某2 100 DWT內(nèi)河多用途貨船LNG燃料動(dòng)力改造設(shè)計(jì)分析

摘" " 要：本文以2100DWT內(nèi)河多用途貨船動(dòng)力改造項(xiàng)目為案例，根據(jù)船東的改造需求及CCS船級(jí)社關(guān)于LNG動(dòng)力船舶設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，結(jié)合內(nèi)河貨船特性及相關(guān)布置，對(duì)LNG儲(chǔ)罐布置、危險(xiǎn)區(qū)域劃分及相關(guān)總布置調(diào)整、改造船舶完整穩(wěn)性校核等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，完成整船改造項(xiàng)目，得到船東及船級(jí)社的好評(píng)，可為后續(xù)柴油動(dòng)力貨船改造為L(zhǎng)NG燃料動(dòng)力船提供借鑒

關(guān)鍵詞：內(nèi)河多用途貨船；LNG燃料動(dòng)力；改造設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U664.1" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design and Analysis of LNG Fuel Power Retrofit for a 2 100 DWT Inland River Multipurpose Cargo Vessel

LIU Guang1，" CHEN Zihang1，" QING Li2

（1. Guangzhou Marine Engineering Corporation，" Guangzhou 510250， China;" 2. Guangzhou Shipbuilding Industry Co.， Ltd，" Guangzhou 510250， China ）

Abstract：" This paper takes the power conversion project of the 2 100 DWT inland river multi-purpose cargo ship as a case study. According to the conversion demand of the ship owner and the relevant requirements of CCS Classification Society on LNG-powered ship design， and in combination with the characteristics of the inland river cargo ship and the relevant arrangement， the key technologies such as the LNG storage tank arrangement， the classification of the hazardous area and the relevant adjustment of the general arrangement and the intact stability calibration of the retrofitted vessel are analysed and calculated， so as to complete the whole ship conversion project. The project has been well received by the ship owner and classification society， and can provide reference for the subsequent transformation of diesel-powered cargo ships into LNG-fuelled vessels.

Key words： inland river multipurpose cargo vessel;" LNG fuel power;" conversion design

1" " 引言

我國(guó)在2011年提出了實(shí)現(xiàn)內(nèi)河水運(yùn)綠色發(fā)展的具體要求，隨著天然氣（LNG）來(lái)源日益規(guī)?；⒍嘣?、專業(yè)化，選擇LNG燃料替代傳統(tǒng)船用燃油已成為現(xiàn)實(shí)。作為一種環(huán)保能源，LNG在環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)影響等方面具有顯著益處。它幾乎實(shí)現(xiàn)零硫氧化物排放，并有效減少85%以上的氮氧化物和15%以上的二氧化碳排放。本文對(duì)某2 100 DWT內(nèi)河多用途貨船LNG燃料動(dòng)力改造設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，可為后續(xù)柴油動(dòng)力貨船改造為L(zhǎng)NG燃料動(dòng)力船提供借鑒。

2" " "LNG燃料動(dòng)力船舶發(fā)展現(xiàn)狀

隨著全球海運(yùn)貿(mào)易快速發(fā)展，國(guó)際海事組織（IMO）對(duì)船舶排放監(jiān)督和限制日趨嚴(yán)格，LNG作為低排放的能源選擇，成為目前最安全且減排效果最佳的船舶燃料。然而，目前我國(guó)LNG動(dòng)力船的應(yīng)用仍然不多，主要原因如下：1）水上加注站的數(shù)量及配置不足；2）LNG燃料動(dòng)力船的安全要求嚴(yán)格，導(dǎo)致船舶建造費(fèi)用較高。但隨著國(guó)內(nèi)支持政策的完善，技術(shù)水平的進(jìn)步，我國(guó)LNG動(dòng)力船必將迎來(lái)一個(gè)高速發(fā)展的黃金時(shí)期。

3" " "項(xiàng)目概述

LNG燃料動(dòng)力船舶改造是將現(xiàn)有船舶的柴油燃料動(dòng)力系統(tǒng)更改為L(zhǎng)NG單燃料或者LNG-柴油雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)，以達(dá)到可持續(xù)綠色發(fā)展的要求。本船動(dòng)力系統(tǒng)改造主要為新增LNG儲(chǔ)罐，更換原船的主機(jī)及發(fā)電機(jī)，并根據(jù)改裝需求，對(duì)涉及到船級(jí)社和法規(guī)要求的船體進(jìn)行改裝。

2 100 DWT內(nèi)河多用途貨船主要航行于珠江三角洲及香港、澳門航線，用于裝載集裝箱和干散貨。船舶總長(zhǎng)61.98 m、型深4.5 m、型寬15.5 m，載貨量1872t（裝載集裝箱時(shí)）/2 180 t（裝載雜散貨時(shí)）。采用雙機(jī)雙槳雙舵，貨艙區(qū)為雙底雙殼，其余為單底單殼。

4" " LNG儲(chǔ)罐的加裝方案

4.1" "概述

LNG儲(chǔ)罐一般為圓柱體形狀，在其一端設(shè)置有燃料艙接頭裝置、冷箱。LNG儲(chǔ)罐的尺寸過(guò)大，會(huì)在船上占據(jù)過(guò)多空間進(jìn)行安裝布置，擠壓船員生活區(qū)域，原船的布置會(huì)因此做出較大改動(dòng)；同時(shí)容積過(guò)大代表改裝重量增大，對(duì)船舶穩(wěn)性安全造成影響；容積過(guò)小難以達(dá)到原船續(xù)航力的要求，影響船東實(shí)際使用。綜合考慮，本船選取容積為25 m3，滿載裝貨量為21.5t的C型LNG儲(chǔ)罐。滿足約70 h續(xù)航力要求。

4.2" "LNG儲(chǔ)罐的布置

LNG儲(chǔ)罐的布置需滿足《天然氣燃料動(dòng)力船舶法定檢驗(yàn)暫行規(guī)則》（2018）的要求。同時(shí)，為減少管路長(zhǎng)度、降低泄露風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡可能布置在機(jī)艙附近。LNG儲(chǔ)罐布置主要有三種方案。

1）上層甲板區(qū)域布置

將LNG儲(chǔ)罐布置在上層甲板尾部區(qū)域的優(yōu)點(diǎn)為：總體布置的修改較少；無(wú)需考慮LNG儲(chǔ)罐艙通風(fēng)系統(tǒng)布置；不需要為儲(chǔ)罐設(shè)置專門的儲(chǔ)存間及配套設(shè)備，減少船廠工作量，降低改造成本。缺點(diǎn)主要有：LNG儲(chǔ)罐安裝在上層甲板尾部，儲(chǔ)罐重心距基線過(guò)高，且靠近船尾，導(dǎo)致空船重心后移，對(duì)穩(wěn)性影響較大；危險(xiǎn)區(qū)域覆蓋面積較廣，對(duì)尾部上層建筑艙面屬具提出更高安全性要求。

2）主甲板艙室內(nèi)布置

將LNG儲(chǔ)罐布置在主甲板艙室內(nèi)的優(yōu)點(diǎn)為：危險(xiǎn)區(qū)域的影響一般；改造對(duì)船舶穩(wěn)性安全影響不大。缺點(diǎn)主要有：總體布置的修改量大；需要考慮LNG儲(chǔ)罐艙通風(fēng)系統(tǒng)的布置；整體改造工程量較大，改造成本增加。

3）主船體內(nèi)布置

將LNG儲(chǔ)罐布置在主船體內(nèi)的優(yōu)點(diǎn)為[1]：危險(xiǎn)區(qū)域的影響較小；改造對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域、船舶穩(wěn)性安全的影響較小。缺點(diǎn)主要為：改造涉及主船體艙室修改，改造工程量過(guò)大，改造成本增加嚴(yán)重。

經(jīng)綜合分析，本次改造將LNG儲(chǔ)罐布置在船員甲板尾部，并在儲(chǔ)罐下方設(shè)置隔離空艙，如圖1所示。

5" " 危險(xiǎn)區(qū)域劃分

5.1" "概述

危險(xiǎn)區(qū)域系指易爆氣體環(huán)境出現(xiàn)或預(yù)期可能出現(xiàn)的數(shù)量達(dá)到足以對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、安裝和使用采取特殊預(yù)防措施的區(qū)域[2]。LNG 燃料動(dòng)力船的危險(xiǎn)區(qū)域劃分，是為了確保船舶在 LNG 燃爆風(fēng)險(xiǎn)方面的安全性。為了便于選擇合適的電氣設(shè)備和設(shè)計(jì)合適的電氣裝置，這些區(qū)域被分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。

為盡可能減少危險(xiǎn)區(qū)域?qū)υ贾玫挠绊?，?yīng)合理布置冷箱通風(fēng)進(jìn)口、LNG透氣總管、主機(jī)及發(fā)電機(jī)雙壁管環(huán)圍通風(fēng)進(jìn)出口等導(dǎo)致船舶危險(xiǎn)區(qū)域存在的設(shè)施，并在布置時(shí)保證機(jī)艙空氣進(jìn)口、氣體安全處所的空氣進(jìn)口及出口與危險(xiǎn)區(qū)域的距離滿足《天然氣燃料動(dòng)力船舶法定檢驗(yàn)暫行規(guī)則》（2018）要求。

5.2" "船員甲板危險(xiǎn)區(qū)域及艙室改造

船員甲板長(zhǎng)7.1 m，寬14.4 m，原船布置有2個(gè)單人間，2個(gè)四人間，2個(gè)雙人間、1個(gè)二氧化碳間（見(jiàn)圖2a）。本船原船雖布置有16個(gè)鋪位，但實(shí)際船員僅10人，經(jīng)船東同意，將鋪位縮減到10人。布置LNG儲(chǔ)罐后其危險(xiǎn)區(qū)域劃分見(jiàn)圖2 b）。船員甲板所剩布置住艙空間長(zhǎng)×寬為3.3 m×14.4 m，因右舷危險(xiǎn)區(qū)域較大，將原船二氧化碳間布置在右舷并靠近船中開(kāi)門，左舷并排布置兩個(gè)單人間及兩個(gè)雙人間。為滿足法規(guī)要求（船員甲板的氣體安全處所空氣進(jìn)口其距離任一危險(xiǎn)區(qū)域的邊界至少1.5 m），本次改造在船員住艙及LNG儲(chǔ)罐間增加一道結(jié)構(gòu)鋼壁以分隔危險(xiǎn)區(qū)域，既保證船員住艙之間通道的連通，又考慮到艙室的自然通風(fēng)。

5.3" "主甲板危險(xiǎn)區(qū)域及艙室改造

主甲板危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在儲(chǔ)罐甲板右舷LNG儲(chǔ)罐的積液盤下方（見(jiàn)圖3），該位置原船布置有3個(gè)衛(wèi)生間、1個(gè)船員住艙、餐廳及右舷機(jī)艙棚，皆與危險(xiǎn)區(qū)域沖突。在與船東溝通后，將衛(wèi)生間減少至1個(gè)，衛(wèi)生間及船員住艙的門改為向內(nèi)部開(kāi)門，餐廳艙室門向左舷移至安全位置。機(jī)艙棚因與貨艙蓋緊鄰，可供改造的空間有限，經(jīng)溝通討論，采用方案如下：將右舷機(jī)艙出口向內(nèi)移動(dòng)550 mm，壓縮下機(jī)艙樓梯位置，并在機(jī)艙門前方布置隔離墻分隔危險(xiǎn)區(qū)域。

6" " "船舶安全

6.1" "消防安全

1）LNG儲(chǔ)罐為C型獨(dú)立燃料艙，用隔離空艙將儲(chǔ)罐與主甲板分開(kāi)，LNG儲(chǔ)罐下方廚房、餐廳及4人間（較大失火危險(xiǎn)處所）靠近隔離空艙的一側(cè)采用A-60級(jí)防火分隔；面向LNG儲(chǔ)罐的起居處所及二氧化碳間的限界面同樣采用A-60級(jí)防火分隔，由于LNG儲(chǔ)罐與隔離空艙的整體高度超過(guò)船員甲板艙室層高，起居處所及二氧化碳間的天花同樣需要達(dá)到A-60級(jí)防火分隔。

2）消防用品：根據(jù)《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2019）[3]及《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》（2021），在加注站附近增設(shè)4具50 kg推車式干粉滅火器、1個(gè)5kg手提式干粉滅火器；另在LNG罐左右舷各設(shè)1個(gè)5kg手提式干粉滅火器；在主甲板餐廳及船員甲板各增加3個(gè)5 kg手提式干粉滅火器。

6.2" 完整穩(wěn)性

完整穩(wěn)性是指船舶在未發(fā)生破損的情況下對(duì)抗傾覆的能力。

1）典型工況確定

根據(jù)內(nèi)河貨船的要求，該船主要分為運(yùn)載散雜貨船工況、運(yùn)載集裝箱工況和壓載工況。

（1）運(yùn)載散雜貨工況下，因散貨容重大小會(huì)影響貨物重心位置，需分別校核運(yùn)載散貨容重0.75及2.2時(shí)的船舶完整穩(wěn)性。因本船配有貨倉(cāng)艙蓋，故無(wú)需計(jì)算因貨物吸水導(dǎo)致重量增加的工況。

（2）運(yùn)載集裝箱工況下，本船首先需計(jì)算裝載120 TEU貨箱和裝載150 TEU空箱兩種情況下的完整穩(wěn)性，由于本船改裝后最大裝載貨箱平均箱重為 14.65 t，貨箱重量小于該型號(hào)集裝箱的額定重量30.48 t的75%，因此按照《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2019）8.3.7.11增加補(bǔ)充工況（貨箱重量的計(jì)算起點(diǎn)為該型號(hào)集裝箱額定重量的15%；箱重量的計(jì)算間距應(yīng)不超過(guò)額定重量的15%）。

最后需考慮空船（或加壓載）出港及到港工況。

本文由于受篇幅所限，僅列舉以下典型工況：

（1）運(yùn)載散雜貨工況：散貨容重 0.75 滿載出港、散貨容重2.2滿載出港，工況編號(hào)為1和3；

（2）運(yùn)載集裝箱工況：裝載 120 TEU 貨箱（平均箱重 14.65 t）出港、裝載 150 TEU 空箱出港，工況編號(hào)為11和13。

2）典型工況校核

完整穩(wěn)性按照《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2019）第5篇第8章對(duì)航行于內(nèi)河 A 級(jí)航區(qū)集裝箱船、干貨船的完整穩(wěn)性要求核算，見(jiàn)表1。

因改裝后空船重量增加、重心后移導(dǎo)致船舶浮態(tài)變危險(xiǎn)，通過(guò)控制貨物裝載量的方法，本船完整穩(wěn)性最終滿足法規(guī)要求。

7" " "結(jié)語(yǔ)

內(nèi)河船舶數(shù)量大，是大氣污染的主要來(lái)源之一，隨著船舶排放管控要求的日益嚴(yán)格，以及LNG配套設(shè)施的不斷完善，LNG動(dòng)力船舶必會(huì)迎來(lái)大規(guī)模的推廣。本文介紹了2 100 DWT內(nèi)河多用途貨船在LNG燃料動(dòng)力改造中的難點(diǎn)及相關(guān)解決方案，可為后續(xù)柴油動(dòng)力貨船改造為L(zhǎng)NG燃料動(dòng)力船提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]裘繼承，梁耀明，李珍.LNG燃料動(dòng)力船改造技術(shù)分析[J].廣東造船，"2019， 38（5）：71-73.

[2]天然氣燃料動(dòng)力船舶法定檢驗(yàn)暫行規(guī)則[S].北京：中國(guó)船級(jí)社，2018.

[3]內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則[S].北京：中國(guó)海事局，2019.