內(nèi)河200 m3LNG加注船的研制

孫紅娟

(江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團)有限責(zé)任公司，江蘇 鎮(zhèn)江212002)

0 引言

近年來，國內(nèi)外節(jié)能減排的步伐日益加大。國際海事組織(IMO)發(fā)布了MARPOL公約和一系列船舶防止污染、減少排放的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，審議和通過了溫室氣體(GHG)減排等強制性文件，要求到2024年船舶實現(xiàn)減排30%的目標(biāo)。為防止船舶污染損害，促進航運業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，目前我國正在實施LNG動力船的推廣工作。交通運輸部提出到2020年，內(nèi)河運輸船舶在能源消耗中LNG的比例將達到10%以上。

為了推動LNG燃料動力船舶市場快速健康發(fā)展，國家有關(guān)部門陸續(xù)出臺了一系列激勵政策和法規(guī)。2014年4月，財政部和交通運輸部聯(lián)合發(fā)布《內(nèi)河船型標(biāo)準(zhǔn)化補貼資金管理辦法》。該辦法對LNG動力示范船的補貼標(biāo)準(zhǔn)制定了明確規(guī)定，以此推動LNG動力船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但是，船舶使用LNG作為動力能源卻遇到了加注難題，因此，為了解決這一問題，開發(fā)研制了具有自航能力的200 m3LNG加注船。本文首先分析了制約LNG動力船發(fā)展的因素，其次介紹了內(nèi)河LNG加注船建造時應(yīng)遵循的規(guī)范，最后詳細說明了200 m3LNG加注船的主要參數(shù)、總體布置、加注系統(tǒng)等。

1 制約LNG動力船發(fā)展的因素

從汽車采用LNG作為動力能源的市場得到迅速擴張這一事實，證明了使用LNG作為動力燃料具有重要的環(huán)保意義和顯著的經(jīng)濟效益。船舶的燃油用量和營運壽命都遠高于汽車，如果船舶采用LNG清潔能源，其環(huán)保性與經(jīng)濟性應(yīng)當(dāng)更加顯著。但是，由于船用LNG加注設(shè)施不足，尤其是LNG的水上加注能力缺乏，無法滿足LNG動力船在正常航行中的加注需求，使船舶使用LNG作為動力能源受到了嚴(yán)重影響。

對于采用LNG為能源的船舶，LNG的加注是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前船用LNG的加注方式主要有兩種:一種是通過槽罐車加注(TTS)，另一種是由固定的岸站或躉船加注(TPS)。無論是TTS加注還是TPS加注，對LNG動力船舶而言，都存在無法克服的弊端。近來出現(xiàn)的非自航型LNG水上加注船，實際上是由其他船舶拖動的加注躉船，很難滿足LNG動力船的實際需求。因此，開發(fā)自航型LNG加注船，改變LNG動力船舶的傳統(tǒng)加注方式，滿足LNG動力船的氣源供應(yīng)，具有重要的現(xiàn)實意義。

2 內(nèi)河LNG加注船的建造已有章可循

中國船級社(CCS)于2015年發(fā)布了《液化天然氣燃料加注船舶規(guī)范》并于2015年12月1日生效。該規(guī)范對加注船的定義為“系指設(shè)有 LNG圍護系統(tǒng)和加注系統(tǒng)，用于船用 LNG燃料加注的自航船舶”。凡符合該規(guī)范要求并申請入級的加注船，可在CCS規(guī)定的散裝運輸液化氣體船舶附加標(biāo)志后授予“LNG Bunkering Ship”附加標(biāo)志。

該規(guī)范適用于設(shè)有液化天然氣(LNG)圍護系統(tǒng)和加注系統(tǒng)，為他船加注 LNG燃料的船舶;同時規(guī)定“內(nèi)河航行LNG燃料加注船舶尚應(yīng)滿足《內(nèi)河散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》的有關(guān)要求”。該規(guī)范的發(fā)布，使內(nèi)河自航型 LNG燃料加注船舶的設(shè)計、建造和檢驗有章可循，這對推動LNG動力船舶的市場發(fā)展必將產(chǎn)生重大作用。由于LNG加注船屬于新生事物，相關(guān)規(guī)范發(fā)布不久，在研制內(nèi)河自航型LNG加注船舶的過程中，需要對規(guī)范加深理解。本文研究的內(nèi)河自航型200 m3LNG加注船除符合上述規(guī)范要求外，還必須滿足《內(nèi)河散裝運輸液化氣體船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》(2009)、《船舶與海上設(shè)施法定檢驗規(guī)則》(2011)、《天然氣燃料動力船法定檢驗暫行規(guī)定》(2013)等要求。

3 加注船主要參數(shù)

3．1 主要量度

總長 45．0 m

垂線間長 44．0 m

型寬 8．8 m

型深 3．0 m

設(shè)計吃水 2．0 m

肋距 0．5 m

LNG罐有效容積 200 m3

船員定額 5人

3．2 主要性能

(1)航區(qū):內(nèi)河B級航區(qū)。

(2)航速:自由試航速度≥15 km/h。

(3)續(xù)航力:續(xù)航力為48 h。

(4)穩(wěn)性:本船完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性均滿足規(guī)范對B級航區(qū)液貨船的要求。

(5)浮態(tài):本船在各種設(shè)計載況下浮態(tài)為平浮或略艉傾。

(6)操縱性:本船設(shè)置2套全回轉(zhuǎn)舵槳，變頻控制，以利于在各種工況下船舶回轉(zhuǎn)靈活。

4 總體布置

根據(jù)《液化天然氣燃料加注船舶規(guī)范》要求，LNG加注船的總布置除了按照該規(guī)范有關(guān)處所位置和分隔、通道的布置、連接設(shè)備的布置、錨泊與系泊設(shè)備及護舷設(shè)施的布置的要求外，還應(yīng)滿足《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》或《內(nèi)河散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》中有關(guān)船舶布置的要求。

通過建立三維數(shù)字化設(shè)計模型，對本船的總體布置、結(jié)構(gòu)強度、圍護系統(tǒng)、耐碰撞及護舷設(shè)施等進行優(yōu)化設(shè)計。船舶的布置總體布置如圖1所示。本船為前傾艏、方型艉、全鋼質(zhì)、單甲板船型，采用雙舵槳電力推進系統(tǒng)。全船設(shè)2道水密縱艙壁、5道水密橫艙壁，貨艙區(qū)為雙底雙舷，其余單底。本船在艏、艉部設(shè)有甲板室，艏部為起居處所及駕駛室，艉部為發(fā)電機間及工作艙室。

4．1 各艙室分隔與布置

4．1．1 底艙

(1)從艉至Fr4為舵槳艙。艙內(nèi)對稱布置有2臺變頻電機驅(qū)動的全回轉(zhuǎn)舵槳裝置，含液壓動力單元、變頻器、制動電阻等。Fr4端壁船中設(shè)有斜梯通往露天甲板。

(2)Fr4至Fr13為泵艙，主要布置空壓機、消防泵、水霧泵，以及其他泵組和一些輔助設(shè)備。艙底還設(shè)有2個海水箱及污油艙等。船中設(shè)有斜梯通往主甲板，左舷設(shè)有直梯通往主甲板。

(3)Fr13至Fr19為自用燃料罐艙，由冷卻箱和容積為2．84 m3的LNG儲罐組裝整體模塊，專供氣體發(fā)電機使用。左右舷各設(shè)有直梯通往主甲板。

(4)Fr19至Fr69為貨艙區(qū)，設(shè)有雙底雙舷，中間為大冷卻箱和容積為243 m3的LNG儲罐組裝整體模塊安裝區(qū)域;邊艙為空艙、污水井、壓載水艙及淡水艙等，首尾各設(shè)有直梯通往露天甲板。

(5)Fr69至Fr79為輔助設(shè)備艙，布置有生活污水排放泵、淡水自動給水泵和衛(wèi)生水自動給水泵等，內(nèi)設(shè)有直梯通往主甲板。

(6)Fr79至船艏為艏尖艙，設(shè)有2個錨鏈艙。

4．1．2 主甲板

(1)艉至 Fr4為艉升高甲板，配備1臺電動系纜絞盤。

(2)Fr4至Fr19為發(fā)電機區(qū)域，設(shè)有發(fā)電機室、配電間及制氮設(shè)備間。

(3)Fr19至Fr69為LNG儲罐區(qū)域，其中Fr23至Fr33左右舷各設(shè)有下加注平臺，主要供給受注船進行加注作業(yè);右舷Fr21至Fr30設(shè)有上加注平臺，主要供本船進行被加注作業(yè);在Fr37左、右舷各設(shè)有1臺液壓折臂起重機，主要用于起吊加注軟管。艙口圍板與LNG儲罐間采用有效的風(fēng)雨密設(shè)施。

(4)Fr69至Fr79為值班室、衛(wèi)生室、休息室兼餐廳，可進行簡單的食品加工。

(5)Fr79至艏升高甲板，布置2臺輕型電動起錨機。

4．1．3 艉平臺甲板

艉部Fr6至Fr21設(shè)有貨控室及預(yù)留臨時發(fā)電機的位置。

4．1．4 駕駛甲板

艉部Fr64至Fr80設(shè)有駕駛室。

4．2 船體結(jié)構(gòu)

本船采用單甲板、貨艙區(qū)雙底雙舷鋼質(zhì)電焊結(jié)構(gòu);中部 LNG儲罐區(qū)為下沉式，以滿足《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》2009及修改通報(2012)的要求。

4．3 結(jié)構(gòu)型式

艉至Fr19及Fr69至艏為單層底橫骨架式;Fr19至Fr69為雙底雙舷縱骨架式。甲板室為橫骨架式。

4．4 連接設(shè)備的布置

本船LNG加注接口和供給接口均采用柔性連接方式。供給受注船進行加注作業(yè)用的連接設(shè)備分別安置在主甲板Fr23至Fr33左、右舷下的加注平臺;供本船進行被加注作業(yè)用的連接設(shè)備安置在主甲板Fr21至Fr30右舷上的加注平臺;按規(guī)范要求，連接設(shè)備的底座結(jié)構(gòu)及其與船體結(jié)構(gòu)連接部位處的強度均按照《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》的要求進行分析;連接設(shè)備距離舷側(cè)有足夠的距離，以避免船舶靠泊或加注作業(yè)過程中連接設(shè)備受損;加注軟管不作業(yè)時用安全固定裝置固定。

4．5 加注船標(biāo)記

按規(guī)范要求，加注船兩舷應(yīng)勘劃“LNG加注船”標(biāo)記。該標(biāo)記應(yīng)醒目可見，且能在夜間識別。

5 電源和推進裝置

5．1 電源裝置

本船電力系統(tǒng)電制為三相三線絕緣系統(tǒng)，AC400 V/50 Hz。船舶電站由2臺安裝在本質(zhì)安全機器處所內(nèi)的單燃料LNG主發(fā)電機和主配電板、變壓器組成，向推進裝置、全船輔助動力設(shè)備、照明系統(tǒng)與生活設(shè)施等負(fù)載提供電力。

當(dāng)船舶出現(xiàn)因無氣源而不能提供電力狀況時，可以吊裝1臺柴油發(fā)電機組至艉平臺甲板預(yù)留柴油機位置處，通過預(yù)留電纜向主配電板供電。

本船還設(shè)有應(yīng)急充放電板，采用雙線絕緣系統(tǒng)DC24 V。正常情況時，充電器通過充放電板對蓄電池組和重要DC24 V負(fù)荷浮充供電;當(dāng)主電源失電時，應(yīng)急DC24 V電源自動投入，向臨時應(yīng)急照明負(fù)載及報警系統(tǒng)供電。

圖1 內(nèi)河200 m3LNG加注船總布置示意圖

5．2 推進裝置

本船采用電力推進裝置工作方式，由主氣機組向主配電板供電，再通過隔離變壓器方向主頻器傳輸，變頻器對主推進配電機進行控制。本船配有2套全回轉(zhuǎn)舵槳裝置，在舵槳艙內(nèi)左右對稱布置。舵槳控制方式有2種:一是在駕駛室內(nèi)通過主推進電機進行調(diào)速及控制螺旋槳的轉(zhuǎn)向;二是在舵槳艙內(nèi)進行機旁控制，并設(shè)有機旁轉(zhuǎn)換單元。當(dāng)駕駛室控制失效時，在機旁能有效地進行控制。機旁和駕駛室均有控制位置指示，操作上兩地互相連鎖。當(dāng)從一地控制轉(zhuǎn)向另一地控制時，螺旋槳轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向保持不變。推進系統(tǒng)在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)方向上，從零轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能平滑控制和提供足夠的轉(zhuǎn)矩。

6 加注系統(tǒng)

6．1 加注裝置

本船配置200 m3的LNG大儲罐，不僅能給內(nèi)河中的LNG動力船加注LNG燃料，同時也可以通過甲板下的2．84 m3自用燃料儲罐向2臺LNG氣體發(fā)電機提供動力能源。

加注系統(tǒng)主要由燃氣供應(yīng)控制器、緊急切斷控制器、測量模塊、工控機、顯示單元、LNG壓力溫度監(jiān)測儀表、LNG泄露監(jiān)測報警裝置等組成。通過顯示器可以監(jiān)控系統(tǒng)所有測點狀態(tài)，并進行圖形與動態(tài)數(shù)據(jù)顯示，具備報警、數(shù)據(jù)記錄與查詢、故障自檢及診斷等功能。

6．2 監(jiān)測和報警系統(tǒng)

按規(guī)范要求，加注系統(tǒng)包含了LNG加注控制系統(tǒng)、加注及儲氣罐監(jiān)測系統(tǒng)、燃氣加注和供應(yīng)系統(tǒng)的監(jiān)測報警、安全保護系統(tǒng)，且應(yīng)具有抗干擾能力強和監(jiān)控精度高的特點。

6．3 LNG加注及供給

加注控制系統(tǒng)主要任務(wù)是完成對他船儲罐的補液工作，并在補液過程中完成對管路、流量計中殘存氣體的吹掃和遇冷控制;發(fā)出對低溫泵的啟?？刂菩盘?對加液輸送泵、加注軟管及相關(guān)管路閥件進行控制。

當(dāng)LNG供給本船發(fā)電機使用時，經(jīng)氣化加熱后，氣體維持在一定壓力和溫度情況下給發(fā)電機供氣?？刂乒δ馨òl(fā)動機運行前的系統(tǒng)氣化、運行時的供氣和發(fā)動機停止時的儲罐回氣功能。操作模式分為手動操作和自動操作，手動操作時所有泵和閥的開啟和關(guān)閉在操作面板上手動執(zhí)行，自動操作根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)自動執(zhí)行。

6．4 緊急切斷(ESD)系統(tǒng)

ESD系統(tǒng)是加注系統(tǒng)必不可少的組成部分，需經(jīng)專門機構(gòu)認(rèn)證且具有一定安全等級的降低風(fēng)險的保護系統(tǒng)。它不僅能夠響應(yīng)生產(chǎn)過程因超出安全極限而帶來的危險，而且能夠檢測和處理自身的故障，從而按預(yù)定的條件或程序使生產(chǎn)過程處于安全狀態(tài)，以確保人員、設(shè)備及場區(qū)的安全。ESD系統(tǒng)的手動操作位置應(yīng)至少包括2處，在便于操作觀察同時應(yīng)盡可能利于到達和人員的撤離。

7 結(jié)語

為了滿足LNG動力船的水上加注需求，開發(fā)研制有自航能力的LNG加注船。在設(shè)計和建造過程中，從艙室布置到各系統(tǒng)都必須按照有關(guān)規(guī)范的要求，確保安全可靠性。2016年10月，國務(wù)院印發(fā)了《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》，把低碳發(fā)展作為我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重大戰(zhàn)略和生態(tài)文明建設(shè)的重要途徑，要求采取積極措施，有效控制溫室氣體排放。環(huán)保性是基本國策必須強制執(zhí)行，經(jīng)濟性是推動市場發(fā)展的重要動力，可以預(yù)見LNG動力船舶產(chǎn)業(yè)定會克服瓶頸，取得迅速發(fā)展。

［1］ 周淑惠，沈鑫，劉曉娟，等．LNG在我國內(nèi)河水運領(lǐng)域的應(yīng)用探討［J］．天然氣工業(yè)，2013，33(2):81-89．