新一代LNG船杰出代表“泛亞”號揭秘

CCS上海規范研究所 付喜華

新一代LNG船杰出代表“泛亞”號揭秘

CCS上海規范研究所 付喜華

液化天然氣(LNG)以其綠色、環保及高效的特點正以每年約10%以上的速度增長，成為全球發展最快的能源行業之一。我國天然氣發展“十三五”規劃明確指出，加快天然氣產業發展，提高天然氣在一次能源消費中的比重，是我國加快建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系的必由之路，也是化解環境約束、改善大氣質量，實現綠色低碳發展的有效途徑，同時對推動節能減排、穩增長惠民生促發展具有重要意義。到2020年國內天然氣綜合保供能力達到3600億立方米以上，成為我國能源發展戰略中的一個亮點和綠色能源支柱之一。交通運輸方面，目前國內沿海LNG項目布局正逐步完善，越來越多的LNG終端接收站將建成投入營運，LNG進口將進入高速增長階段。作為LNG進口的海上運輸工具，自2008年4月我國建造的第一艘薄膜型LNG運輸船交付營運以來，我國液化天然氣船（LNG船）的設計與建造迎來了一個快速的發展時期。而2017年10月13日，國內最大最先進的LNG（液化天然氣）運輸船“泛亞”號成功交付，則向業界充分展示了中國向這一領域挺進的速度和能力。那么，世界LNG運輸船發展經歷了怎樣的一段歷程？這艘被譽為集中了當今中國造船最高科技成果的經典船型有哪些主要看點？

薄膜艙型LNG運輸船的發展歷程

由于LNG超低溫運輸的特點，LNG船具有特別高的相關設計要求，是目前世界上建造難度大、要求高的貨物運輸船舶之一。其發展大致經歷了如下幾個重要歷史節點：

● 1817年，法拉第(Michael Faraday) 在實驗室第一次制作出LNG；

● 1914年，第一個LNG輸運領域的專利在美國申請通過；

● 1917年，第一個商用LNG液化工廠在美國西佛吉尼亞州建成；

● 1959年，第一次船舶運輸LNG，航線為美國到英國。

20世紀50年代～60年代，美國開始研究LNG運輸船， 并率先投入規模化的天然氣液化和海上LNG商業貿易運輸，后來其他的少數發達國家逐漸掌握了LNG船的建造技術，并發展至大規模使用階段。據來自克拉克森的最新統計，目前超過14萬方以上薄膜型LNG 船全球共有270余艘，在建訂單100余艘。主要建造船廠為韓國大宇重工(DSME)、韓國現代重工(Hyundai HI)、韓國三星重工(Samsung HI)、滬東中華造船集團有限公司等。

隨著LNG需求的增長，從運輸效率及成本角度考慮，大型薄膜型LNG運輸船的需求也越來越大，薄膜型LNG運輸船的主要裝載容量有逐漸增大的趨勢。圖1為14萬方以上大型薄膜型LNG運輸裝載量占比分布圖。

我國自2008年4月成功建造交付國內首艘薄膜型LNG運輸船——“大鵬昊”以來，已經順利建造并交付大型薄膜型LNG運輸船15艘，擁有大型薄膜型LNG運輸船訂單11艘，其中處于建造階段的5艘，處于設計階段6艘，在全球LNG運輸船建造市場具有舉足輕重的地位。

近年來，我國參與大型薄膜型LNG船建造業務的能力也在逐年提高，目前具有薄膜型LNG運輸船實船建造能力的有滬東中華造船（集團）有限公司。具有薄膜艙模擬艙建造能力并取得法國GTT公司認證的有大連新船重工有限責任公司、江南造船（集團）有限公司、外高橋造船有限公司、中遠川崎船舶工程有限公司等。

“泛亞”號(PAN ASIA)主要看點

2017年10月13日， 滬 東 中華交付國內最大最先進LNG（液化天然氣）運輸船“泛亞”號。“泛亞”號是澳大利亞科蒂斯液化天然氣項目首制船。入級中國船級社（CCS）和美國船級社（ABS）。該船總長290米，型寬46.95米，型深26.25米，設計吃水11.5米，共計4個采用GTT NO96型貨物圍護系統的薄膜型液貨艙。該船采用雙燃料電力推進技術（DFDE），同時配備再液化系統，船舶設計航速為19.5節。這也是國內首例同時具有雙燃料電力推進和再液化功能的LNG運輸船。

“泛亞”號這艘綠色環保、高效節能的高技術LNG船，為滬東中華自主設計，集中了當今中國造船最高科技成果，采用了雙軸系傾斜布置、短球艏、低轉速、雙艉線型優化、全氣模式運行等一系列新設計理念；應用的雙燃料電力推進系統與再液化裝置組合，在17萬立方米級液化氣體運輸船上尚屬全球首次；同時具有貨艙揮發氣最優化處理、降低貨損率等能力，設計日蒸發率降低了多達1%，為典型的高附加值、高技術含量船舶。該輪申請了CCS雙燃料發動機動力裝置DFD和綠色護照GpR等附加標志，滿足最新的國際壓載水公約技術要求。

1、船舶布置

該系列船為2G型液化氣體運輸船，采用尾機尾樓形式，尾樓在主甲板以上設有七層甲板室結構，貨艙區域為凸型甲板、雙層底、雙殼結構。雙層底及舷側邊艙設有壓載艙，船中雙層底設置管弄結構，凸型甲板為雙層隔離結構。通往船首的步橋位于凸型甲板頂部，船舶首尾端設有應急拖帶裝置。

中間貨艙區域設有4個薄膜型液貨艙，第Ⅰ艙配合型線，貨艙端部收縮，其余3艙為規整的八棱柱形。液貨艙最大蒸汽壓力為0.025Mpa，最低溫度為-163℃，液貨艙總容積為174000m3。尾部液貨艙與機艙之間、首部液貨艙與首部燃油艙之間，以及相鄰液貨艙之間均設有隔離空艙。液貨艙雙殼寬度和雙層底高度均滿足最新IGC規則對2G型船舶的要求。液貨裝卸區域位于船舶中部，在通岸接頭區域設有水幕，在貨物駁運時用以保護舷側船體結構。貨物壓縮機艙位于貨艙區域尾部凸型甲板頂部，與液貨艙之間設有空艙隔離。在貨艙區折角，凸形甲板前后端肘板等關鍵區域，進行了局部加強。

該系列船采用雙燃料主機，首部燃油艙及機艙區域燃油艙均設有雙底雙殼保護，滿足MARpOL公約對燃油艙保護的要求。

2、高效雙軸系外傾布置

高效雙軸系外傾布置，是在設計船體線型時，將雙軸系設計成具有一定的傾斜角度，使得螺旋槳盤面進水較平行軸系更加平滑，尤其是在螺旋槳船舯側（右側）進水得到極大改善，伴流系數達到0.4，與先前的0.1左右相比有著可觀的量變；螺旋槳頂部（近船艉底部）伴流系數為0.6左右，較平行軸系設計該處伴流系數0.8相比明顯降低。上述措施使艉部伴流場更加均勻，并增加了螺旋槳盤面處來流，具有提高推進效率的作用。同時，水流從螺旋槳盤面甩出，沖擊到的船艉底部的水流流速減弱，能夠有效降低船舶艉部結構受到的水流沖擊力，進而能夠在一定程度上改善船舶艉部，以及機艙區域的船體振動。該方案經瑞典水池（SSpA）航模試驗證實可以提高約1.5%的推進效率，降低推進功率約370千瓦，日均可節省燃油1.7噸，船舶能耗達到了國際先進水平。同時，該方案也使得關鍵設備設計負荷降低（如電推系統、齒輪箱等），有利于優化齒輪箱基座設計，降低超厚鋼板（65mm）的使用量，節約了船舶建造成本。

雙軸系外傾布置的設計不僅能滿足大型船舶高服務航速所需的動力要求，優化螺旋槳效率，提高船舶的推進效率和經濟性，還可以提高船舶推進系統的冗余度、安全性和滿足許多港口的吃水限制。

3、雙燃料發電機、電力推進系統

從滬東中華造船廠第一批交付的14.7萬方薄膜型LNG運輸船采用蒸汽輪機推進，到后來的17.2萬方LNG運輸船采用的低速柴油機推進，“泛亞號”LNG運輸船采用的則是更經濟、更環保、更高效的雙燃料發電機電氣推進系統，同時解決了LNG貨艙壓力和蒸發氣處理問題以及廢氣中NOX和SOX的排放問題。

滿載航行時的蒸發氣體與正常海上航行時的所需的燃油量非常接近。當蒸發氣不夠時，則一臺或多臺發動機可切換至使用燃油。船舶在空載時，或氣候狀況要求慢速行駛時，蒸發氣的量將超過需求，則通過本船裝配的再液化裝置將蒸發器再次液化。

4、配備再液化裝置

對于全冷式LNG運輸船，液貨是在遠低于環境溫度下運輸的。由于艙內外溫差大，外部的熱量不可避免地經過絕熱材料或裝卸過程傳入液貨艙內，同時，船舶航行時會發生搖晃，引起液體晃動而產生熱量，這些熱量會使液貨不斷蒸發，如果蒸發的氣體聚集，那么艙內壓力就會升高。為保持液貨艙內的壓力低于釋放閥的最大允許調定值，按照規范規則要求，需要對蒸發氣體（簡稱BOG Boil Off Gas）進行處理。

該船處理BOG的方法有二種，一種是作為船舶的燃料消耗掉，如將BOG作為雙燃料發動機的燃料；第二種是裝設再液化裝置，將超壓的BOG重新冷凝液化后再回流到液貨艙中。正常航行時BOG是通過燃氣壓縮機供給四臺低壓雙燃料發動機。在燃氣消耗高于自然蒸發時，強制蒸發氣體作為補充燃料。當燃氣消耗低于自然蒸發時，包括發電機組在低負荷狀態下運行、船舶停港期間，則使用再液化裝置來保持液貨艙內的壓力低于釋放閥的最大允許調定值。

再液化裝置是制冷技術在液化船上的特殊應用。再液化裝置使用氮氣作為逆布雷頓循環的冷卻介質，可有效地達到深冷制冷要求，其中全部再液化裝置以其節省空間、布置緊湊，其設備可按照兩個循環而分別布置在貨物機械室和貨物馬達室的特點，確保了運轉的可靠性和安全性。在當前全球船市持續低迷的狀況下，LNG運輸船作為高附加值的船舶已經被國內較多的船企關注，而LNG運輸船在采用揮發氣再液化后不僅減少了貨損，增加了運輸能力，而且再液化裝置裝船后具有很好的投資成本優勢和良好的營運經濟性，可以預見越來越多的LNG運輸船將選擇安裝再液化裝置。

國內薄膜艙型LNG運輸船標準規范的發展

近幾年，隨著國內LNG運輸船建造設計能力的快速發展，在標準規范方面，也同樣獲得了長足發展。中國船級社（CCS）在此船建造中提供的各種技術服務，就是有力的體現。

1、CCS薄膜艙型LNG運輸船領域技術服務能力

規范體系：最新發布的CCS《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》2016，以及2015年6月以新版指南形式發布—《薄膜型液化天然氣運輸船檢驗指南》，反映了CCS在薄膜艙型、A型獨立艙、B型棱形獨立艙和C型獨立艙液化氣體船方面的新研究成果和技術，包括船體結構、液貨艙結構以及支承結構的構件尺寸和直接計算要求，以及必要時進行溫度場分析和液貨艙支撐結構及其附件的熱應力分析的要求等。

規范校核及艙段有限元分析：對薄膜型LNG船船體結構的各項分析，CCS都已開發了相應的軟件，并投入到實際審圖和科研工作中。軟件包括規范計算、艙段有限元分析、疲勞分析（含名義應力及熱點應力）、晃蕩分析、溫度場、整船分析、疲勞譜分析等。相應軟件基于通用平臺開發，需求設計完善，功能設計合理，適用性強，自動化程度高，界面友好。

晃蕩載荷及泵塔強度評估：CCS基于模型試驗和數值模擬等研究手段，建立了完善的晃蕩規范體系，并開發了基于VOF法的二維晃蕩載荷直接預報程序，應用于薄膜型LNG運輸船船體結構和泵塔結構在晃蕩載荷作用下的強度評估，為薄膜型LNG運輸船液艙結構的制蕩設計、審圖、及裝載營運提供指導。

整船分析及疲勞譜分析：對于薄膜型LNG船，中國船級社發布了整船分析的指南和配套軟件，并采用該指南和軟件開展了多型薄膜型LNG船的整船分析工作。整船分析中，根據實船外形及裝載進行水動力計算，得到船舶的運動和波浪載荷，其載荷比經驗公式更加準確。全船有限元模型可以更真實地反映貨艙受到的前后結構的約束，消除了邊界條件的影響，并可以分析首尾貨艙的端部過渡結構、甲板室結構等。

根據整船分析的結果，對于關鍵區域，進一步開展細化分析。范圍包括貨艙內的折角（如底邊艙上下折角、底縱桁和橫艙壁垂直桁的連接處等）、凸形甲板的前后端肘板、甲板室開口角隅、壓縮機室和凸形甲板的連接等。

疲勞譜分析考慮了船舶的實際裝載，并可以考慮實際的營運環境，根據客戶的需要，對船體結構開展疲勞強度評估。中國船級社針對薄膜型LNG船開展了疲勞譜分析工作，并發布了指南和軟件。根據CCS的指南進行疲勞譜分析，并滿足要求后，可取得相應的附加標志。

CCS的疲勞譜分析軟件可將根據結構有限元模型輸出水動力計算所需的水動力模型，并自動讀入水動力載荷，計算并加載貨物載荷。加載后可自動分批提交結構分析并讀入結構分析結果。可對各種節點進行疲勞譜分析，分析中還可以自動定義海況、設計壽命、S-N曲線等參數。

殷瓦鋼的焊接工藝：CCS編制了的《LNG船殷瓦合金檢驗指南》用于實際生產質量檢驗，并與滬東中華、寶鋼特鋼在殷瓦鋼國產化領域開展積極合作，通過現場檢驗，為寶鋼特鋼頒發了CCS LNG船用殷瓦合金板帶認證通過證書。

2、實船入級服務

CCS薄膜型LNG運輸船船隊：來自10月末Clarksons的統計，入級CCS的薄膜艙型LNG運輸船及在建訂單達24艘；其中，在所有的船級社中，入級CCS的大型薄膜艙型LNG運輸船(14萬方以上)的交船份額為5%，在建項目訂單份額為10%，呈現出逐漸增加的趨勢。

CCS與法國GTT的良好合作：法國GTT公司為一家專注于研究液化天然氣低溫儲運技術的工程公司，在LNG儲存艙薄膜密封系統制造方面已有60多年的歷史，并擁有薄膜型液貨船艙的多項專利技術，如NO96系列、MARK III系列及CS1等圍護系統技術。

CCS與薄膜艙專利技術公司——法國GTT公司，保持著良好的合作，近年來，在薄膜型液貨艙及LNG燃料艙等領域積累了豐碩的合作成果：

● NO96、MARK III 、NO96-L03Aip；

● 小型薄膜艙型LNG運輸船Aip認可；

● NO96-E2、MARK III &MARK III FLEX Aip (多氣體運輸)；

● 最新貨物圍護系統技術NO96-L03+ Aip；

● 薄膜艙LNG燃料艙技術。

3、CCS薄膜型LNG運輸船檢驗技術

隨著國內多型薄膜型LNG運輸船建造檢驗的順利實施，CCS已具備獨立的建造檢驗能力，包括對貨物圍護系統和貨物操作系統的檢驗：

● 對貨物圍護系統的零部件制造檢驗和安裝檢驗；

● 貨物操作系統中主要液貨設備的安裝檢驗；

● 低溫管系的焊接和安裝檢驗；

● 各系統的功能和效用試驗等；

CCS完成了《薄膜型LNG運輸船建造檢驗指南》的編制，為薄膜型液化天然氣運輸船的船體關鍵結構和制造工藝，典型貨物圍護系統如NO96貨物圍護系統、Mark III貨物圍護系統等，以及氣體試航和第一次裝卸貨等方面提供了建造檢驗指導。

近年來，CCS通過項目大大提升了大型薄膜型LNG運輸船建造檢驗服務能力和水平，建立了CCS大型薄膜型LNG運輸船建造檢驗隊伍，掌握了大型薄膜型LNG運輸船建造檢驗關鍵技術。

未來展望

天然氣發展“十三五”規劃表明，隨著我國加快推動能源生產和消費革命，新型城鎮化進程不斷提速和油氣體制改革有力推進，LNG產業、LNG航運以及LNG運輸船建造產業正迎來新的發展機遇。

隨著近年來我國建造交付的大型LNG運輸船的數量不斷增加，我國積累了豐富的大型薄膜型LNG運輸船建造經驗，同時，大型LNG運輸船的相關設計能力、檢驗能力也不斷提高，我國在全球大型薄膜型LNG運輸船建造市場上的話語權也將不斷增強。

我國LNG運輸船隊是伴隨著我國進口LNG項目而逐步建立和發展起來的。伴隨著我國LNG進口量的穩定增長，LNG作為我國主要能源的地位也將日益提升，當前及未來數年內我國LNG運輸船隊運力難以滿足“國貨國運”的要求，我國LNG運輸船隊規模和運力還有較大增長空間。