90 m LNG加注躉船的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

田 杰

（上海航盛船舶設(shè)計(jì)有限公司，上海 200023）

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，內(nèi)河船舶污染物排放日益嚴(yán)重，每年的排放總量約為1×106t左右，所排放的污染物主要包括碳化物、硫化物和氮化物。這不僅污染空氣，并還引起油污泄漏、污染水面等諸多問(wèn)題[1-3]。隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放逐漸成為焦點(diǎn)。一種替代傳統(tǒng)燃料的新能源在呼聲中應(yīng)運(yùn)而生—LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然氣）燃料，它是目前世界上公認(rèn)的較理想替代柴油的燃料。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)政策和規(guī)范的出臺(tái)。為了加快推進(jìn)治理長(zhǎng)江的污染，達(dá)到“綠色長(zhǎng)江、環(huán)保長(zhǎng)江”的目的，將現(xiàn)有以柴油為燃料的船舶改為以LNG為燃料的規(guī)劃（簡(jiǎn)稱“油改氣”）正在加快推進(jìn)。我國(guó)長(zhǎng)江一帶的地形具有地貌復(fù)雜、潮汐變化大等特點(diǎn)。因此，如何給“油改氣”的船舶進(jìn)行加注是內(nèi)河加注LNG的一大難題，為了解決這一難題，上海航盛船舶設(shè)計(jì)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“公司”）根據(jù)船東的要求，在進(jìn)行大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析了目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有試點(diǎn)設(shè)計(jì)及常規(guī)設(shè)計(jì)加注躉船存在的一些問(wèn)題及不足之處，從而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出一艘全國(guó)首制完全按照現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)、同時(shí)滿足加注燃料油和加注LNG的新型LNG加注躉船。

1 船舶概況

1.1 主尺度要素

LNG加注躉船（以下簡(jiǎn)稱“本船”）為鋼質(zhì)、局部雙層底和雙舷側(cè)、單甲板船，滿足內(nèi)河A級(jí)航區(qū)要求。本船的主尺度要素如表1所示。

船舶?？吭陂L(zhǎng)江流域岸邊，主要用于給其它內(nèi)河中小型船舶加注LNG燃料和燃油。

本船由錨鏈固定在岸邊水域，船上設(shè)有值班人員、辦公及生活設(shè)施。

表1 主尺度要素表

1.2 主要功能

LNG加注躉船的主要功能如下：

1）LNG燃料。

2）向往來(lái)船舶供給燃油。

3）預(yù)留LNG加注躉船對(duì)岸上槽車加注改造的接口。

4）預(yù)留LNG運(yùn)輸船（或LNG加注船）借助LNG加注躉船對(duì)岸罐加注改造的接口。

1.3 動(dòng)力配置

本船主要電源裝置包括：1臺(tái)氣體發(fā)電機(jī)（即1號(hào)輔助發(fā)電機(jī)）、1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)（即2號(hào)輔助發(fā)電機(jī)）、若干不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）、1組蓄電池以及1臺(tái)主照明變壓器等。

本船以岸電作為主電源，岸電應(yīng)可以滿足加注躉船在對(duì)外加注、補(bǔ)給、制氮等工況下，所有用電設(shè)備的用電要求。

1號(hào)輔發(fā)電機(jī)在儲(chǔ)罐壓力高時(shí)，可以處理蒸發(fā)氣，將蒸發(fā)氣作為燃料利用，且當(dāng)1號(hào)輔發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)分閘后，岸電開(kāi)關(guān)可自動(dòng)合閘，以保證可連續(xù)供電。

本船以蓄電池為應(yīng)急電源，當(dāng)岸電失電后，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為蓄電池供電。另外，2號(hào)輔發(fā)電機(jī)可以在岸電和氣體發(fā)電機(jī)同時(shí)故障的情況下，滿足重要風(fēng)機(jī)、照明、報(bào)警、儀表、電磁閥及無(wú)線電等設(shè)備的用電需求，以提高船舶電源的可靠性。

岸上LNG罐車卸車站也由船上電源供電，以便集中管理與控制。

2 主要特點(diǎn)

本船主要特點(diǎn)如下：

1）本船是國(guó)內(nèi)首艘根據(jù)中國(guó)船級(jí)社2014年3月1日正式發(fā)布生效后的規(guī)范《液化天然氣燃料水上加注躉船入級(jí)與建造規(guī)范（2014）》進(jìn)行設(shè)計(jì)建造的LNG加注躉船。

2）同時(shí)也是國(guó)內(nèi)首艘采納中國(guó)船級(jí)社“全容罐”理念設(shè)計(jì)建造的LNG加注躉船。本船采用雙層不銹鋼LNG罐體、LNG下出液帶冷箱的形式。其儲(chǔ)罐為本質(zhì)安全型式，摒棄了以往建造LNG加注躉船時(shí)采用的攔蓄區(qū)形式，大大提高了安全性和可靠性。

3）本船是國(guó)內(nèi)首艘能夠同時(shí)滿足加油與加注LNG功能，且油艙容積超過(guò)2 000 m3的加注躉船。相比以往建造的缺少船舶加油能力或僅百來(lái)方油艙容積用于加油的同尺寸LNG加注躉船，其加注功能大大增強(qiáng)。

4）考慮將來(lái)小型進(jìn)江LNG運(yùn)輸船靠泊并對(duì)躉船儲(chǔ)罐充裝，而專門設(shè)計(jì)的LNG加注躉船。該設(shè)計(jì)方案對(duì)LNG運(yùn)輸船與加注躉船的系泊形式、LNG接口布置區(qū)域及對(duì)接形式也都進(jìn)行了專門系統(tǒng)的研究并預(yù)留了完整的改造接口。

5）考慮將來(lái)小型LNG運(yùn)輸船對(duì)躉船儲(chǔ)罐加注后，設(shè)計(jì)出的躉船能給岸上槽車進(jìn)行逆向輸送補(bǔ)給，從而實(shí)現(xiàn)LNG通過(guò)海運(yùn)進(jìn)江，并向內(nèi)陸輸送LNG上岸的一體化運(yùn)輸體系。

6）在設(shè)計(jì)過(guò)程中，摒棄了陸用儲(chǔ)罐的尺寸，且根據(jù)船型合理地設(shè)計(jì)出了尺寸滿足本船諸多功能的LNG真空儲(chǔ)罐，并對(duì)艙室布置進(jìn)行了多方面優(yōu)化，節(jié)省了船舶的利用空間。

7）加注躉船上配置了專門的純氣體發(fā)電機(jī)，可利用儲(chǔ)罐的蒸發(fā)氣作為燃料，相比柴油燃料要清潔環(huán)保，又避免了天然氣排至大氣中造成溫室效應(yīng)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

8）躉船上僅設(shè)置1臺(tái)LNG加注臂，將液相和氣相輸送管道布置在一臺(tái)臂上，大大提高了操作靈活性、安全性及可靠性，經(jīng)濟(jì)性也十分顯著。

3 主要設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 儲(chǔ)罐

儲(chǔ)罐的選擇直接影響到船型的設(shè)計(jì)，根據(jù)CCS規(guī)范的要求，儲(chǔ)罐可以采用如下形式[4]：

1）上出液（最高液面以下無(wú)出液口）＋內(nèi)殼不銹鋼＋外殼普通碳鋼，可不設(shè)圍堰。

2）下出液（最高液面以下有出液口）＋內(nèi)、外殼不銹鋼+冷箱，可不設(shè)圍堰。

3）下出液（最高液面以下有出液口）＋內(nèi)殼不銹鋼＋外殼普通碳鋼，需設(shè)圍堰。

本船選用真空絕熱C型獨(dú)立儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐采用下出液＋內(nèi)、外殼不銹鋼＋冷箱的形式，此設(shè)計(jì)有別于其它在建或已建好的試點(diǎn)LNG加注躉船。此種形式的儲(chǔ)罐將大大提高其安全性和可靠性，而設(shè)置冷箱則可以避免LNG泄漏對(duì)船體造成的損害。

與儲(chǔ)罐廠家進(jìn)行多次溝通后，公司對(duì)儲(chǔ)罐的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，最終確定將試點(diǎn)的注躉船上通常采用的儲(chǔ)罐尺寸F3.7 m×25 m改為4.3 m×18 m。同時(shí)，儲(chǔ)罐容積是按照規(guī)范中最大容積2×250 m3來(lái)設(shè)計(jì)的，此儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）便于總體布置，增加油艙容積。

2）大大提高儲(chǔ)罐的安全性和可靠性。

3）實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐形式的多樣化，降低了儲(chǔ)罐成本，有利于LNG在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。

3.2 LNG加注臂

LNG加注臂是船上用于裝卸LNG的特殊設(shè)備。在LNG燃料船停泊在碼頭對(duì)LNG進(jìn)行裝卸時(shí)，由于風(fēng)浪、水流、漲潮（或落潮）等因素的影響，LNG燃料船和碼頭之間會(huì)有相對(duì)的落差和位移。LNG加注臂就是為了適應(yīng)這種工作條件的特殊連接裝置，它能自動(dòng)根據(jù)LNG燃料船的漂移作出相應(yīng)的位移補(bǔ)償，并允許LNG燃料船和碼頭之間存在在一定幅度范圍內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。本船加注臂的選擇不僅考慮需適用于各種不同的船型，同時(shí)也要關(guān)注到它使用的方便性和可靠性，并需具有良好的經(jīng)濟(jì)性。以往試點(diǎn)的LNG加注躉船，基本都是采用2臺(tái)LNG加注臂：一臺(tái)是液相輸送加注臂；另一臺(tái)是氣相輸送加注臂。其成本比較昂貴，操作也不夠靈活?？紤]到加注臂的難點(diǎn)主要在臂上，只要能滿足一定的環(huán)境條件和使用要求，完全可以將液相和氣相輸送管道布置在同一臺(tái)臂上，這樣加注臂作業(yè)時(shí)操作將更加靈活、可靠性，其安全性也將得到提高，同時(shí)還能夠節(jié)省船舶的成本。故提出僅設(shè)置1臺(tái)LNG加注臂的方案，且該方案也得到生產(chǎn)廠家的認(rèn)可。

在進(jìn)行LNG加注臂的選用時(shí)，應(yīng)盡可能地考慮到對(duì)不同船型的適用程度，而目前主要考慮的對(duì)象為擬進(jìn)行雙燃料改造的1 000 t～6 000 t的船型或1 000 t級(jí)的雙燃料貨船。綜合目前的船舶類型，儲(chǔ)罐一般布置在船的尾部，故將儲(chǔ)罐布置在尾樓，其LNG加注臂的參數(shù)選用如下（見(jiàn)圖1）。

1）以躉船甲板面為基準(zhǔn)面，加注臂高度的活動(dòng)范圍為-0.5 m～9.0 m。

2）船舶橫向活動(dòng)范圍約2 m，外漂移范圍1 m。

3）船舶縱向活動(dòng)范圍約-1 m～1 m。

3.3 控制系統(tǒng)

本船LNG監(jiān)控系統(tǒng)的組成分為視頻監(jiān)控系統(tǒng)、收費(fèi)管理系統(tǒng)、氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)、LNG控制系統(tǒng)和全船監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。其中，由于本船具有對(duì)外加油和加注LNG這2種功能，所以收費(fèi)管理系統(tǒng)分為發(fā)油控制系統(tǒng)和加注LNG控制系統(tǒng)。同時(shí)，由于船岸連接的棧橋坡度和強(qiáng)度有所限制，LNG罐車不上船，則將LNG控制系統(tǒng)相應(yīng)分為船、岸2個(gè)部分：岸上即為L(zhǎng)NG罐車卸車站監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)控LNG罐車卸車站的設(shè)備和LNG罐車；而LNG加注躉船上的LNG控制系統(tǒng)又分為液貨監(jiān)控系統(tǒng)、安保系統(tǒng)，用于監(jiān)控躉船上的所有LNG設(shè)備。由于船、岸之間距離比較遠(yuǎn)，為避免信號(hào)的衰減和干擾，船、岸LNG控制系統(tǒng)之間需通過(guò)光纖進(jìn)行通訊連接。

3.4 定位錨泊系統(tǒng)

本船選用6錨進(jìn)行錨泊定位，首尾各配3只定位錨，選用直徑為46 mm的錨鏈6根，錨重為4 050 kg的斯貝克錨。

定位錨泊系統(tǒng)由錨鏈、錨、絞盤、鑄鋼閘刀掣鏈器等組成，錨鏈連接錨與躉船。

當(dāng)躉船遇到水位落差較大時(shí)，采用絞盤來(lái)調(diào)整水中錨鏈的松緊程度。

圖1 LNG加注臂作業(yè)范圍示意圖（單位：mm）

3.5 消防系統(tǒng)

本船根據(jù)規(guī)范及船東要求，消防系統(tǒng)[5]配備如下：

1）水滅火系統(tǒng)。機(jī)艙內(nèi)消防泵從船舶兩舷的江水門吸水，供水給全船消防用水、甲板沖洗用水等。機(jī)艙內(nèi)設(shè)有2個(gè)消防栓，并配備消防水龍帶箱。主甲板和居住甲板均設(shè)有一定數(shù)量的消防栓和消防水龍帶箱。

2）水霧系統(tǒng)。機(jī)艙內(nèi)的2臺(tái)水霧泵，從江水門吸水供水至儲(chǔ)罐布置區(qū)域，并在儲(chǔ)罐上方設(shè)置了水霧噴頭，用于冷卻、防火以及船員防護(hù)。

3）細(xì)水霧系統(tǒng)。設(shè)置在機(jī)艙內(nèi)的高壓水霧泵從淡水艙吸水，通過(guò)布置在儲(chǔ)罐頂部的高壓細(xì)水霧管路及細(xì)水霧噴頭，噴灑在儲(chǔ)罐頂部，用于冷卻、防火及除靜電。

4）水幕系統(tǒng)。在LNG加注區(qū)設(shè)置了水幕系統(tǒng)，水幕的高度至少為3 m，且不影響系纜和加注作業(yè)。

5）干粉滅火系統(tǒng)。在主甲板FR72及FR135區(qū)域各設(shè)置1套干粉炮，并在儲(chǔ)罐中間區(qū)域設(shè)置2套干粉槍，用于撲滅氣罐區(qū)、LNG加注作業(yè)區(qū)域的火災(zāi)。

6）固定式CO2滅火系統(tǒng)。在機(jī)艙設(shè)置了一套固定式CO2滅火系統(tǒng)，并在主甲板單獨(dú)設(shè)置了CO2室。

7）泡沫滅火系統(tǒng)。在二層甲板上前端處設(shè)置2支泡沫槍，并在油艙區(qū)域設(shè)置4支泡沫槍，泡沫槍能將泡沫噴射到貨油艙甲板區(qū)域的任何地方。在主甲板上設(shè)泡沫間，且存放一只約1 m3的泡沫原液罐，用于撲滅油艙區(qū)域、油艙加油作業(yè)區(qū)域的火災(zāi)。

3.6 電氣安全系統(tǒng)

LNG加注躉船設(shè)計(jì)的各個(gè)方面都要考慮安全問(wèn)題，圖2為保證LNG加注躉安全運(yùn)營(yíng)所采取的一系列安全措施。每一個(gè)保護(hù)層都包括一組設(shè)備或人工的操作，保護(hù)層[6]是按照當(dāng)裝置發(fā)生故障時(shí)所采取的操作順序設(shè)計(jì)的（見(jiàn)圖2）。

在最內(nèi)層，工藝設(shè)計(jì)對(duì)自身提供了第一層保護(hù)，工藝過(guò)程本質(zhì)安全設(shè)計(jì)是本船工藝設(shè)計(jì)所秉承的一個(gè)理念。

隨后兩層是由基本過(guò)程控制系統(tǒng)（Basic Process Control System，BPCS），以及報(bào)警和運(yùn)行監(jiān)控或干預(yù)組成的。產(chǎn)生一個(gè)報(bào)警意味著有一個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)超出了其特定的測(cè)量范圍，且需要進(jìn)行檢查。

圖2 電氣安全系統(tǒng)保護(hù)示意圖

第四層是ESD（Emergency Shutdown Device，安全保護(hù)系統(tǒng)），是一種自動(dòng)安全保護(hù)系統(tǒng)。它是保證正常生產(chǎn)和人身、設(shè)備安全的必不可少的措施，在自身和BPCS層不能處理所出現(xiàn)的緊急情況時(shí)，ESD能夠自動(dòng)采取正確的操作。

LNG儲(chǔ)罐的外層設(shè)計(jì)以不銹鋼作為物理保護(hù)，以防內(nèi)層泄漏對(duì)船體造成損害。當(dāng)出現(xiàn)極其嚴(yán)重的事故時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)最后一種手段，即社會(huì)緊急情況響應(yīng)，利用安全屏障和儲(chǔ)存泄漏液體的外層不銹鋼對(duì)緊急情況進(jìn)行處理，并通知社會(huì)公眾。

多層保護(hù)系統(tǒng)的功能可以總結(jié)如下：本船大多數(shù)故障可以被限制在第一或者第二保護(hù)層內(nèi)；中間層是防止嚴(yán)重事故的；最外一層是當(dāng)發(fā)生極其嚴(yán)重的事故時(shí)，用以減輕責(zé)任的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本船是國(guó)內(nèi)首制完全按照中國(guó)船級(jí)社2014年3月1日正式發(fā)布生效后的《液化天然氣燃料水上加注躉船入級(jí)與建造規(guī)范（2014）》進(jìn)行設(shè)計(jì)建造的LNG加注躉船。在其設(shè)計(jì)過(guò)程中，力求理論與實(shí)際相結(jié)合，盡可能地將當(dāng)今新的設(shè)計(jì)理念及創(chuàng)新技術(shù)融合于一體，使本船具有較好的安全性、可靠性、適用性和先進(jìn)性，滿足了規(guī)范和市場(chǎng)的實(shí)際需求。本船于2016年初建成后順利交付，運(yùn)營(yíng)2年多，各項(xiàng)性能指標(biāo)完好，且達(dá)到預(yù)期效果，得到了船東的認(rèn)可與贊美。