新型冰區(qū)雙燃料平臺(tái)供應(yīng)船的設(shè)計(jì)研發(fā)

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(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司， 遼寧 大連 116600)

新型冰區(qū)雙燃料平臺(tái)供應(yīng)船的設(shè)計(jì)研發(fā)

朱光偉，曹凱，李連亮，龐子華

(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司，遼寧大連116600)

簡(jiǎn)要介紹平臺(tái)供應(yīng)船的功能特點(diǎn)，并結(jié)合市場(chǎng)需求和分析，研發(fā)一款新型平臺(tái)供應(yīng)船，該船采用LNG雙燃料清潔能源技術(shù)，滿足波羅的海ICE-1A冰區(qū)加強(qiáng)要求，其特點(diǎn)是：具有較大甲板面積和溢油回收功能，生活區(qū)配備水下機(jī)器人機(jī)庫(kù)，具備救助功能和DP 2動(dòng)力定位能力，滿足SPS Code法規(guī)，是一型具備雙燃料功能和冰區(qū)作業(yè)能力的多功能平臺(tái)供應(yīng)船。

平臺(tái)供應(yīng)船；冰區(qū)；雙燃料；動(dòng)力定位

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和人類對(duì)海洋石油資源認(rèn)知水平的不斷提高，海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)已經(jīng)從淺海擴(kuò)大到深水、超深水海域甚至緯度很高的冰區(qū)海域。深水和冰區(qū)海域的油氣開(kāi)發(fā)正在成為石油工業(yè)主要增長(zhǎng)點(diǎn)和科技創(chuàng)新前沿。海洋平臺(tái)供應(yīng)船作為海洋石油勘探開(kāi)發(fā)的必備裝備，肩負(fù)海上“石油城”和后勤基地的運(yùn)輸重任，對(duì)海上“石油城”的發(fā)展和安全，具有舉足輕重的作用。海上油氣鉆采設(shè)施作為獨(dú)立的水上工程，在遠(yuǎn)離大陸的海上作業(yè)時(shí)，需要外界定期的支持，主要包括：對(duì)海上油氣平臺(tái)進(jìn)行守護(hù)、拖曳、消防、營(yíng)救、運(yùn)輸物資設(shè)備(艙內(nèi)可以裝載運(yùn)輸散裝水泥、鹽水、泥漿、燃油、淡水、化學(xué)品等物資，甲板可以裝載鉆井管、鉆井工具、腳手架、化學(xué)品、食物和維護(hù)設(shè)備等)，對(duì)油船進(jìn)行拖帶、頂推，進(jìn)行海面溢油回收和消除油污。

隨著海洋石油勘探開(kāi)發(fā)活動(dòng)在冰區(qū)海域中日益活躍，國(guó)際海事組織、船級(jí)社以及各國(guó)政府不斷提高海上安全、環(huán)保要求，大量過(guò)去建造的平臺(tái)供應(yīng)船(Platform Supply Vessed, PSV)無(wú)法繼續(xù)滿足現(xiàn)代海上作業(yè)的需要而逐步退出海上石油開(kāi)發(fā)服務(wù)市場(chǎng)，給新型PSV研發(fā)建造帶來(lái)廣闊的市場(chǎng)前景。本文介紹的冰區(qū)雙燃料PSV是中遠(yuǎn)船務(wù)結(jié)合市場(chǎng)需求研發(fā)的，采用LNG雙燃料清潔能源技術(shù)，可滿足波羅的海ICE 1A冰區(qū)[1]加強(qiáng)要求，具有較大甲板面積、載貨量大且載貨種類齊全，有溢油回收功能，生活區(qū)后部配備水下機(jī)器人機(jī)庫(kù)，具備救助功能和DP 2動(dòng)力定位系統(tǒng)，滿足SPS Code[2]法規(guī)，是一型具備雙燃料功能和冰區(qū)作業(yè)能力的多功能PSV。

1 船型主要參數(shù)與對(duì)比分析

目前， PSV市場(chǎng)面臨運(yùn)力過(guò)剩的問(wèn)題，隨著石油公司對(duì)船型及運(yùn)力的要求不斷升級(jí)，中大型PSV的需求將逐漸攀升。冰區(qū)雙燃料PSV研發(fā)初期，通過(guò)分析比較中遠(yuǎn)船務(wù)在建的主流PSV船型，初步確定船型主參數(shù)，見(jiàn)表1?？梢钥闯觯罕鶇^(qū)雙燃料PSV的主要參數(shù)達(dá)到主流中型PSV的水平。

表1 幾種PSV船型主參數(shù)對(duì)比表

2 總體布置

圖1 冰區(qū)雙燃料PSV模型

冰區(qū)雙燃料PSV采用PSV的普遍設(shè)計(jì)，如圖1所示：設(shè)有長(zhǎng)艏樓、平甲板、無(wú)機(jī)艙棚，緊湊的駕駛室和船員艙室設(shè)在艏部，煙囪和機(jī)艙通風(fēng)口緊靠艏樓后端直接從艏樓穿過(guò)。 長(zhǎng)艏樓下從艉至艏設(shè)置機(jī)艙、艏部推進(jìn)器艙和艏部壓載艙。機(jī)艙左右舷對(duì)稱布置4臺(tái)1 480 kW的雙燃料主機(jī)。艏樓后寬敞的載貨甲板區(qū)域?yàn)楹Ｉ霞装遑浳锏难b卸和救助遇難人員提供了空間，在船右舷靠近中部配備75 t重型吊車，可裝卸大型貨物。載貨甲板下布置有各種液貨艙和LNG燃料罐艙，從船艉至船艏分別為艉部壓載艙區(qū)、艉推進(jìn)器艙區(qū)、減搖水艙和特殊貨物艙區(qū)、散料罐艙區(qū)、泥漿/鹽水艙/燃油艙和LNG燃料罐艙區(qū)。艏部設(shè)有1臺(tái)導(dǎo)管艏側(cè)推和1臺(tái)可伸縮推進(jìn)器，艉部設(shè)有2臺(tái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和用于實(shí)現(xiàn)推進(jìn)功能的DP 2動(dòng)力定位系統(tǒng)。

該船艏部上層建筑共5層, 可為60人提供居住艙室，其中20人為船員、40人為特種工作人員。艙室盡可能地布置在舷側(cè)，保證每個(gè)房間都有窗戶，可以自然采光。為保證駕駛室前后有良好的視野，在符合船級(jí)社對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求和室內(nèi)布置的情況下，前后端的窗戶尺寸都盡可能大并前后傾斜。對(duì)于平臺(tái)供應(yīng)船，美國(guó)船級(jí)社規(guī)范要求駕駛室后面也應(yīng)提供2個(gè)視野清晰的窗戶。考慮到營(yíng)救的便利性，營(yíng)救區(qū)域設(shè)置在上層建筑主甲板所在層?？紤]防寒要求，救生艇布置在兩端舷側(cè)半遮蔽的區(qū)域，艏部系泊布置在艏樓前的封閉區(qū)域，在上層建筑后部還配備水下機(jī)器人機(jī)庫(kù)。

3 主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

冰區(qū)雙燃料PSV最大的設(shè)計(jì)特點(diǎn)為適合冰區(qū)航行，采用LNG雙燃料清潔能源技術(shù)，功能較全、操作化程度高，是一種典型的高技術(shù)高附加值船舶。

3.1 線型設(shè)計(jì)

船舶線型設(shè)計(jì)是關(guān)系到船舶總體性能的關(guān)鍵項(xiàng)目。冰區(qū)雙燃料PSV的線型在充分考慮總布置、冰區(qū)航行要求的前提下，應(yīng)用最新的全參數(shù)化建模技術(shù)，基于計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)的方法進(jìn)行多輪的優(yōu)化循環(huán)，有效地降低船舶航行時(shí)受到的興波阻力，并通過(guò)對(duì)尾部型線的優(yōu)化，改善船身效率，提升船舶的快速性能。同時(shí)在多輪的型線優(yōu)化過(guò)程中，總結(jié)形成具有中遠(yuǎn)船務(wù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型多段式球鼻艏設(shè)計(jì)。

3.2 冰區(qū)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該型船舶符合波羅的海ICE 1A冰級(jí)[1]的要求，此符號(hào)要求船舶有能力在高冰情海況下行駛，其遭遇冰載荷冰層厚度不超過(guò)0.8 m，載荷作用高度設(shè)計(jì)值為0.3 m。對(duì)于冰區(qū)航行船舶的設(shè)計(jì)，首先要確定其舷側(cè)結(jié)構(gòu)的冰帶區(qū)域。沿船長(zhǎng)方向根據(jù)不同區(qū)域遭受冰載荷強(qiáng)度的差異性確定劃分范圍，通常劃分為艏部區(qū)域、中部區(qū)域和艉部區(qū)域。垂向范圍則為船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)可能遭遇冰載荷的區(qū)域一般利用高位冰區(qū)水線(Upper Ice Water Line, UIWL)與低位冰區(qū)水線(Lower Ice Water Line, LIWL)界定[3]，二者分別為船舶在冰區(qū)航行時(shí)預(yù)定水線最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的包絡(luò)線。美國(guó)船級(jí)社規(guī)范中分別針對(duì)板和骨材給出了相應(yīng)區(qū)域延伸范圍的要求，可初步確定冰帶區(qū)域范圍，考慮結(jié)合本船的特點(diǎn)(型深不高，主甲板距基線7 900 mm,內(nèi)底板高度在1 000～1 450 mm范圍內(nèi))，最終骨材結(jié)構(gòu)冰帶區(qū)域向上延伸至主甲板，向下延伸至內(nèi)底板。冰帶區(qū)域劃分如圖2所示。

圖2 冰帶區(qū)域劃分示意圖

冰帶區(qū)域劃分后，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[4]計(jì)算方法，確定冰載荷，分別對(duì)船艏、中、艉冰帶區(qū)域的設(shè)計(jì)冰壓力值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)船型總體和結(jié)構(gòu)布置選取合適的結(jié)構(gòu)形式，按照區(qū)域?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)范校核。

3.3 LNG雙燃料設(shè)計(jì)

LNG 作為清潔環(huán)保船用燃料，NOx的排放減少85%～90%，SOx和顆粒物質(zhì)的排放與燃料油相比可減少幾乎100%，CO2凈排放量降低15%～20%。雖然LNG動(dòng)力船型初始投資比傳統(tǒng)燃料船型高出10%～20%，但隨著排放控制區(qū)對(duì)SOx排放的強(qiáng)制限制、新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Energy Efficiency Design Index， EEDI)的生效以及技術(shù)的改進(jìn)和完善，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)船型將逐步成為市場(chǎng)熱點(diǎn)。

3.3.1 LNG儲(chǔ)罐形式的選擇及適用性

C型獨(dú)立氣罐[5]的主流形式如圖3和圖4所示，圖3為雙層真空絕熱儲(chǔ)罐，圖4為單層外包絕緣儲(chǔ)罐[6]。雙層真空罐在以下3個(gè)方面具有優(yōu)勢(shì)：(1)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，雙層真空罐的外殼為奧氏體不銹鋼，耐火能力比絕緣材料強(qiáng)，雙層不銹鋼的防撞性能也優(yōu)于單層罐。(2)單殼外包絕緣罐的接口全部在上部，需在主甲板上開(kāi)孔，為罐上的穹頂留出空間，會(huì)影響載貨甲板空間，而雙層真空絕熱罐的接口布置在下面，相關(guān)的閥門封閉在冷箱中，載貨甲板空間不受影響。(3)雙層真空罐燃料系統(tǒng)采用儲(chǔ)罐蓄壓的形式供給燃料，而單層罐燃料系統(tǒng)則需要增加LNG泵設(shè)備來(lái)供給燃料，從可靠性和成本方面看，雙層真空罐更有優(yōu)勢(shì)。因此，中遠(yuǎn)船務(wù)研發(fā)的冰區(qū)雙燃料PSV選用雙層真空絕熱儲(chǔ)罐。

圖3 雙層真空絕熱儲(chǔ)罐 圖4 單層外包絕緣儲(chǔ)罐

3.3.2 LNG儲(chǔ)罐的布置要求

罐艙的布置要考慮船舶碰撞或其他意外損壞和防火防爆等安全要求。儲(chǔ)罐位置應(yīng)在船舶遭到碰撞或者其他意外等外部傷害時(shí)，盡可能避免隨之受到損壞。因此，氣罐位置應(yīng)盡可能靠近中線，同時(shí)還要保證氣罐及其附件距離舷側(cè)不少于B/5(B為船寬)或11.5 m,距離船底不少于B/15或2 m，都分別取較小值，并且在任何位置，距離船體外板不少于0.8 m[7]。氣罐以及罐艙處所不應(yīng)與機(jī)器處所和其他具有較大失火危險(xiǎn)的處所相鄰。對(duì)于雙真空絕熱C型氣罐，若氣罐外殼距艙壁比小于900 mm,則氣罐處所可以作為隔離艙，單氣罐布置在機(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。

3.3.3 LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)

LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)主要由以下系統(tǒng)構(gòu)成：LNG壓力儲(chǔ)罐，LNG加注站，燃?xì)馄徒鉄嵯到y(tǒng)，水乙二醇加熱系統(tǒng)，安全系統(tǒng)，管系和閥件，儀器儀表和控制系統(tǒng)。

3.4 防冰凍措施

船舶防冰凍措施流程如圖5所示。

圖5 防冰凍措施流程圖

本船的目標(biāo)作業(yè)區(qū)域?yàn)閹?kù)頁(yè)島區(qū)域。庫(kù)頁(yè)島位于黑龍江出?？诘臇|部，氣候寒冷，夏季短暫，冬季長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，冬天的平均氣溫為-15℃～-20℃，北方地區(qū)氣溫最低可達(dá)-35℃。因此，最低溫度定義為-35℃，設(shè)計(jì)溫度為-15℃。船級(jí)符號(hào)為CCO(-15，-35)，船舶屬于在冰區(qū)和低溫環(huán)境下偶爾航行在非極地水域、季節(jié)性低溫的環(huán)境下操作。針對(duì)船舶操作過(guò)程中各種可能的風(fēng)險(xiǎn)源，根據(jù)各個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的防冰凍措施。主要措施如下：采用耐低溫材料和設(shè)備；對(duì)設(shè)備進(jìn)行罩蓋保護(hù)；遮蔽處所保護(hù)；電伴熱裝置；除冰工具；人員保暖防護(hù)。

3.5 貨物系統(tǒng)

貨物系統(tǒng)是PSV的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)向平臺(tái)供應(yīng)消耗品及原材料。在設(shè)計(jì)初期，根據(jù)船舶服務(wù)功能的不同，貨物系統(tǒng)的配備會(huì)稍有差別。本研發(fā)項(xiàng)目參考中遠(yuǎn)船務(wù)在建或已交付的PSV項(xiàng)目，配備了燃油、淡水、泥漿、鹽水、基油、鉆井水、散料以及甲醇等貨物系統(tǒng)。

甲醇系統(tǒng)主要用來(lái)裝載、儲(chǔ)存和輸送甲醇溶液至海洋平臺(tái)，它是用來(lái)調(diào)配泥漿的一種溶劑，具有高度吸水性，易與水相溶，能夠抑制鉆井隔水套管中氣水化合物的形成。本項(xiàng)目在船艉布置2個(gè)獨(dú)立的甲醇艙，每個(gè)艙容約為80 m3，結(jié)構(gòu)材質(zhì)選用不銹鋼材料，甲醇艙周圍用空艙隔開(kāi)，裝載甲醇時(shí)，在隔離空艙內(nèi)注入淡水或者氮?dú)鈱⒓状寂撆c安全區(qū)域隔離。甲醇艙內(nèi)安裝2臺(tái)浸沒(méi)式液壓離心泵，容量為75 m3/h，壓力為9 bar (1 bar=0.1 MPa)。2個(gè)甲醇艙通過(guò)1根主管與閥門聯(lián)通，以實(shí)現(xiàn)2個(gè)泵互為備用的目的。在正常情況下，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。同時(shí)為增加泵的掃艙能力，減少甲醇溶液艙殘留，在泵的吸口處設(shè)置1個(gè)凹坑，用于收集艙內(nèi)殘留。在甲醇裝載或卸貨過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量蒸汽，為減少船東后期維護(hù)成本，只在主甲板艉部設(shè)置2個(gè)裝載站，為簡(jiǎn)化駁運(yùn)管路的布置路徑，將2個(gè)裝載站均布置在船舶的右舷。甲醇艙的透氣系統(tǒng)用于防止甲醇艙內(nèi)的蒸汽壓力過(guò)壓或欠壓，每個(gè)甲醇艙都應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的透氣系統(tǒng)，這樣能夠避免蒸汽聚集，防止其進(jìn)入安全處所和可能發(fā)生火災(zāi)、爆炸的處所。

3.6 溢油回收系統(tǒng)

海上溢油事故是開(kāi)發(fā)海洋過(guò)程中最典型、最嚴(yán)重的環(huán)境污染事故之一。為增強(qiáng)PSV功能，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，本項(xiàng)目配備了溢油回收系統(tǒng)，其中溢油回收設(shè)備分為水上收油裝置和船上油水分離裝置2部分。當(dāng)發(fā)生溢油事故時(shí)，可將溢油回收設(shè)備安裝在甲板上，到達(dá)事故水域后，啟動(dòng)水上收油裝置將水面溢油收到船上，然后經(jīng)過(guò)船上油水分離器對(duì)其進(jìn)行初步分離，最后排入溢油回收艙，待回收作業(yè)結(jié)束后，再將污油輸送到岸上進(jìn)行處理。

本文選取泥漿艙兼做溢油回收艙，用于儲(chǔ)存回收的溢油，總艙容約為750 m3，在泥漿輸送管路上設(shè)置管路接頭，方便回收的溢油注入和排出。因?yàn)橐缬突厥赵O(shè)備是預(yù)裝的，在作業(yè)結(jié)束后可拆除至岸上存放。這樣既不影響甲板裝載面積，又減少設(shè)備布置空間，最大限度地增加了溢油回收艙的容積。

3.7 生活區(qū)救助方案

生活區(qū)除了提供船員住宿設(shè)施之外還具備營(yíng)救100人的功能。根據(jù)船級(jí)社規(guī)范營(yíng)救人員一共分為3個(gè)等級(jí)：GR A_(320), GR B_(250)和GR C_(15)。第1類可營(yíng)救超過(guò)300人，第2類可營(yíng)救20人到300人不等，第3類可營(yíng)救少于20人。本項(xiàng)目可營(yíng)救100人，屬于GR B級(jí)別?？紤]到營(yíng)救的便利性,營(yíng)救區(qū)域設(shè)置在主甲板。從船舶實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性考慮，整個(gè)營(yíng)救區(qū)域由清洗區(qū)域、接待區(qū)域、治療區(qū)域、恢復(fù)休息區(qū)域和廁所等5個(gè)部分組成。營(yíng)救區(qū)域布置如圖6所示。

圖6 營(yíng)救區(qū)域布置圖

3.8 動(dòng)力定位系統(tǒng)

冰區(qū)雙燃料PSV動(dòng)力定位系統(tǒng)能夠滿足ABS規(guī)范要求的DP 2標(biāo)準(zhǔn)，要求有雙套互備的動(dòng)力定位系統(tǒng)。動(dòng)力定位就是船舶或海上平臺(tái)不借助于錨泊系統(tǒng)的作用，而利用自身準(zhǔn)備的各類傳感器測(cè)出船舶的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置變化以及外界風(fēng)力、波浪、海流等繞動(dòng)力的大小和方向，并充分考慮冰區(qū)的影響。在完成復(fù)雜的實(shí)時(shí)計(jì)算后，控制船舶主、副推力裝置產(chǎn)生適當(dāng)?shù)耐屏εc力矩，以抵消繞動(dòng)力，從而使船舶盡可能保持目標(biāo)船位與艏向[8]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文首次實(shí)現(xiàn)雙燃料清潔能源技術(shù)和冰區(qū)加強(qiáng)功能在PSV上的應(yīng)用。在該船型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，將PSV的常規(guī)功能和冰區(qū)雙燃料特色功能結(jié)合，攻克冰區(qū)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，LNG燃料罐及供應(yīng)鉆井平臺(tái)原料艙在主甲板下的布置，生活區(qū)救助方案設(shè)計(jì)等技術(shù)難點(diǎn)。隨著石油價(jià)格的逐步回升，海洋資源開(kāi)發(fā)朝著冰冷水域進(jìn)軍和國(guó)際海事組織、船級(jí)社以及各國(guó)政府不斷提高的環(huán)保排放要求，能夠在冰區(qū)航行采用節(jié)能環(huán)保技術(shù)的多功能平臺(tái)供應(yīng)船將會(huì)越來(lái)越受船東青睞，中遠(yuǎn)船務(wù)研發(fā)的新型冰區(qū)雙燃料PSV市場(chǎng)前景廣闊，將為海洋工程裝備服務(wù)市場(chǎng)提供一個(gè)新的選擇。

[1] ABS. Offshore Support Vessel, Optional Items and Systems：OSV-PART 6 [S]. 2015.

[2] IMO. SPS Code-Code of Safety for Special Purpose Ships[S].2008.

[3] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè): 結(jié)構(gòu)分冊(cè)[M] 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社，2000．

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[5] 中國(guó)船級(jí)社. 散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2006.

[6] 呂志慶.小型LNG運(yùn)輸加氣船雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)研究 [J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師，2016,49(01)：73-76.

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DesignResearchandDevelopmentofNewIceClassDualFuelPSV

ZHU Guangwei, CAO Kai, LI Lianliang, PANG Zihua

(COSCO Shipyard Group Co.， Ltd., Dalian 116600， Liaoning， China)

The functions and characteristics of the Platform Supply Vessel(PSV) are introduced briefly. Combined with market demand and analysis, a new type of PSV is developed. It use LNG dual fuel clean energy technology, satisfied the Baltic Sea ICE-1A requirements. It's characteristics are: larger deck area and oil spill recovery function, living area equipped with underwater robot hangar, having rescue function and DP 2 dynamic positioning ability, and meeting SPS Code regulation. It is a multifunctional PSV with dual fuel function and ice operation capability.

Platform Supply Vessel (PSV); ice class; dual fuel; dynamic positioning

1001-4500(2017)06-0026-06

2016-06-23

朱光偉(1976-)，男，工程師

U674.38

A