1 000 m3LNG燃料加注船總體布置設計

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(中海油能源發展采油服務公司,天津 300457)

目前，LNG燃料加注主要有槽罐車加注、岸基加注、船基加注等方式。專用LNG加注船以其方便靈活、投資節省、極少占用碼頭資源等眾多優勢成為一個有很強競爭力的LNG產業裝備選擇。目前，國內外尚無專用的水上LNG加注船，關于LNG加注船的研究處于起步階段。本項目擬研究開發一種江海直達LNG燃料加注船(1 000 m3)船型。

1 總體設計概述

江海直達LNG燃料加注船開發設計主要是在江海直達型船型基礎上，從長江船舶通航條件的限制出發開展設計思路，其次考慮LNG加注船舶技術可行性，同時兼顧船舶營運經濟性。

江海直達LNG燃料加注船屬于中小型LNG船，中小型LNG船的設計、建造、營運經驗已在挪威、日本等國家成熟運用，但國內開發中小型尤其是進江LNG運輸船還屬前沿船型，要求其不僅具有江海直達船型特點，還要符合液化氣體船相關法規規范。

2 主尺度設計依據

2.1 航區對主尺度的限制

小型LNG加注船作業范圍較廣，除了能服務于我國沿海渤海灣區域還能服務于長江中下游水域。

根據我國渤海海灣深度資料以及長江中下游航道資料，可以看出大多數航道水深均在5.5 m以上，所以在此區域作業航行的小型LNG加注船吃水可選擇在4～5 m，若還考慮在枯水季進江，則可相應減輕裝載量以適應更多航道。在我國大力推行疏浚工程的大環境下，長江枯水季及航道淺的問題在將來都會得到改善，在此水域航行的小型LNG加注船的吃水設計也可有較大選擇范圍，不局限于淺吃水船型。

考慮到小型LNG加注船的加注對象多為中小型LNG動力船舶，加注作業航區廣闊，則加注船需要具備良好的快速性和機動性，因此航速應為11～13 kn。

2.2 主尺度要素

船舶主要尺度選取原則一般如下[1]。

1)船長(L)。對常規船舶的重量、造價等經濟指標影響最大。對于LNG加注船，垂線間長主要包括機艙、艏艉尾段和液貨艙的長度，其中液貨艙的長度一般占船長的60%以上。并且液貨艙長度和布置需滿足IGC規則第3章規定的液罐和艙壁之間各種通道尺寸要求，因此液罐的長度和直徑是決定船長的關鍵。

2)船寬(B)。主要取決于液罐的直徑和液罐與船體之間的橫向間隙。液罐的尺寸是決定船長和船寬的主要因素。在總容積一定的前提下，罐體直徑越大，其長度越小。可以根據船舶尺度和罐體尺度互做調整以求得最佳船型尺度。

3)型深(D)。對于LNG加注船，型深的設計主要考慮干舷對加注作業的影響，即考慮與受注船系泊時的加注高度差，應確定受注船干舷的大致范圍，繼而選擇相應加注船最佳型深，以方便加注作業的方便安全。型深對船舶結構重量的影響很小，對貨罐尺寸的確定影響也不大。在計算中，我們可以假定固定值，其結果不受影響。

4)吃水(T)?？紤]到LNG加注船運輸單一貨品，船舶僅設設計吃水，不設結構吃水。設計吃水的選擇主要受到航行區域及碼頭水域的限制，僅從設計角度出發選擇較大的吃水有利于船舶的快速性；但是更大的吃水對應Cb會更小，不利于液貨罐的布置。因此設計吃水的選擇應適中。

2.3 船型尺度要素

1)方形系數(Cb)。由于LNG 船舶通常是項目船舶，定點、定線、定港和按計劃運輸(即點對點運輸)，快速性是船舶性能指標之一。小型LNG加注船的弗勞德數約在0.2以上，即屬于中速船范疇，按照經驗公式和回歸曲線，Cb取0.7左右較為合適。并且在此弗勞德數下，船舶總阻力中興波阻力所占份額較大，船舶線型宜設置球鼻艏以改善興波。

2)浮心位置(Lcb)。最佳方法是參照型船尺度，若無型船則需要先大致確定空船及裝載的重量重心位置，反復計算調節浮態，得到設計船的最佳浮心位置。對于小型LNG加注船，因快速性要求，船型較瘦，浮心位置可能較為靠后，需要調節布置和浮態的綜合需要，以求得最佳浮心位置。

3 總布置設計要點

總布置設計主要以滿足IGC規則對LNG罐與圍敝的間距[2-3]、穩性計算要求和檢驗通道危險區域的要求等為原則，在設計之初就設定限制，以確保后續總體設計的合理性。

3.1 加注區布置

3.1.1 貨艙形式

目前，在大型的LNG運輸船上使用的貨艙形式多為薄膜型(GTT No.96和GTT MarkIII)，還有少量的Moss型和SPB型。此類貨艙型式目前只應用在艙容在50 000 m3以上的大型的LNG運輸船上，小型運輸船還沒有使用記錄。目前已有的小型LNG運輸船上均使用C型貨艙。

3.1.2 LNG液化氣罐的艙容確定

1)受注船舶LNG儲罐。1 000 m3LNG加注船服務于江海直達航區，其主要服務對象為行駛于國內沿海及進江水域的港口、碼頭及錨地停泊的中小型LNG動力船舶——包括純LNG動力船舶和經過動力改裝后的混合燃料動力船舶。受注船的LNG儲罐容量約為50～300 m3。本加注船暫不考慮服務于大型或超大型LNG動力船舶。

2)續航力與自持力。綜合考慮江海直達LNG加注船的作業區域與服務范圍，在保障LNG燃料加注作業安全、可靠、靈活、高效的前提下，對船舶的續航力和自持力不做指令性要求。

經初步估算，本LNG加注船的配備一個1 000 m3容量的獨立C型LNG液貨罐，能夠滿足現階段及未來較長一段時期內我國國內沿海及進江水域中小型LNG動力船舶的燃料補給服務需求。本船還設置約500 m3MDO存貯艙，可提供對外的燃油補給。

另外，貨罐的尺度對船舶主尺度的選取起著決定性的作用，反之，船舶主尺度又影響著貨罐的尺寸，兩者相互制約，相互影響，貨罐尺度的選取要與船型尺度達到完美匹配。

3.1.3 液貨及加注系統布置

液貨系統主要包括：液罐及氣室，集管區，液貨管系和閥件，液貨泵，蒸發氣壓縮系統(BOG)，燃氣系統，燃氣泵，燃氣蒸發器，水/乙二醇(WG)系統， 安全裝置，氮氣發生裝置與空氣干燥器，電氣設備，透氣系統，專用液貨監控等安全裝置，控制空氣系統等[4]。

總布置設計時，需對上述設備進行布置，并充分考慮各設備系統的空間需求。

1)液罐的位置要與船體線型相適應，保證與圍敝的規范間距，氣室的布置要考慮其對周圍布置處所危險區域的影響。另外，液罐還需配備透氣閥，用于液罐內的氣體及罐內管道內的氣體的透氣。

2)對于使用軟管加注的小型加注船，集管區布置液相集管和氣相集管，集管口與軟管要布置在軟管吊臂幅范圍內，在集管附近布置槽柜存放軟管，并需保證軟管的起吊安裝方便安全。集管輸出接口需布置集液盤，并要進行絕緣處理。

3)液貨泵一般使用潛液泵布置在液罐內，其電動機布置在氣室內。LNG液貨泵是加注系統的關鍵性設備，輸送LNG類易燃介質的低溫泵，不僅要具備一般低溫液體泵的要求，而且對泵的密封性能和防爆性能要求很高。

4)蒸發氣壓縮系統(BOG)和燃氣蒸發器及水/乙二醇系統(WG)一般布置在液貨艙上方，需根據設備大小布置艙室。

5)布置專用液貨裝卸加注控制室，艙室大小要充分考慮各監測、安全控制設備的布置需要。

6)其它設備系統的布置除了滿足規范要求外，還要盡量緊湊合理。

3.1.4 作業方式考慮

1)加注臂式優點是操作簡單方便，缺點是對受注船的干舷高度有所限制；

2)加注軟管優點是對受注船干舷高度無限制，加注操作靈活，缺點是需要專業操作人員及加配軟管吊，見圖1。

圖1 加注方式

加注方式主要由受注對象決定，如果受注船類型固定，干舷高度差別不大，則可選擇加注臂方式；若考慮受注船類型多樣，干舷高度有較大差別，則選用加注軟管配合軟管吊較為合適。

3.2 艙室劃分

根據上述總體設計依據可以初步確定小型LNG加注船的主要尺度，然后根據主尺度進行艙室劃分。

小型LNG加注船沿船長方向一般劃分為5個水密區域，分別為艏尖艙，艏側推艙，LNG罐艙，機艙和艉尖艙，并設置艏樓和艉樓，船艉布置上層建筑和機艙。加注船的LNG加注口及加注軟管折臂吊或加注臂的布置區域根據受注船的加注口位置來確定。因為小型LNG加注船要考慮破艙穩性的要求，一般邊艙較大，LNG罐艙兩舷除了布置壓載水艙，根據需要還可布置燃料油艙，進而增加燃料油加注的功能，當然相關設備也需要另行配置。此后，還要進行線型、艙容、總布置及穩性的校核計算。

3.3 推進系統

LNG加注船由于其運載貨物和提供服務的特殊性質，在選擇推進系統時，應考慮貨物自然蒸發氣(BOG)的處理和利用[5]。

1 000 m3LNG加注船屬于小型LNG運輸船舶一類，可選擇的推進系統如下。

1)常規內燃機(HFO)。

2)雙燃料內燃機機械推進(DFM)。

3)雙燃料內燃機電力推進(DFDE)。

4)氣體機常規機械推進。

對于小型LNG船而言還存在一個為大家公認的占有絕對優勢的推進系統方案。因此，在型船設計中，應該根據實際使用需求進行選型認證。

從LNG燃料動力船發展的角度來看，選擇雙燃料或氣體燃料主機配合舵槳是未來的趨勢，并且可使用國產設備，大大降低造價，這也使得小型LNG加注船的靈活高效環保等優點更為突出。

3.4 其它設計要素的考慮

3.4.1 泊位水深及碼頭設施

各終端小型LNG船碼頭泊位水深均能滿足1 000 m3LNG加注船靠泊需要。

本船吃水較小，所以目前各終端小型LNG船碼頭泊位水深均應能滿足本船靠泊需要，還應考慮到岸站LNG罐壓力和船上貨艙壓力配合問題、船上液貨泵壓頭、裝卸貨速率、靠墩貼合度、登船梯、卸料軟管和吊機等均需要滿足小型LNG運輸船靠泊安全。

3.4.2 船舶安全航行

大風浪天氣影響船舶安全航行的因素，主要是艏部拍擊、上浪、突風橫搖，如何減小這些因素的影響是保障大風浪天氣船舶航行安全的關鍵。

激烈的艏部拍擊對船體的沖擊力極大，能夠導致船體的拱垂作用，對船體構件造成危害，因此設計合理的艏部線型、足夠的總縱強度是減少這種危害的有效手段。本船水線以下采用介于U形和V形的艏部線型，未設明顯的球鼻；這些舉措都將有利于減小縱搖、垂蕩和艏部的相對位移，有利于減輕艏部拍擊。

本船水線以上設置了外飄及折角，而且由于具有較大的船艏干舷，這都將大大減少甲板上浪及淹濕的可能性。

另外，需根據規范計算校核完整穩性和破艙穩性。

3.4.3 結構強度

1 000m3LNG加注船須頻繁地進行靠泊加注作業，故船體相關部分的結構應予適當加強。但在結構設計中應進行結構優化，除盡量減輕結構重量外，還可適當采用部分高強度鋼以減小空船重量，優化船舶主尺度。

本船從安全性方面考慮，船體采用雙殼結構，罐體距離舷側較遠，在遭受側面的碰撞時，罐體可以得到更好的保護，將罐體破損的可能性降到最低。中小型LNG船須頻繁地靠泊作業，舷側結構會經常遭受外力沖擊，船舶舷側結構的合理布置顯得尤為重要。如有必要，可進行船舶碰撞模擬試驗，以優化舷側結構布置和增加船舷板厚度考慮，確保船舶安全性。此外，在結構設計中應進行結構優化，除盡量減輕結構重量外，還可適當采用部分高強度鋼以減小空船重量，優化船舶主尺度。

3.4.4 貨物裝卸速率

盡量減少在港裝卸時間，貨泵系統配置應能保證12 h內裝卸完畢。

3.4.5 救生、消防及其它安全設備

船舶檢查報告系統(SIRE)，主要是船舶運營管理的要求，設計上已滿足其要求，其旨在對船員值班、檢查、設備的保養、維護和使用等方面的日常工作規范化。設計中應與船東的管理模式相結合，將在符合規范要求的基礎上盡量滿足船東運營管理上的需求。

3.4.6 天然氣為船用燃料的相關法規

使用天然氣作為船舶燃料，國際海事組織(IMO)在2005年就已經頒布了相應的法規，比如：國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則(IGC code)；2009年6月，海事安全委員會(MSC)制定了氣體燃料指南(IGF code)。

各主要船級社已經制定了針對以氣體作為燃料的船舶的專門規范，比如中國船級社在2008年根據國際公約制定了《氣體燃料動力船檢驗指南》，2013年9月中國船級社正式發布了《天然氣燃料動力船規范》，對相關船舶有明確規范標準。

4 結束語

LNG燃料加注船的研發設計為LNG加注終端提供了多樣化便捷性的途徑，并填補了我國此類船型的空白。在更多船型以LNG作為船舶燃料以及國家對節能減排項目的大力支持倡導的趨勢下，LNG燃料加注船的開發能夠引導和促進LNG船舶燃料消費市場的發展，順應船舶節能減排的全球化趨勢。

[1] 中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊總體分冊[M].北京：國防工業出版社，1998.

[2] 中國船級社.天然氣燃料動力船規范[S].北京，2013.

[3] 中國船級社.散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范[S].北京:人民交通出版社，2005.

[4] 顧安忠.液化天然氣技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[5] 林建輝，陸 晟. 小型LNG船推進方案綜述[J] .船舶與海洋工程，2012,(3)：52-55.