1 000 m3LNG燃料加注船總體布置設(shè)計

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(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司,天津 300457)

目前，LNG燃料加注主要有槽罐車加注、岸基加注、船基加注等方式。專用LNG加注船以其方便靈活、投資節(jié)省、極少占用碼頭資源等眾多優(yōu)勢成為一個有很強競爭力的LNG產(chǎn)業(yè)裝備選擇。目前，國內(nèi)外尚無專用的水上LNG加注船，關(guān)于LNG加注船的研究處于起步階段。本項目擬研究開發(fā)一種江海直達LNG燃料加注船(1 000 m3)船型。

1 總體設(shè)計概述

江海直達LNG燃料加注船開發(fā)設(shè)計主要是在江海直達型船型基礎(chǔ)上，從長江船舶通航條件的限制出發(fā)開展設(shè)計思路，其次考慮LNG加注船舶技術(shù)可行性，同時兼顧船舶營運經(jīng)濟性。

江海直達LNG燃料加注船屬于中小型LNG船，中小型LNG船的設(shè)計、建造、營運經(jīng)驗已在挪威、日本等國家成熟運用，但國內(nèi)開發(fā)中小型尤其是進江LNG運輸船還屬前沿船型，要求其不僅具有江海直達船型特點，還要符合液化氣體船相關(guān)法規(guī)規(guī)范。

2 主尺度設(shè)計依據(jù)

2.1 航區(qū)對主尺度的限制

小型LNG加注船作業(yè)范圍較廣，除了能服務(wù)于我國沿海渤海灣區(qū)域還能服務(wù)于長江中下游水域。

根據(jù)我國渤海海灣深度資料以及長江中下游航道資料，可以看出大多數(shù)航道水深均在5.5 m以上，所以在此區(qū)域作業(yè)航行的小型LNG加注船吃水可選擇在4～5 m，若還考慮在枯水季進江，則可相應(yīng)減輕裝載量以適應(yīng)更多航道。在我國大力推行疏浚工程的大環(huán)境下，長江枯水季及航道淺的問題在將來都會得到改善，在此水域航行的小型LNG加注船的吃水設(shè)計也可有較大選擇范圍，不局限于淺吃水船型。

考慮到小型LNG加注船的加注對象多為中小型LNG動力船舶，加注作業(yè)航區(qū)廣闊，則加注船需要具備良好的快速性和機動性，因此航速應(yīng)為11～13 kn。

2.2 主尺度要素

船舶主要尺度選取原則一般如下[1]。

1)船長(L)。對常規(guī)船舶的重量、造價等經(jīng)濟指標影響最大。對于LNG加注船，垂線間長主要包括機艙、艏艉尾段和液貨艙的長度，其中液貨艙的長度一般占船長的60%以上。并且液貨艙長度和布置需滿足IGC規(guī)則第3章規(guī)定的液罐和艙壁之間各種通道尺寸要求，因此液罐的長度和直徑是決定船長的關(guān)鍵。

2)船寬(B)。主要取決于液罐的直徑和液罐與船體之間的橫向間隙。液罐的尺寸是決定船長和船寬的主要因素。在總?cè)莘e一定的前提下，罐體直徑越大，其長度越小?？梢愿鶕?jù)船舶尺度和罐體尺度互做調(diào)整以求得最佳船型尺度。

3)型深(D)。對于LNG加注船，型深的設(shè)計主要考慮干舷對加注作業(yè)的影響，即考慮與受注船系泊時的加注高度差，應(yīng)確定受注船干舷的大致范圍，繼而選擇相應(yīng)加注船最佳型深，以方便加注作業(yè)的方便安全。型深對船舶結(jié)構(gòu)重量的影響很小，對貨罐尺寸的確定影響也不大。在計算中，我們可以假定固定值，其結(jié)果不受影響。

4)吃水(T)?？紤]到LNG加注船運輸單一貨品，船舶僅設(shè)設(shè)計吃水，不設(shè)結(jié)構(gòu)吃水。設(shè)計吃水的選擇主要受到航行區(qū)域及碼頭水域的限制，僅從設(shè)計角度出發(fā)選擇較大的吃水有利于船舶的快速性；但是更大的吃水對應(yīng)Cb會更小，不利于液貨罐的布置。因此設(shè)計吃水的選擇應(yīng)適中。

2.3 船型尺度要素

1)方形系數(shù)(Cb)。由于LNG 船舶通常是項目船舶，定點、定線、定港和按計劃運輸(即點對點運輸)，快速性是船舶性能指標之一。小型LNG加注船的弗勞德數(shù)約在0.2以上，即屬于中速船范疇，按照經(jīng)驗公式和回歸曲線，Cb取0.7左右較為合適。并且在此弗勞德數(shù)下，船舶總阻力中興波阻力所占份額較大，船舶線型宜設(shè)置球鼻艏以改善興波。

2)浮心位置(Lcb)。最佳方法是參照型船尺度，若無型船則需要先大致確定空船及裝載的重量重心位置，反復(fù)計算調(diào)節(jié)浮態(tài)，得到設(shè)計船的最佳浮心位置。對于小型LNG加注船，因快速性要求，船型較瘦，浮心位置可能較為靠后，需要調(diào)節(jié)布置和浮態(tài)的綜合需要，以求得最佳浮心位置。

3 總布置設(shè)計要點

總布置設(shè)計主要以滿足IGC規(guī)則對LNG罐與圍敝的間距[2-3]、穩(wěn)性計算要求和檢驗通道危險區(qū)域的要求等為原則，在設(shè)計之初就設(shè)定限制，以確保后續(xù)總體設(shè)計的合理性。

3.1 加注區(qū)布置

3.1.1 貨艙形式

目前，在大型的LNG運輸船上使用的貨艙形式多為薄膜型(GTT No.96和GTT MarkIII)，還有少量的Moss型和SPB型。此類貨艙型式目前只應(yīng)用在艙容在50 000 m3以上的大型的LNG運輸船上，小型運輸船還沒有使用記錄。目前已有的小型LNG運輸船上均使用C型貨艙。

3.1.2 LNG液化氣罐的艙容確定

1)受注船舶LNG儲罐。1 000 m3LNG加注船服務(wù)于江海直達航區(qū)，其主要服務(wù)對象為行駛于國內(nèi)沿海及進江水域的港口、碼頭及錨地停泊的中小型LNG動力船舶——包括純LNG動力船舶和經(jīng)過動力改裝后的混合燃料動力船舶。受注船的LNG儲罐容量約為50～300 m3。本加注船暫不考慮服務(wù)于大型或超大型LNG動力船舶。

2)續(xù)航力與自持力。綜合考慮江海直達LNG加注船的作業(yè)區(qū)域與服務(wù)范圍，在保障LNG燃料加注作業(yè)安全、可靠、靈活、高效的前提下，對船舶的續(xù)航力和自持力不做指令性要求。

經(jīng)初步估算，本LNG加注船的配備一個1 000 m3容量的獨立C型LNG液貨罐，能夠滿足現(xiàn)階段及未來較長一段時期內(nèi)我國國內(nèi)沿海及進江水域中小型LNG動力船舶的燃料補給服務(wù)需求。本船還設(shè)置約500 m3MDO存貯艙，可提供對外的燃油補給。

另外，貨罐的尺度對船舶主尺度的選取起著決定性的作用，反之，船舶主尺度又影響著貨罐的尺寸，兩者相互制約，相互影響，貨罐尺度的選取要與船型尺度達到完美匹配。

3.1.3 液貨及加注系統(tǒng)布置

液貨系統(tǒng)主要包括：液罐及氣室，集管區(qū)，液貨管系和閥件，液貨泵，蒸發(fā)氣壓縮系統(tǒng)(BOG)，燃氣系統(tǒng)，燃氣泵，燃氣蒸發(fā)器，水/乙二醇(WG)系統(tǒng)， 安全裝置，氮氣發(fā)生裝置與空氣干燥器，電氣設(shè)備，透氣系統(tǒng)，專用液貨監(jiān)控等安全裝置，控制空氣系統(tǒng)等[4]。

總布置設(shè)計時，需對上述設(shè)備進行布置，并充分考慮各設(shè)備系統(tǒng)的空間需求。

1)液罐的位置要與船體線型相適應(yīng)，保證與圍敝的規(guī)范間距，氣室的布置要考慮其對周圍布置處所危險區(qū)域的影響。另外，液罐還需配備透氣閥，用于液罐內(nèi)的氣體及罐內(nèi)管道內(nèi)的氣體的透氣。

2)對于使用軟管加注的小型加注船，集管區(qū)布置液相集管和氣相集管，集管口與軟管要布置在軟管吊臂幅范圍內(nèi)，在集管附近布置槽柜存放軟管，并需保證軟管的起吊安裝方便安全。集管輸出接口需布置集液盤，并要進行絕緣處理。

3)液貨泵一般使用潛液泵布置在液罐內(nèi)，其電動機布置在氣室內(nèi)。LNG液貨泵是加注系統(tǒng)的關(guān)鍵性設(shè)備，輸送LNG類易燃介質(zhì)的低溫泵，不僅要具備一般低溫液體泵的要求，而且對泵的密封性能和防爆性能要求很高。

4)蒸發(fā)氣壓縮系統(tǒng)(BOG)和燃氣蒸發(fā)器及水/乙二醇系統(tǒng)(WG)一般布置在液貨艙上方，需根據(jù)設(shè)備大小布置艙室。

5)布置專用液貨裝卸加注控制室，艙室大小要充分考慮各監(jiān)測、安全控制設(shè)備的布置需要。

6)其它設(shè)備系統(tǒng)的布置除了滿足規(guī)范要求外，還要盡量緊湊合理。

3.1.4 作業(yè)方式考慮

1)加注臂式優(yōu)點是操作簡單方便，缺點是對受注船的干舷高度有所限制；

2)加注軟管優(yōu)點是對受注船干舷高度無限制，加注操作靈活，缺點是需要專業(yè)操作人員及加配軟管吊，見圖1。

圖1 加注方式

加注方式主要由受注對象決定，如果受注船類型固定，干舷高度差別不大，則可選擇加注臂方式；若考慮受注船類型多樣，干舷高度有較大差別，則選用加注軟管配合軟管吊較為合適。

3.2 艙室劃分

根據(jù)上述總體設(shè)計依據(jù)可以初步確定小型LNG加注船的主要尺度，然后根據(jù)主尺度進行艙室劃分。

小型LNG加注船沿船長方向一般劃分為5個水密區(qū)域，分別為艏尖艙，艏側(cè)推艙，LNG罐艙，機艙和艉尖艙，并設(shè)置艏樓和艉樓，船艉布置上層建筑和機艙。加注船的LNG加注口及加注軟管折臂吊或加注臂的布置區(qū)域根據(jù)受注船的加注口位置來確定。因為小型LNG加注船要考慮破艙穩(wěn)性的要求，一般邊艙較大，LNG罐艙兩舷除了布置壓載水艙，根據(jù)需要還可布置燃料油艙，進而增加燃料油加注的功能，當然相關(guān)設(shè)備也需要另行配置。此后，還要進行線型、艙容、總布置及穩(wěn)性的校核計算。

3.3 推進系統(tǒng)

LNG加注船由于其運載貨物和提供服務(wù)的特殊性質(zhì)，在選擇推進系統(tǒng)時，應(yīng)考慮貨物自然蒸發(fā)氣(BOG)的處理和利用[5]。

1 000 m3LNG加注船屬于小型LNG運輸船舶一類，可選擇的推進系統(tǒng)如下。

1)常規(guī)內(nèi)燃機(HFO)。

2)雙燃料內(nèi)燃機機械推進(DFM)。

3)雙燃料內(nèi)燃機電力推進(DFDE)。

4)氣體機常規(guī)機械推進。

對于小型LNG船而言還存在一個為大家公認的占有絕對優(yōu)勢的推進系統(tǒng)方案。因此，在型船設(shè)計中，應(yīng)該根據(jù)實際使用需求進行選型認證。

從LNG燃料動力船發(fā)展的角度來看，選擇雙燃料或氣體燃料主機配合舵槳是未來的趨勢，并且可使用國產(chǎn)設(shè)備，大大降低造價，這也使得小型LNG加注船的靈活高效環(huán)保等優(yōu)點更為突出。

3.4 其它設(shè)計要素的考慮

3.4.1 泊位水深及碼頭設(shè)施

各終端小型LNG船碼頭泊位水深均能滿足1 000 m3LNG加注船靠泊需要。

本船吃水較小，所以目前各終端小型LNG船碼頭泊位水深均應(yīng)能滿足本船靠泊需要，還應(yīng)考慮到岸站LNG罐壓力和船上貨艙壓力配合問題、船上液貨泵壓頭、裝卸貨速率、靠墩貼合度、登船梯、卸料軟管和吊機等均需要滿足小型LNG運輸船靠泊安全。

3.4.2 船舶安全航行

大風(fēng)浪天氣影響船舶安全航行的因素，主要是艏部拍擊、上浪、突風(fēng)橫搖，如何減小這些因素的影響是保障大風(fēng)浪天氣船舶航行安全的關(guān)鍵。

激烈的艏部拍擊對船體的沖擊力極大，能夠?qū)е麓w的拱垂作用，對船體構(gòu)件造成危害，因此設(shè)計合理的艏部線型、足夠的總縱強度是減少這種危害的有效手段。本船水線以下采用介于U形和V形的艏部線型，未設(shè)明顯的球鼻；這些舉措都將有利于減小縱搖、垂蕩和艏部的相對位移，有利于減輕艏部拍擊。

本船水線以上設(shè)置了外飄及折角，而且由于具有較大的船艏干舷，這都將大大減少甲板上浪及淹濕的可能性。

另外，需根據(jù)規(guī)范計算校核完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性。

3.4.3 結(jié)構(gòu)強度

1 000m3LNG加注船須頻繁地進行靠泊加注作業(yè)，故船體相關(guān)部分的結(jié)構(gòu)應(yīng)予適當加強。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，除盡量減輕結(jié)構(gòu)重量外，還可適當采用部分高強度鋼以減小空船重量，優(yōu)化船舶主尺度。

本船從安全性方面考慮，船體采用雙殼結(jié)構(gòu)，罐體距離舷側(cè)較遠，在遭受側(cè)面的碰撞時，罐體可以得到更好的保護，將罐體破損的可能性降到最低。中小型LNG船須頻繁地靠泊作業(yè)，舷側(cè)結(jié)構(gòu)會經(jīng)常遭受外力沖擊，船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)的合理布置顯得尤為重要。如有必要，可進行船舶碰撞模擬試驗，以優(yōu)化舷側(cè)結(jié)構(gòu)布置和增加船舷板厚度考慮，確保船舶安全性。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，除盡量減輕結(jié)構(gòu)重量外，還可適當采用部分高強度鋼以減小空船重量，優(yōu)化船舶主尺度。

3.4.4 貨物裝卸速率

盡量減少在港裝卸時間，貨泵系統(tǒng)配置應(yīng)能保證12 h內(nèi)裝卸完畢。

3.4.5 救生、消防及其它安全設(shè)備

船舶檢查報告系統(tǒng)(SIRE)，主要是船舶運營管理的要求，設(shè)計上已滿足其要求，其旨在對船員值班、檢查、設(shè)備的保養(yǎng)、維護和使用等方面的日常工作規(guī)范化。設(shè)計中應(yīng)與船東的管理模式相結(jié)合，將在符合規(guī)范要求的基礎(chǔ)上盡量滿足船東運營管理上的需求。

3.4.6 天然氣為船用燃料的相關(guān)法規(guī)

使用天然氣作為船舶燃料，國際海事組織(IMO)在2005年就已經(jīng)頒布了相應(yīng)的法規(guī)，比如：國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則(IGC code)；2009年6月，海事安全委員會(MSC)制定了氣體燃料指南(IGF code)。

各主要船級社已經(jīng)制定了針對以氣體作為燃料的船舶的專門規(guī)范，比如中國船級社在2008年根據(jù)國際公約制定了《氣體燃料動力船檢驗指南》，2013年9月中國船級社正式發(fā)布了《天然氣燃料動力船規(guī)范》，對相關(guān)船舶有明確規(guī)范標準。

4 結(jié)束語

LNG燃料加注船的研發(fā)設(shè)計為LNG加注終端提供了多樣化便捷性的途徑，并填補了我國此類船型的空白。在更多船型以LNG作為船舶燃料以及國家對節(jié)能減排項目的大力支持倡導(dǎo)的趨勢下，LNG燃料加注船的開發(fā)能夠引導(dǎo)和促進LNG船舶燃料消費市場的發(fā)展，順應(yīng)船舶節(jié)能減排的全球化趨勢。

[1] 中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊總體分冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[2] 中國船級社.天然氣燃料動力船規(guī)范[S].北京，2013.

[3] 中國船級社.散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2005.

[4] 顧安忠.液化天然氣技術(shù)手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[5] 林建輝，陸 晟. 小型LNG船推進方案綜述[J] .船舶與海洋工程，2012,(3)：52-55.