在 75% ~95%之间[4]，本文以90%计算得到LNG储 罐的容积 K = F/0. 9 =0. 83 m3.为保证船舶的航行可靠性，本文为两台双燃料 发动机分别设计一套LNG供气系统，每套供气系统 包括一个LNG储罐和一套汽化单元.这样，每个

LNG储罐的容积匕=匕/2 =4.15 m3.

3

C型储罐的设计

3.1内压储罐尺寸的设计

关于储罐的封头，本文采用的是标准的椭圆封

头，因为这种封头的边缘应力比较小，并且易于制造. 储罐的部分尺寸可以参考HG/T3514 - 1985卧式椭 圆形封头贮罐系列化工标准来进行设计，从其中可以 查得在匕=4. 15 m3时，可以得到直径D = 1 200 mm. 在选取标准椭圆形封头直径D = 1 200 mm时，由

JB04746T. 02钢制压力容器封头得知:该封头的总深 度=325 mm,封头的容积F = 0. 254 5 m3,在得到封 头尺寸后，根据下列公式便可求得储罐的罐体长度.

L=2H + l. (5)

V'a=^l+2V.

(6)

式中:i为内罐总长，m;Z为储罐主体长度,m.

将相关参数代入公式(5)、（ 6)，可得i = 3.75 m， / = 3.22 m.

3.2材料的选用

在确定了储罐的基本技术参数后，首先需要确 定储罐设计的材料.目前用于建造低温储罐内罐的

两种代表钢材为304不锈钢（0&18M9)和9Ni钢 (06M9DR).虽然304不锈钢以其以及价格便宜、焊 接加工相对容易等优点，成为众多低温储罐的主要 材料，但9Ni钢可以在设计温度为-196 °C的超低 温下仍能保持良好的初性和机械强度;本文中的目 标船拟选定9Ni钢作为储罐的材料[5].

3.3内压储罐筒体壁厚^

对于内压储罐罐体与封头的厚度的设计，首先

要确定内罐的设计压力，而设计压力包括了内压容 器的最大蒸汽压力与由于船舶的运动所引起的动 载荷两部分来确定.本目标船设计压力是依据储罐 的压力释放阀的最大允许调定值进行设计，并取

P= 1.1 MPa进行设计.

此时，内压储罐筒体部分壁厚A的计算以及储 罐的相关参数如下所示：

5； = P xD/(2 x[cr] x0 -P) +t.

(7)

式中'为设计内部压力，MPa;D为筒体内径，mm; [〇■]为材料的许用应力，取[〇■] =252 MPa;0为焊 接效率系数，此处取1; t为腐蚀余量，取〇. 5 ~ 1 mm,此处取1 mm.

由此可以得到筒体的厚度A =3. ()2 mm,取夂= 4 mm;GB-150钢制压力容器中规定，筒体的厚度在设计温度下计算应力[

需要满足以下关系：

[(7]1=Px^±S1^[(7](Z)

(8)

将夂=4 mm代入式（8 )可以计算出此时的壁 厚满足规定的要求.

3.4内压储罐封头的壁厚52

根据GB -150钢制压力容器国家标准获得，标 准椭圆形封头板厚52的计算公式可表示为：

S2 = P xD/(4 x[cr] x0 -P) +t.

(9)

于是得储罐封头的厚度52为2.31 mm;为了方 便与筒体进行焊接安装，可以取52 = 4 mm.此时，

GB-150钢制压力容器的要求与筒体壁厚的要求 相似，需要满足计算应力：

[(7]1=Px^±S1^[(7](Z)_

(1〇)

将此52 =4 mm,代入校核公式同样可以验证其 符合条件.

3.5外罐的相关尺寸设计

在内罐的体积小于1 〇〇〇 m3时，真空层的尺寸不 小于200 mm,此处以250 mm计.GB - 150中,对于外 罐的筒体厚度以及封头的厚度都有相应的计算方法， 基本原理是:在选定外罐材质的前提下，给定假设的 各自厚度值，并计算出(i/仏）、(£»。/52)再通过查取图

表与计算获得系数A、B,并根据不同情况下的参数值 选取不同的计算压力公式进行验证，最终的目的是实 现许用应力[P]无限接近设计压力但却要大于八

若外罐的材质选用Q235AA碳钢，则可以得出 目标船在已选定的初始条件与设计的内罐尺寸的 条件下，外罐筒体与封头的厚度分别为為10 mm、 5、彡7 mm,而对于Q235A-F碳钢，GB150中规定其

6 广州航海学院学报 第25卷

作为外罐材质时的厚度不得大于12 mm,于是可以 取:§’[ = 10 mm、5’2 = 10 mm.

本文对船用LNG储罐的设计计算满足相关国 家标准及CCS规范要求，对小型LNG动力船的船用

4结论

本文以目标船的相关设计参数和运营参数为

LNG储罐的设计具有一*定的指导意乂.

[1] [2[3[4[5

王永伟，王传荣，王晶.

参考文献：

基础，根据船舶发动机在纯柴油模式下所需热量与 在双燃料模式下所需热量相同这一关系求得所需 LNG总量，进而得出在设置两个储罐的情况下，单 个储罐的容积为4. 15 m3;根据相关标准计算得到 内、外储罐的相关设计参数如表2所示.

表2

丄贝日

_

目标船储罐的设计参数

参

内压储罐

总长度

材料内径壁厚

数

外罐

LNG船三种储罐系统比较分析[J].

船舶物资与市场，2007(2) :25 -28.] 张国岭• 4〇〇吨内河客船主动力装置选型及布置[D]•大连： 大连海事大学，2015.

] 李超.LNG动力船舶储罐选型设计及稳压过程研究[D] •大 连:大连海事大学，2013.

] 邢明•某中小型LNG动力船舶储罐的设计与校核[D] •大 连:大连海事大学，2016.] 裴轶群，陆晟，刘文华.小型LNG船C型独立液舱结构设计 与研究[J]•船舶设计通讯，2012(2) :28 -34.

37 504 mm

9Ni钢1 200 mm4 mm38 024 mmQ235A*F 碳钢1 704 mm10 mm

The Design of Type C Independent Tanks of Gas Supply System

on a Small Size Inland LNG Power Vessel

ZHANG Guo-ling1 ,XING Ming 2

(1. School of Marine Engineering Guangzhou Maritime Institute, Guangzhou Guangdong 510725;

2. Dalian Branch of Shanghai Pudong Development Bank Co.,Ltd.)

Abstract： For the purpose of economy and safety,type C independent tanks should be used on small or medium

sized LNG power ships as their storage tanks of gas supply system. For the design of type C independent tanks,the most important thing is to design the internal pressurized tanks. At the same time, the thickness of barrel and

heads, also other parameters should be confirmed and relatively intensity check also should be conducted to comply with relative rules and regulations to make sure enough integral safety.Key words ： small sized LNG power vessel;type C independent tank ；effective volume;intensity check

简讯l

邹采荣校长接受《广州日报》等多家媒体采访

3月21日上午，广州航海学院邹采荣校长接受了《广州日报》等多家媒体主题为“大学与城市一地区大学校长访谈”活动的访谈。

在访谈中，部采荣校长就学校发展情况、办学定位和十三五期间发展思路、学校肩负的历史责任，以及 目前学校的重点任务等方面，向媒体进行了详细的介绍和解读。邹采荣校长说，广州建设国际性综合交通 枢纽，实施创新驱动发展战略，关键在人才，基础在教育。为此，我校目标是依托广州地区现有交通类本科 教育办学基础，联合国内外一流高等教育资源，以创新思维、跨越式发展模式，将我校建成一所高水平应用 型大学，争取为区域经济社会发展做出更大贡献。

(党委宣传部供稿)

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