LNG氣罐型式及在某大型耙吸挖泥船上的布置研究

張英捷李志壘于再紅

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

船舶動力裝置

LNG氣罐型式及在某大型耙吸挖泥船上的布置研究

張英捷1李志壘2于再紅1

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

液化天然氣（LNG）燃料具有清潔、經(jīng)濟的優(yōu)點，大型挖泥船工作于港口、沿海區(qū)域，使用LNG燃料將大大降低其排放污染，對改善沿岸大氣環(huán)境有重要意義。文中整理了LNG燃料船舶的相關(guān)規(guī)范，闡述國內(nèi)外LNG燃料船舶發(fā)展現(xiàn)狀，比較不同型式LNG氣罐的特點，并基于某LNG雙燃料大型耙吸挖泥船提出適用的氣罐型式和布置。

液化天然氣；雙燃料；挖泥船；LNG氣罐

引 言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球氣候不斷惡化，大氣污染問題越來越突出，成為危害人類健康及制約文明發(fā)展的一個重要因素。目前傳統(tǒng)石化燃料的大規(guī)模使用是造成大氣污染及氣候惡化的主要原因之一，船舶大氣污染特別是在港口、海峽和一些航線密集、船舶流量大的海區(qū)，已成為該地區(qū)的主要污染源。與此同時，隨著全球?qū)ξ廴疚锱欧乓蟮娜找鎳栏瘢貏e是船舶航行在排放控制區(qū)（Emission Controlled Area，ECA）、加勒比海和加利福尼亞區(qū)域，強制要求船舶有更低的NOx和SOx排放［1］。另外，有關(guān)NOx的IMO TierⅢ排放標準已在北美排放控制區(qū)實施，其他排放控制區(qū)也會陸續(xù)跟進，這無疑使如何降低船舶發(fā)動機的污染物排放成為一大研究課題。采用傳統(tǒng)的燃油，僅靠柴油機自身無法滿足IMO TierⅢ排放標準，需在外部系統(tǒng)增加反應裝置還原排氣中的氮氧化物，因此尋找和推廣更環(huán)保的替代能源迫在眉睫。

LNG能源不僅清潔，而且儲量充沛，甚至比石油的儲量還要豐富，是解決大氣污染的理想能源。相關(guān)研究表明，在相同的功率輸出下，設(shè)計先進的天然氣發(fā)動機，其二氧化碳排放比柴油機約減少20%，氮氧化物排放約減少80%，硫氧化物和顆粒排放幾乎減少100%［1］。雙燃料柴油機在使用LNG燃料時，可以輕而易舉地滿足IMO TierⅢ的排放標準。

挖泥船作為在港口、沿海航道甚至城市周邊河道疏浚作業(yè)的船舶，其排放對城市大氣環(huán)境影響巨大。因此，開發(fā)使用LNG能源的綠色挖泥船，將成為建設(shè)綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展城市的趨勢。

當前，阻礙LNG實船應用的因素中，很重要的一項是其續(xù)航能力弱，原因是LNG儲存罐系統(tǒng)復雜、要求繁多、布局困難。因此，對于以LNG為燃料的船舶設(shè)計而言，其布置方面的研究是重中之重。目前，投入運行的LNG動力船舶為數(shù)不少，但尚未有投入運行的LNG燃料大型耙吸挖泥船。如何為其選擇合適的LNG氣罐類型，設(shè)置合理的布置位置需要我們進行進一步研究。

1 相關(guān)規(guī)范規(guī)則

1.1 CCS船級社規(guī)范規(guī)則

在CCS船級社《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》［2］中，對LNG氣罐及其附件的布置要求如表1所示。

表1 CCS《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》對LNG氣罐的布置要求

另外，針對氣罐處所，規(guī)范中還作出了如下規(guī)定：

（1）氣罐處所系指由船舶結(jié)構(gòu)所圍蔽、其內(nèi)部設(shè)有燃料維護系統(tǒng)的處所。燃料圍護系統(tǒng)系指用于儲存燃料的裝置（含接頭），包括主屏壁和次屏壁（如設(shè)有）以及附屬的絕熱層和屏壁間空間，包括必要時用于支持這些構(gòu)件的鄰接結(jié)構(gòu)。若次屏壁是船體結(jié)構(gòu)的一部分，則它可以是氣罐處所的邊界。

（2）氣罐處所內(nèi)不應安裝可能導致火災危險的機器和設(shè)備。

（3）氣罐連接處所內(nèi)的設(shè)備應能承受低溫液體的泄漏，而不導致其功能喪失。

（4）氣罐包括次屏壁（如設(shè)有），氣罐連接處所不應與機器處所和具有較大失火危險的其他處所相鄰。如果通過隔離艙進行隔離，則隔離艙的寬度應至少為900 mm。對于真空絕熱C型氣罐，若氣罐外殼距艙壁不小于900 mm，則氣罐處所可以作為隔離艙，但氣罐布置在機器處所和其他可能產(chǎn)生火災的危險區(qū)域上方的情況除外。

1.2 DNV船級社規(guī)范規(guī)則

DNV船級社規(guī)范［3］中關(guān)于氣罐布置的要求與CCS有所不同，它增加了根據(jù)氣罐的容積大小規(guī)定的甲板上LNG氣罐與船體的最小距離，與即將生效的IGF Code相同，因而比CCS船級社規(guī)范更為嚴格。

DNV規(guī)范規(guī)定，開敞甲板布置的氣罐及其附件應布置在距離舷側(cè)不少于B/5的位置，對除客船以外的船舶，氣罐距離舷側(cè)可小于B/5的要求。氣罐邊界與船體邊界的最小距離在任何情況下不得小于最小距離d的限制，d的定義如下：

（1）Vc≤1 000 m3時，d = 0.80 m；

（2）1 000 m3≤Vc<5000 m3時，d = 0.75+Vc×0.20 /4000；

（3）5 000 m3≤Vc< 30 000 m3時，d = 0.8 + Vc/25 000；

（4）Vc≥30 000 m3時，d =2m。

Vc為20℃時獨立氣罐的總設(shè)計體積，包括附件。

對于布置在圍蔽處所的氣罐，增加的最小距離d的定義與上述定義相同，其余要求與CCS規(guī)范相同。圖1為DNV船級社規(guī)范對LNG氣罐布置位置要求的示意圖。

圖1 DNV船級社規(guī)范對LNG氣罐布置位置要求的示意圖

2 液罐型式及特點

LNG燃料的儲存可采用薄膜型氣罐和獨立氣罐。薄膜型氣罐為非自身支持的氣罐，它由鄰接的船體結(jié)構(gòu)通過絕熱層支持的一層薄膜組成。獨立氣罐為自身支持的氣罐，它不構(gòu)成船體結(jié)構(gòu)的一部分，對船體強度不是必需的。根據(jù)不同的設(shè)計方式和符合標準，獨立氣罐共分為3類：A型、B型和C型。

A型獨立氣罐系指應用傳統(tǒng)船舶結(jié)構(gòu)分析程序的公認標準進行設(shè)計的氣罐；B型獨立氣罐系指采用模型試驗、精確分析手段和分析方法確定應力水平、疲勞壽命和裂紋擴展特性進行設(shè)計的氣罐；C型獨立氣罐系指符合壓力容器標準的氣罐。設(shè)計蒸汽壓力P0是氣罐頂部的最大表壓，除C型獨立氣罐外，設(shè)計壓力均不超過0.07 MPa。C型獨立氣罐的設(shè)計應按照《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》附錄1中的要求進行。

不同氣罐型式的優(yōu)缺點見表2。

表2 各種氣罐的優(yōu)缺點

3 氣罐選型及布置實例

對于LNG燃料挖泥船而言，氣罐的選型和布置位置除了滿足規(guī)范要求，還需要結(jié)合挖泥船的船型特點，有效、合理地利用船上空間，根據(jù)船型、布置、尺度等綜合因素來確定。設(shè)計過程中應盡可能節(jié)約空間或者更有效利用船上空間，擴大氣罐容積，提高續(xù)航力。

現(xiàn)以某大型雙燃料耙吸挖泥船為例，探討此類船型氣罐選型及布置研究。該船泥艙艙容約為12 000 m3，采用一拖二的驅(qū)動形式，軸系、調(diào)距槳和發(fā)電機由雙燃料發(fā)動機驅(qū)動，而泥泵則由電機驅(qū)動。機艙設(shè)置于船舶尾部，舵機艙前，泥艙段位于平行舯體位置，泥泵艙則布置在泥艙之前。

3.1 氣罐選型

從氣罐的型式上來看，薄膜型和A、B型罐可以適應船體的形狀，以液艙的形式布置在船上，一般設(shè)置在平行舯體部分。這個特點使得它們可以更有效地利用船體內(nèi)部空間來儲存LNG燃料，但造價也相對更高。這類氣罐在LNG運輸方面更具優(yōu)勢，但若僅用作燃料儲存，則在布置上要求較高，不夠靈活。C 型罐具有設(shè)計獨立、布置靈活、便于安裝、無氣體泄漏、無需維護費用等優(yōu)點，但缺點是需要大量空間［1］。從耙吸式挖泥船的布置特點來看，在泥艙甲板頂部存在較大空間可以用于LNG氣罐的布置，布置空間較為充足，C型罐的優(yōu)勢更為明顯。因此，選擇C型罐作為該船的LNG氣罐。

3.2 布置實例

總布置上，主要從泥艙形式和甲板形式兩個角度來考慮，因為這兩部分對甲板空間的影響最為顯著。

泥艙形式方面，其平面幾何形狀大體呈矩形，而橫斷面幾何形狀可以分為兩類：具有單列泥門的V型泥艙和具有雙排泥門的W型泥艙。為給氣罐留出更大的空間，采用雙列泥門W型泥艙，將泥門油缸和吸排泥管布置于泥艙兩側(cè)，使中部甲板空間更為充裕。圖2為W型和V型泥艙橫斷面示意圖。

甲板形式方面，適用于本船的有W型單甲板和全通甲板（如圖3所示）。

圖2 W型（左）和V型泥艙橫斷面示意圖

圖3 不同甲板形式的泥艙

目前國內(nèi)泥艙艙容在萬方左右的船型大多為單甲板、高泥艙圍板型式，原因有二：首先是作業(yè)環(huán)境條件大多為港內(nèi)以及沿海，海況條件較好，甲板上浪情況不嚴重，故干舷較小；其次是挖深較小，多為一拖三復合驅(qū)動，耙管大多布置在泥艙后部，耙管易于布置。隨著一拖二驅(qū)動型式廣泛應用以及超大型耙吸挖泥應運而生，全通甲板形式的船型也就脫穎而出，其優(yōu)點是具有較高的強度和剛度。較大的干舷適用于不同的作業(yè)海況，較大的甲板寬度便于甲板布置。這個特點也同樣有利于甲板LNG氣罐的布置。因此，本船采用全通甲板形式。圖4為本船主甲板氣罐布置圖。

圖4 本船主甲板氣罐布置

4 結(jié) 論

本文對船用LNG氣罐布置的船級社規(guī)范相關(guān)要求進行整理，并對各類氣罐的特點進行分析和歸納。在此基礎(chǔ)上，以某LNG雙燃料大型耙吸挖泥船為例，對LNG氣罐型式和船舶布置進行研究，并提出采用C型氣罐、雙列泥門、全通甲板、氣罐布置于泥艙甲板中部的布置型式。希望該文能對同類型船舶的研究有所幫助。

［1］ 周志賢，楊令康，吳海榮. LNG雙燃料動力船舶設(shè)計探討［J］. 船海工程，2014 （2）：154-156.

［2］ 中國船級社. 天然氣燃料動力船舶規(guī)范［S］. 2013.

［3］ DNV. Rules for Classification of Ships / High Speed， Light Craft and Naval Surface Craft， Part 6， Chapter 13， Gas Fuelled Ship Installations ［S］. 2014.

［4］ 顧俊，王凡超，劉奕謙.6500 m3液化氣運輸船鞍座結(jié)構(gòu)強度分析［J］.船舶，2015 （4）：77-83.

On type of LNG tank and its arrangement on large trailing suction hopper dredger

ZHANG Ying-jie1LI Zhi-lei2YU Zai-hong1
(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China)

As large dredgers mainly work in the harbor and coastal regions, the application of LNG fuel, which is clean and economic, will greatly reduce the exhaust pollution. It is of great significance to improve the atmospheric environment along the coast. This paper summarizes the rules relevant to LNG vessels, presents the state-of-art of LNG vessels both at home and abroad, and compares the characteristics of the diff erent types of LNG tank. It fi nally proposes the suitable LNG tank type and the arrangement for the dual-fuel large trailing suction hopper dredger.

liquefi ed natural gas(LNG); dual fuel; dredger; LNG tank

U674.31

A

1001-9855（2017）02-0054-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.054

2016-07-06；

2016-08-15

張英捷（1986-），男，工程師。研究方向：船舶輪機設(shè)計研究。李志壘（1976-），男，碩士，工程師。研究方向：工程船舶和海洋平臺電氣設(shè)備研發(fā)。于再紅（1976-），女，研究員。研究方向：船舶輪機設(shè)計研究。