LNG氣罐型式及在某大型耙吸挖泥船上的布置研究

張英捷李志壘于再紅

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

船舶動(dòng)力裝置

LNG氣罐型式及在某大型耙吸挖泥船上的布置研究

張英捷1李志壘2于再紅1

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

液化天然氣（LNG）燃料具有清潔、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，大型挖泥船工作于港口、沿海區(qū)域，使用LNG燃料將大大降低其排放污染，對(duì)改善沿岸大氣環(huán)境有重要意義。文中整理了LNG燃料船舶的相關(guān)規(guī)范，闡述國(guó)內(nèi)外LNG燃料船舶發(fā)展現(xiàn)狀，比較不同型式LNG氣罐的特點(diǎn)，并基于某LNG雙燃料大型耙吸挖泥船提出適用的氣罐型式和布置。

液化天然氣；雙燃料；挖泥船；LNG氣罐

引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球氣候不斷惡化，大氣污染問(wèn)題越來(lái)越突出，成為危害人類(lèi)健康及制約文明發(fā)展的一個(gè)重要因素。目前傳統(tǒng)石化燃料的大規(guī)模使用是造成大氣污染及氣候惡化的主要原因之一，船舶大氣污染特別是在港口、海峽和一些航線密集、船舶流量大的海區(qū)，已成為該地區(qū)的主要污染源。與此同時(shí)，隨著全球?qū)ξ廴疚锱欧乓蟮娜找鎳?yán)格，特別是船舶航行在排放控制區(qū)（Emission Controlled Area，ECA）、加勒比海和加利福尼亞區(qū)域，強(qiáng)制要求船舶有更低的NOx和SOx排放［1］。另外，有關(guān)NOx的IMO TierⅢ排放標(biāo)準(zhǔn)已在北美排放控制區(qū)實(shí)施，其他排放控制區(qū)也會(huì)陸續(xù)跟進(jìn)，這無(wú)疑使如何降低船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放成為一大研究課題。采用傳統(tǒng)的燃油，僅靠柴油機(jī)自身無(wú)法滿足IMO TierⅢ排放標(biāo)準(zhǔn)，需在外部系統(tǒng)增加反應(yīng)裝置還原排氣中的氮氧化物，因此尋找和推廣更環(huán)保的替代能源迫在眉睫。

LNG能源不僅清潔，而且儲(chǔ)量充沛，甚至比石油的儲(chǔ)量還要豐富，是解決大氣污染的理想能源。相關(guān)研究表明，在相同的功率輸出下，設(shè)計(jì)先進(jìn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其二氧化碳排放比柴油機(jī)約減少20%，氮氧化物排放約減少80%，硫氧化物和顆粒排放幾乎減少100%［1］。雙燃料柴油機(jī)在使用LNG燃料時(shí)，可以輕而易舉地滿足IMO TierⅢ的排放標(biāo)準(zhǔn)。

挖泥船作為在港口、沿海航道甚至城市周邊河道疏浚作業(yè)的船舶，其排放對(duì)城市大氣環(huán)境影響巨大。因此，開(kāi)發(fā)使用LNG能源的綠色挖泥船，將成為建設(shè)綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展城市的趨勢(shì)。

當(dāng)前，阻礙LNG實(shí)船應(yīng)用的因素中，很重要的一項(xiàng)是其續(xù)航能力弱，原因是LNG儲(chǔ)存罐系統(tǒng)復(fù)雜、要求繁多、布局困難。因此，對(duì)于以LNG為燃料的船舶設(shè)計(jì)而言，其布置方面的研究是重中之重。目前，投入運(yùn)行的LNG動(dòng)力船舶為數(shù)不少，但尚未有投入運(yùn)行的LNG燃料大型耙吸挖泥船。如何為其選擇合適的LNG氣罐類(lèi)型，設(shè)置合理的布置位置需要我們進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1 相關(guān)規(guī)范規(guī)則

1.1 CCS船級(jí)社規(guī)范規(guī)則

在CCS船級(jí)社《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》［2］中，對(duì)LNG氣罐及其附件的布置要求如表1所示。

表1 CCS《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》對(duì)LNG氣罐的布置要求

另外，針對(duì)氣罐處所，規(guī)范中還作出了如下規(guī)定：

（1）氣罐處所系指由船舶結(jié)構(gòu)所圍蔽、其內(nèi)部設(shè)有燃料維護(hù)系統(tǒng)的處所。燃料圍護(hù)系統(tǒng)系指用于儲(chǔ)存燃料的裝置（含接頭），包括主屏壁和次屏壁（如設(shè)有）以及附屬的絕熱層和屏壁間空間，包括必要時(shí)用于支持這些構(gòu)件的鄰接結(jié)構(gòu)。若次屏壁是船體結(jié)構(gòu)的一部分，則它可以是氣罐處所的邊界。

（2）氣罐處所內(nèi)不應(yīng)安裝可能導(dǎo)致火災(zāi)危險(xiǎn)的機(jī)器和設(shè)備。

（3）氣罐連接處所內(nèi)的設(shè)備應(yīng)能承受低溫液體的泄漏，而不導(dǎo)致其功能喪失。

（4）氣罐包括次屏壁（如設(shè)有），氣罐連接處所不應(yīng)與機(jī)器處所和具有較大失火危險(xiǎn)的其他處所相鄰。如果通過(guò)隔離艙進(jìn)行隔離，則隔離艙的寬度應(yīng)至少為900 mm。對(duì)于真空絕熱C型氣罐，若氣罐外殼距艙壁不小于900 mm，則氣罐處所可以作為隔離艙，但氣罐布置在機(jī)器處所和其他可能產(chǎn)生火災(zāi)的危險(xiǎn)區(qū)域上方的情況除外。

1.2 DNV船級(jí)社規(guī)范規(guī)則

DNV船級(jí)社規(guī)范［3］中關(guān)于氣罐布置的要求與CCS有所不同，它增加了根據(jù)氣罐的容積大小規(guī)定的甲板上LNG氣罐與船體的最小距離，與即將生效的IGF Code相同，因而比CCS船級(jí)社規(guī)范更為嚴(yán)格。

DNV規(guī)范規(guī)定，開(kāi)敞甲板布置的氣罐及其附件應(yīng)布置在距離舷側(cè)不少于B/5的位置，對(duì)除客船以外的船舶，氣罐距離舷側(cè)可小于B/5的要求。氣罐邊界與船體邊界的最小距離在任何情況下不得小于最小距離d的限制，d的定義如下：

（1）Vc≤1 000 m3時(shí)，d = 0.80 m；

（2）1 000 m3≤Vc<5000 m3時(shí)，d = 0.75+Vc×0.20 /4000；

（3）5 000 m3≤Vc< 30 000 m3時(shí)，d = 0.8 + Vc/25 000；

（4）Vc≥30 000 m3時(shí)，d =2m。

Vc為20℃時(shí)獨(dú)立氣罐的總設(shè)計(jì)體積，包括附件。

對(duì)于布置在圍蔽處所的氣罐，增加的最小距離d的定義與上述定義相同，其余要求與CCS規(guī)范相同。圖1為DNV船級(jí)社規(guī)范對(duì)LNG氣罐布置位置要求的示意圖。

圖1 DNV船級(jí)社規(guī)范對(duì)LNG氣罐布置位置要求的示意圖

2 液罐型式及特點(diǎn)

LNG燃料的儲(chǔ)存可采用薄膜型氣罐和獨(dú)立氣罐。薄膜型氣罐為非自身支持的氣罐，它由鄰接的船體結(jié)構(gòu)通過(guò)絕熱層支持的一層薄膜組成。獨(dú)立氣罐為自身支持的氣罐，它不構(gòu)成船體結(jié)構(gòu)的一部分，對(duì)船體強(qiáng)度不是必需的。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)方式和符合標(biāo)準(zhǔn)，獨(dú)立氣罐共分為3類(lèi)：A型、B型和C型。

A型獨(dú)立氣罐系指應(yīng)用傳統(tǒng)船舶結(jié)構(gòu)分析程序的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的氣罐；B型獨(dú)立氣罐系指采用模型試驗(yàn)、精確分析手段和分析方法確定應(yīng)力水平、疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行設(shè)計(jì)的氣罐；C型獨(dú)立氣罐系指符合壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的氣罐。設(shè)計(jì)蒸汽壓力P0是氣罐頂部的最大表壓，除C型獨(dú)立氣罐外，設(shè)計(jì)壓力均不超過(guò)0.07 MPa。C型獨(dú)立氣罐的設(shè)計(jì)應(yīng)按照《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》附錄1中的要求進(jìn)行。

不同氣罐型式的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 各種氣罐的優(yōu)缺點(diǎn)

3 氣罐選型及布置實(shí)例

對(duì)于LNG燃料挖泥船而言，氣罐的選型和布置位置除了滿足規(guī)范要求，還需要結(jié)合挖泥船的船型特點(diǎn)，有效、合理地利用船上空間，根據(jù)船型、布置、尺度等綜合因素來(lái)確定。設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能節(jié)約空間或者更有效利用船上空間，擴(kuò)大氣罐容積，提高續(xù)航力。

現(xiàn)以某大型雙燃料耙吸挖泥船為例，探討此類(lèi)船型氣罐選型及布置研究。該船泥艙艙容約為12 000 m3，采用一拖二的驅(qū)動(dòng)形式，軸系、調(diào)距槳和發(fā)電機(jī)由雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而泥泵則由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)艙設(shè)置于船舶尾部，舵機(jī)艙前，泥艙段位于平行舯體位置，泥泵艙則布置在泥艙之前。

3.1 氣罐選型

從氣罐的型式上來(lái)看，薄膜型和A、B型罐可以適應(yīng)船體的形狀，以液艙的形式布置在船上，一般設(shè)置在平行舯體部分。這個(gè)特點(diǎn)使得它們可以更有效地利用船體內(nèi)部空間來(lái)儲(chǔ)存LNG燃料，但造價(jià)也相對(duì)更高。這類(lèi)氣罐在LNG運(yùn)輸方面更具優(yōu)勢(shì)，但若僅用作燃料儲(chǔ)存，則在布置上要求較高，不夠靈活。C 型罐具有設(shè)計(jì)獨(dú)立、布置靈活、便于安裝、無(wú)氣體泄漏、無(wú)需維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是需要大量空間［1］。從耙吸式挖泥船的布置特點(diǎn)來(lái)看，在泥艙甲板頂部存在較大空間可以用于LNG氣罐的布置，布置空間較為充足，C型罐的優(yōu)勢(shì)更為明顯。因此，選擇C型罐作為該船的LNG氣罐。

3.2 布置實(shí)例

總布置上，主要從泥艙形式和甲板形式兩個(gè)角度來(lái)考慮，因?yàn)檫@兩部分對(duì)甲板空間的影響最為顯著。

泥艙形式方面，其平面幾何形狀大體呈矩形，而橫斷面幾何形狀可以分為兩類(lèi)：具有單列泥門(mén)的V型泥艙和具有雙排泥門(mén)的W型泥艙。為給氣罐留出更大的空間，采用雙列泥門(mén)W型泥艙，將泥門(mén)油缸和吸排泥管布置于泥艙兩側(cè)，使中部甲板空間更為充裕。圖2為W型和V型泥艙橫斷面示意圖。

甲板形式方面，適用于本船的有W型單甲板和全通甲板（如圖3所示）。

圖2 W型（左）和V型泥艙橫斷面示意圖

圖3 不同甲板形式的泥艙

目前國(guó)內(nèi)泥艙艙容在萬(wàn)方左右的船型大多為單甲板、高泥艙圍板型式，原因有二：首先是作業(yè)環(huán)境條件大多為港內(nèi)以及沿海，海況條件較好，甲板上浪情況不嚴(yán)重，故干舷較??；其次是挖深較小，多為一拖三復(fù)合驅(qū)動(dòng)，耙管大多布置在泥艙后部，耙管易于布置。隨著一拖二驅(qū)動(dòng)型式廣泛應(yīng)用以及超大型耙吸挖泥應(yīng)運(yùn)而生，全通甲板形式的船型也就脫穎而出，其優(yōu)點(diǎn)是具有較高的強(qiáng)度和剛度。較大的干舷適用于不同的作業(yè)海況，較大的甲板寬度便于甲板布置。這個(gè)特點(diǎn)也同樣有利于甲板LNG氣罐的布置。因此，本船采用全通甲板形式。圖4為本船主甲板氣罐布置圖。

圖4 本船主甲板氣罐布置

4 結(jié) 論

本文對(duì)船用LNG氣罐布置的船級(jí)社規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行整理，并對(duì)各類(lèi)氣罐的特點(diǎn)進(jìn)行分析和歸納。在此基礎(chǔ)上，以某LNG雙燃料大型耙吸挖泥船為例，對(duì)LNG氣罐型式和船舶布置進(jìn)行研究，并提出采用C型氣罐、雙列泥門(mén)、全通甲板、氣罐布置于泥艙甲板中部的布置型式。希望該文能對(duì)同類(lèi)型船舶的研究有所幫助。

［1］ 周志賢，楊令康，吳海榮. LNG雙燃料動(dòng)力船舶設(shè)計(jì)探討［J］. 船海工程，2014 （2）：154-156.

［2］ 中國(guó)船級(jí)社. 天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范［S］. 2013.

［3］ DNV. Rules for Classification of Ships / High Speed， Light Craft and Naval Surface Craft， Part 6， Chapter 13， Gas Fuelled Ship Installations ［S］. 2014.

［4］ 顧俊，王凡超，劉奕謙.6500 m3液化氣運(yùn)輸船鞍座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］.船舶，2015 （4）：77-83.

On type of LNG tank and its arrangement on large trailing suction hopper dredger

ZHANG Ying-jie1LI Zhi-lei2YU Zai-hong1
(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China)

As large dredgers mainly work in the harbor and coastal regions, the application of LNG fuel, which is clean and economic, will greatly reduce the exhaust pollution. It is of great significance to improve the atmospheric environment along the coast. This paper summarizes the rules relevant to LNG vessels, presents the state-of-art of LNG vessels both at home and abroad, and compares the characteristics of the diff erent types of LNG tank. It fi nally proposes the suitable LNG tank type and the arrangement for the dual-fuel large trailing suction hopper dredger.

liquefi ed natural gas(LNG); dual fuel; dredger; LNG tank

U674.31

A

1001-9855（2017）02-0054-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.054

2016-07-06；

2016-08-15

張英捷（1986-），男，工程師。研究方向：船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)研究。李志壘（1976-），男，碩士，工程師。研究方向：工程船舶和海洋平臺(tái)電氣設(shè)備研發(fā)。于再紅（1976-），女，研究員。研究方向：船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)研究。