V型無壓載水小型LNG運輸船設計研究

胡慶華, 劉建朔

(新奧能源控股有限公司，河北廊坊065001)

1 概述

船舶壓載水是控制船舶橫傾、縱傾、吃水、穩性或應力而加裝到船上的水及懸浮物質，對于大多數空載狀態下的船舶是必不可少的[1]。然而，由壓載水引發的海洋污染、外來生物入侵，會給海域帶來嚴重環境問題，還會引起寄生蟲和病原體的傳播。《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》(BWM公約)已于2017年9月8日生效，在制止入侵水生生物傳播方面標志著一個里程碑，這就要求船舶安裝壓載水系統，且必須按照國際海事組織程序獲得國家有關部門的認可，因此船舶的建造和運營成本將提高[2]。

此外，隨著LNG市場的發展，LNG 物流逐漸呈現多樣性，近年來對小型 LNG 運輸船的需求逐漸增加[3]。目前全球4×104m3以下的LNG運輸船數量已達到50艘，其中約有25艘在亞洲地區運營。據了解，目前在我國建造的小型LNG運輸船有近10艘，船容積包括1.4×104m3、2.75×104m3和3×104m3等，液貨艙均采用C型罐。

基于以上分析，對小型LNG運輸船實現無壓載水操作的船型進行研究，完成了2×104m3LNG運輸船的船型設計，從而為船東降低船舶運營成本。

2 設計思想

本文的設計思想參考日本V型無壓載水船舶的設計理念，充分結合小型LNG運輸船C型液貨艙的結構特點，以及LNG運輸船的規范要求，采用V型船體、雙機雙槳和雙層底雙層殼的設計。

V型船體的結構設計使得船舶在空載時相當于傳統船型30%～40%的壓載情況，在惡劣海況下相當于傳統船型25%左右的壓載情況，能夠保證安全航行[4]。通過大量研究和論證，包括船舶完整穩性、破艙穩性等計算，設計出了圖1所示的船舶總體設計圖。

3 整體設計內容

船舶服務于深海和沿海航區，LNG貨艙由3個C型液貨艙組成，分別置于3個獨立的隔離船艙中，貨艙區域船體采用雙層底和雙層殼的結構。推進方式采用雙機雙槳(兩臺船舶主機和兩臺螺旋槳)的形式，主機選用中速燃氣發動機，螺旋槳采用調距槳。

圖1 船舶總體設計圖

3.1 船舶線型

目前多數中小型LNG運輸船液貨艙基本采用C型獨立液貨艙，C型獨立液貨艙垂直于船長方向的縱截面為圓形。本方案采用優化的船舶總體設計，LNG貨艙區域的船體垂直于船長方向的縱截面形狀為V型，V型船體結構與C型獨立液貨艙的圓形結構相適應，見圖2。相比傳統的船體結構，V型船身的特點是船體采用更加細長、船底呈明顯向下突出的V型，以使得船舶有足夠的吃水配合船舶空載時的性能要求，且可以充分減少船體鋼材的使用。

充分考慮船舶干舷、穩性、結構強度等方面因素，本船的主尺寸為：船長149.60 m，型寬27.00 m，型深12.15 m，吃水7.15 m。

3.2 液貨系統設計

液貨圍護系統由3個C型獨立液貨艙組成，采用9鎳鋼材質，最小設計壓力為4 kPa，每個液貨艙設計一個氣室作為管路和電纜連接處所，貨艙的絕緣需保證LNG每天的蒸發率在0.3%左右，每個貨艙設置一個透氣桅(即燃氣放散管道)和兩個安全閥，需滿足國際海事組織規則要求。

裝卸貨系統主要由低溫貨泵、貨物集管等組成，3個液貨艙中各設一臺低溫貨泵，流量約為400 m3/h；貨物集管(向船內輸送和由船向外輸出LNG和BOG的管路，也連接3個液貨艙)設置在船舶中部，設置2路液相管和1路氣相管。當其中一個液貨艙低溫貨泵出現故障需進行緊急卸貨時，可通過BOG壓縮機對該貨艙進行增壓，從而將該艙中的LNG輸送到其他液貨艙，達到緊急卸貨的目的。液貨區域側視圖和俯視圖見圖3。

圖3 液貨區域側視圖和俯視圖

貨物操作和燃料供應需根據液位報警進行，當液位達到高液位報警時停止所有貨物操作。船岸之間須連接ESD系統(緊急切斷系統)，并根據國際氣體船運輸與碼頭經營者協會(SIGTTO)的要求設置。在某處泄漏或發生火災等緊急情況下，設置在集管和氣室的ESD閥門需關閉，貨泵和BOG壓縮機需停止運行，船岸之間連接的ESD系統需停止運行。控制、監測和報警點設置主要有以下幾點：貨泵的控制和監測；BOG壓縮機的控制和監測；貨艙和燃氣緩沖罐壓力監測；貨艙內上、中、下3個溫度監測點；裝卸貨出口壓力監測；貨艙液位監測與報警等。

氮氣系統設置一臺100 m3/h的氮氣發生器，氮氣純度為96%，露點為-50 ℃，供氣壓力為5 kPa，用于LNG貨艙與其隔離空艙的惰化和驅氣，以及管路的吹掃。此外，設備間需要進行機械通風。

3.3 動力系統設計

船舶動力系統設計方案見圖4。船舶動力系統設置兩臺中速4沖程LNG燃料內燃機作為主機，在兩臺主機的輸出端各設置一臺具有PTO(動力輸出)、PTI(動力輸入)功能的軸帶發電機，并設置兩臺發電機組。兩臺主機為船舶航行提供動力，同時通過軸帶發電機的PTO功能為船舶電站供電，船舶電站為船舶提供電力，包括照明用電、設備用電、船舶艏側推用電等。當主機出現故障或LNG燃料供應系統出現故障時，可由兩臺發電機組發電，提供給船舶電站，并通過船舶電站利用軸帶發電機的PTI功能，驅動推進器。

主機供氣系統主要包括一臺安裝于液貨艙中的燃料泵、兩臺BOG壓縮機、一個燃氣緩沖罐、一臺強制蒸發器。主要利用3個液貨艙的BOG作為燃料，BOG經BOG壓縮機提升到滿足主機所需的壓力，儲存到燃氣緩沖罐中。在液貨艙壓力較低的情況下，通過液貨艙中的LNG燃料泵將LNG輸送到強制蒸發器轉變為氣態，同樣儲存在燃氣緩沖罐中，為主機供氣。

強制蒸發器由乙二醇水溶液加熱，乙二醇水溶液由主機冷卻水和電加熱器進行加熱，實現主機冷卻水的余熱利用。

圖4 船舶動力系統設計方案

4 船舶滿足航行要求的操作方法

船舶滿載航行時，無需考慮壓載問題，其吃水已滿足完全浸沒螺旋槳和艏艉吃水差的全部要求，此時，啟動船舶主機，帶動螺旋槳旋轉，船舶可以安全平穩航行。

船舶空載時，為了能滿足航行要求，需要消耗燃料和淡水(生活用水)，應先使用靠近船艉部的燃料艙和淡水艙，逐步使用向船艏方向的其他艙，若還不能滿足航行的條件，可通過燃料艙和燃料艙之間的燃料傳輸，或者淡水艙和淡水艙之間的淡水傳輸來保證船舶穩態，原則是艉部艙的燃料或淡水向艏部艙傳輸。

5 無壓載水LNG運輸船的發展前景

國際海事組織(IMO)曾做過調查統計，全球每年共有逾100×108t壓載水排入海洋，每天至少有7 000個有機體隨壓載水遠航至他鄉。物種入侵，加劇了海洋生態鏈的惡化。BWM公約給廣大船東帶來一定的經濟壓力，然而無壓載水船舶技術的出現，將為未來船舶的建造減輕經濟負擔，尤其是小型LNG運輸船，基于其C型貨艙的圓形特點，更加適合V型船舶結構，不僅無需安裝壓載水處理系統，而且可以節省鋼材用量，具有廣闊的前景。

近年來全球LNG的生產和貿易日趨活躍，LNG作為清潔能源，正成為世界能源工業新的熱點。為保證能源供應的多元化和改善用能結構，能源消費大國越來越重視LNG的引進，日本、中國、韓國等國家都在大規模建設LNG接收站，因此LNG航運市場將逐漸增大，勢必需要擴大LNG運輸船隊，小型LNG運輸船可以為大型LNG接收站的LNG轉運、海上油田伴生氣的回收、短距離駁運等服務，成為當今LNG行業關注的熱點[5]。該V型無壓載水船舶技術適用于小型LNG運輸船。

此外，由國際海事組織(IMO)主導的國際社會治理船舶污染的工作正在穩步推進中。其中，2020年開始實施的船舶硫氧化物排放限制規定，將促使船舶采用新的技術和設備降低污染物排放量。LNG動力船、雙燃料船將成為達標的先行者，大量LNG動力船和雙燃料船將在2020年前后進入市場。LNG移動加注船以加注靈活、便捷的優勢正在快速發展，該V型無壓載水船舶技術同樣適用于LNG移動加注船。

6 結語

本文介紹了一種V型無壓載水的LNG運輸船設計方案，將V型結構與C型獨立液貨艙完美結合，實現了小型LNG運輸船的無壓載水操作，不僅可以解決壓載水的污染問題，還可以降低建造成本和運營成本。雖然該方案較為完善，但后續還需進行深入研究，包括詳細計算和CFD模擬，只有通過更多的性能分析才能總體評價方案的可行性。