LNG 罐艙綜合放樣

麥康策 孟浩 房玉石

（廣船國際技術中、生產管理中心、總裝部）

0 前言

LNG 是Liquefied Natural Gas 的縮寫，是天然氣的液態(tài)型式。天然氣的主要成分是甲烷（CH4），還有少量的乙烷（C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷（C4H10)、戊烷（C5H12）和微量的氮氣（N2）。液化天燃氣無色、無味、無毒、無腐蝕性，從天然氣組成成分的化學式可以看出，充分燃燒的天然氣只會產生二氧化碳（CO2)和水（H2O)，因此，天然氣被公認為世界上最干凈的化石能源。

G3020 船（下文簡稱“本船”）為LNG 和MDO雙燃料豪華客滾船，采用為雙機、雙槳、雙舵，入級DNV，掛瑞典旗，本船在3 甲車庫下方設置了一個LNG 儲存罐艙用以布置LNG 儲存罐及相關設備。

1 LNG 特性

液化天然氣LNG 的主要成分是甲烷，甲烷的常壓沸點是-161.4℃，臨界溫度為-84℃，臨界壓力為4.1Mpa 。 在 常 壓 下 ， LNG 的 密 度 約 為430-470kg/m3(因組分不同而略有差異），燃點約為650℃，熱值為 52MMBtu（12MMBtu=2.52×10^8cal），在空氣中的爆炸極限（體積）為5%-15%。LNG 是天然氣在經凈化機超低溫狀態(tài)下（-162℃、常壓）冷卻液化后的產物，液化后的天然氣其體積大大減少，約為氣態(tài)體積的1/625，LNG 的質量也僅為同體積水的45%左右。

2 LNG 儲存系統(tǒng)

LNG儲存系統(tǒng)包含LNG儲存罐和蒸發(fā)器、閥件、測量儀表，見圖1。

圖1 LNG 儲存系統(tǒng)簡圖

圖2 雙層真空絕熱罐

圖3 外包絕熱層的壓力儲罐

圖4 “B”形獨立液貨艙

圖5 LNG 儲存罐

圖6 液貨船開敞甲板上的LNG 儲存罐

圖7 客船開敞甲板上的LNG 儲存罐

2.1 LNG 儲存容器

客滾船上一般有三種獨立儲存容器方式，分別是C 型獨立壓力儲罐，見圖2 和圖3，B 型獨立儲艙及A 型獨立儲艙，見圖4。

根據(jù)DNV-GL 船級社PT.5 CH.5 SEC.1 和國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規(guī)則（下文簡稱IGC code）的描述，A 型獨立艙和B 型獨立艙都是主要由平面構成，設計蒸汽壓力Po（罐頂最大表壓，罐體設計壓力）都小于0.7bar.C 型獨立壓力儲罐的設計蒸汽壓力Po 根據(jù)罐體材質，夾層填充方式和儲罐規(guī)格大小等來計算，該壓力一般小于10bar。從能效利用和使用要求來分析，C 型獨立壓力儲存罐更適合本船。該LNG 儲存罐由內部壓力容器和外部殼體組成，內部壓力容器和外部殼體之間填充珍珠巖并抽真空，外殼裝備真空安全裝置，以防止夾層真空泄漏，壓力積聚。內容器和外殼體均使用不銹鋼制作，制作后需根據(jù)IGC code, 第4 章E 部分4.23.6 的要求對裝載液化氣體壓力容器試驗。本船所使用的LNG 儲存罐，見圖5。

2.2 主氣體蒸發(fā)器

主氣體蒸發(fā)器是為主機提供LNG 氣體燃料的重要環(huán)節(jié)，儲罐中的LNG 經過加熱器進行蒸發(fā)和被加熱升到適合主機的溫度。每當主機使用燃氣時，主氣體蒸發(fā)器都會自動運行。系統(tǒng)主氣體蒸發(fā)器有兩個進口，主體蒸發(fā)器通常從儲存罐底部接收LNG，當儲存罐內部升壓過高時，系統(tǒng)將允許氣態(tài)燃料從儲存罐頂部通過主體蒸發(fā)器供應氣體燃料給主機。主氣體蒸發(fā)器還包含了透氣連接件，壓力安全閥，溫度監(jiān)測傳感器和壓力監(jiān)測傳感器。

2.3 增壓蒸發(fā)器

增壓蒸發(fā)器主要用于保持LNG 儲存罐內部的壓力，當儲存罐壓力下降得太低，增壓蒸發(fā)器將會運行，維持儲存罐壓力在正常水平（6.2-6.7bar）。增壓蒸發(fā)器還包含壓力安全閥及溫度監(jiān)測傳感器。

圖8 本船LNG 儲存罐艙

圖9 本船LNG 儲存罐的布置

圖10 LNG 儲存罐頂周圍維修通道平臺

3 LNG 罐艙設計布置研究

3.1 規(guī)范對LNG 儲存罐布置的要求

LNG 儲存罐可布置在船上的開敞甲板和圍閉處所。

LNG 儲存罐布置在開敞甲板時，見圖6 和圖7，按照DNV-GL 船級社Pt.6 CH.13 Sec.3 H400 的要求，儲罐中心距離船舷不少于B/5, 對于客船，少于B/5也許可以接受；應保證該位置有足夠的自然通風，以防止泄漏氣體積聚；還應保證當船舶發(fā)生碰撞時，不致于對儲罐造成損壞；對于沒有儲存罐連接處所（Tank Connection Space，下文簡稱TCS）的LNG 儲存罐，與儲罐相連的管路接口處存在液體泄漏的地方安裝不銹鋼承滴盤，若有TCS，該處所需要有每小時8 個換氣次數(shù)的通風系統(tǒng)。

根據(jù)IGC code 第11 章11.3 節(jié)的要求，安裝在露天甲板上的LNG 儲存罐上方可增加噴淋頭進行冷卻、防火，見圖7。

LNG 儲存罐布置在圍閉處所時，見圖8，按照DNV-GL 船級社 Pt.6 CH.13 Sec.3 H500 的要求，LNG儲存罐的最大工作的壓力不應超過10bar，若超過，需滿足其他條件，詳見Pt.6 CH.13 Sec.3，H501 的要求；儲罐距離船舷不少于B/5 或11.5m(取小值，B值為外板型線到夏季水線中心線)，貨船若不能滿足此距離要求，可送審船檢確認；儲罐距離船底板不少于 B/15 或 2m(取小值)。

3.2 本船LNG 儲存罐布置的研究

LNG 儲存罐所在的處所本船命名為LNG 罐艙，該艙室位于船舶中部靠前，1 甲板上，3 甲板下，艙室縱長23176mm，艙室艉部寬度為14684mm，艏寬度為12519mm，LNG 儲存罐的布置距離見圖9。經過多番內部研討和多次跟DNV-GL 溝通，我司終于把2 套LNG 儲存罐合理地布置在有限空間的LNG罐艙，并滿足了IGC code 第3 章3.5 節(jié)的要求和船級社的要求：

（1）和罐體離船體結構（如T 型梁）最小距離為380mm；

（2）曲面罐體表面離船體壁，外板等最小距離為450mm；

（3）平直罐體表面離船體壁，外板等最小距離為600mm；在布置過程中，由于在船舯上存在三根船體支柱（450X450X15mm），罐體離船體支柱最小距離只有43mm，我司無法確定該距離是否需要滿足上述要求，經與DNV-GL 船級社溝通后,船級社接受該布置。

圖11 LNG 罐艙艙室通風原布置

按照規(guī)格書要求，LNG 罐艙在適當高度需要有一層平臺通道圍繞LNG 儲存罐，見圖10。以便進入TCS 內部，該平臺還能通往位于2 甲板相鄰LNG 罐艙的空艙。此外，該平臺還可以對一些配備的控制箱、管路、閥件、可燃氣體探頭、消防設備和通風設備等進行操作或維修保養(yǎng)。按照掛旗國STA 規(guī)范要求，日常通道及主通道上方凈空需滿足2.1m（見圖9 A-A 視圖），在有限空間的罐艙內布置大量的LNG 雙壁管，NG 透氣管和其他管路、艙室通風管等，除了需要考慮LNG 管的收縮應力，還需避免布置在維修平臺上方2.1m 的范圍，經過多番研討，我司將相關管路不斷合理優(yōu)化，終于滿足了使用要求，這也大大提高我司在這一新系統(tǒng)管系的綜合布置能力。該平臺上有一把斜梯連接到3 甲板，左右各有直梯通道通往1 甲板；該平臺亦通往罐艙左舷艉部艙壁設置的一個維修艙口蓋（尺寸為700X800），該艙口蓋通往干糧庫，用于TCS 內的加熱交換器（尺寸為～750X500X1750）整體取出經干糧庫吊運到3甲板車庫后維修。

4 LNG 罐艙通風設計

按照規(guī)格書的要求，LNG 罐艙的通風次數(shù)為12次/hr（IGC code 要求 8 次/hr），LNG 罐艙的艙容為1720m3（該值已扣除LNG 儲存罐體積），根據(jù)計算公式：

Q=N*Vc

式中Q—— 通風量m3/hr；

N—— 通風次數(shù) 次/hr；

Vc—— 汽車車庫容積 m3；

計算得出LNG 罐艙需要的通風量為Q=20640m3/hr=2 X 2.86 m3/s

根據(jù)上述的計算結果，LNG 罐艙的艙室通風初始布置請見圖11，風管將通過兩旁舷側穿過相鄰的空艙及3、5 甲車庫到達7 甲板下進行通風。該通風主要為艉部機械抽風，艏部自然進風。但根據(jù)船級社規(guī)范舷側B/5 破損范圍內不建議布置管路和風管，故該方案在和船檢再三溝通討論后只能放棄。

圖12 LNG 罐艙艙室通風布置

既然無法從兩邊舷側布置風管，只能另辟蹊徑，經過多次的討論和思考，我們決定利用LNG 透氣桅，將透氣桅一分為二，一部分作為進風通道，一部分作為抽風通道；為了更充分地利用艙室通風和透氣桅的作用，也為了節(jié)省管材，減輕重量，降低重心，我們決定將0 級危險氣體排放管集中放在抽風通道，并把0 級危險氣體排放管改為單壁管（按照規(guī)范要求，0 級危險氣體排放管應為雙壁管，且雙壁管間的夾層也需通風，風速不應小于3m/s 或者換氣次數(shù)不應小于30 次/小時），改為單壁管后，風道內風速不應小于3m/s 或者換氣次數(shù)不應小于30 次/小時，把1 級危險氣體排放管集中放在進風通道，具體布置請見圖12。

如圖12，抽風風道的橫截面積（已扣除單壁管管路面積）為1.8 ㎡，整個抽風風道體積約95m3，為若要滿足風道內風速不應小于3m/s 或者換氣次數(shù)不應小于30 次/小時的要求，通風量應為：

Q=1.8X3=5.4m3/s

或 Q=30X95=2850 m3/hr=0.79 m3/s

根據(jù)以上計算，風機總風量應為2X2.86 m3/s，方可同時滿足LNG 罐艙通風和0 級危險氣體排出管通風的要求。由于風機的安裝空間限制，并經過和船東協(xié)商確認，最后選擇了兩套2.8 m3/s 風量的風機。

圖13 航行中自然風增效

圖13 中的LNG 罐艙入風口正對船艏，排風口背離船艏。一般情況下，船舶航行時是船艏正對航向方向的正前方，入風口正對船艏，可以借助船舶航行時的自然風使LNG 罐艙進風順暢，使得換氣效率更高。

實船檢查，在LNG 氣模態(tài)試航航行期間，該艙室通風良好，空氣質量讓人舒適。

5 結語

通過對LNG 氣罐型式，性能要求，船上布置要求（含通風透氣）的研究，我司首次在建造船舶上安裝并試驗使用了LNG 燃料系統(tǒng)，經過試驗確認。

本船LNG 罐艙的空間布局滿足了人因工程評估及可操作性、可通行性；LNG 罐艙的通風系統(tǒng)滿足可行性，安全性；實現(xiàn)了不同系統(tǒng)間的合并利用，同向而行；達到了節(jié)能增效，減少重量，降低重心的效果。

總而言之，這次新的嘗試，填充了我司乃至全國在滾裝船上安裝應用LNG 燃料系統(tǒng)的眾多重大技術空白，為我司日后建造類似船舶積累了不可或缺的技術經驗，更成為了我司對外競爭新船訂單的嶄新名片。