69.8 m多用途貨船LNG燃料動力改造設(shè)計(jì)

摘" " 要：本文以69.8m多用途貨船的LNG燃料動力改造工程為典型案例，對該型船改裝的LNG儲罐布置方案、氣體燃料發(fā)動機(jī)選型等進(jìn)行分析，做出優(yōu)先方案。簡要介紹其防火結(jié)構(gòu)分隔、危險區(qū)域劃分、LNG儲罐基座強(qiáng)度、空船重量重心控制、完整穩(wěn)性校核等改造過程中需解決的主要問題，提出應(yīng)對措施建議。

關(guān)鍵詞：多用途貨船；LNG燃料動力；改造設(shè)計(jì)

中圖分類號：U663.7" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

LNG Fuel-Powered Conversion Design of 69.8 m

Multi-Purpose Cargo Vessel

LAN Liang，" LU Longwen，" LI Peng，" GU Zhiming

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation，" Guangzhou 510250 ）

Abstract： This paper takes LNG fuel power conversion project of the 69.8 m multi-purpose cargo vessel as a typical example. The LNG storage tank arrangement scheme and selection of gas fuel power engine for such ship conversion are analyzed and studied so as to make priority schemes. This paper also introduces briefly the key problems for solvement in the conversion process of the fire protection structure separation， hazardous area division， LNG storage tank foundation strength， light ship weight and center of gravity control， intact stability check， and proposes the countermeasures.

Key words： multi-purpose cargo vessel;" LNG fuel-powered;" conversion design

1" " "引言

目前珠江流域干線運(yùn)營船舶超過2萬艘，這些船舶大多采用傳統(tǒng)柴油機(jī)作為推進(jìn)動力，造成大量廢氣、顆粒物等污染，給珠江及粵港澳大灣區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，實(shí)施船舶清潔動力改造，持續(xù)推動綠色航運(yùn)發(fā)展和船舶節(jié)能減排具有重要意義。為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，廣東省在2020年規(guī)劃推進(jìn)“綠色珠江”工程項(xiàng)目，包括新建LNG動力船舶50艘，改造LNG動力船舶300艘，打造內(nèi)河船舶LNG應(yīng)用示范工程。2021年11月， “綠色珠江”新造LNG燃料動力首制船“達(dá)峰3001”、“中和2001”順利交付，標(biāo)志著LNG燃料動力在珠江應(yīng)用已取得階段性成果，具有良好的示范效應(yīng)。內(nèi)河多用途貨船作為珠江貨運(yùn)的主力船型，也是“綠色珠江”工程中船舶LNG動力改造項(xiàng)目的主要船型。本文簡要介紹69.8 m內(nèi)河多用途貨船LNG燃料動力改造設(shè)計(jì)工程，供其它類似船舶改造參考。

2" " 內(nèi)河多用途貨船船型特點(diǎn)

廣東省珠江干線多用途貨船標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，對典型船舶改造的案例具有較強(qiáng)通用性。該類船具有以下幾個主要共同點(diǎn)：

1）采用雙機(jī)、雙槳、雙舵、尾機(jī)型船型；

2）船中為平行中體用于布置貨艙區(qū)，采用敞口型式，主要裝載貨物為雜貨、干散貨和1CC型集裝箱；

3）船首尾均設(shè)有甲板室，駕駛室一般布置于船首，駕駛視域好；

4）為了增加載貨量，最大限度增加貨艙區(qū)域長度，機(jī)艙、尾甲板室布置較為緊湊；

5）普遍航速不高，基本在9 kn～11 kn，主機(jī)單機(jī)功率集中在300 kW～700 kW范圍內(nèi)。

3" " LNG燃料發(fā)動機(jī)選型

廣東省典型內(nèi)河多用途貨船普遍推進(jìn)功率不高，單機(jī)功率主要集中于300 kW～700 kW，且內(nèi)河多用途貨船大部分航線相對固定，續(xù)航力不高。單一氣體燃料發(fā)動機(jī)從燃燒效率和綜合排放標(biāo)準(zhǔn)均比雙燃料發(fā)動機(jī)好，同時由于《船舶發(fā)動機(jī)排放污染物排放限值及測量方案（中國第一、二階段）》第二階段已實(shí)施，因此，考慮到未來發(fā)展，“綠色珠江”多用途貨船LNG動力改造主要選用單一氣體燃料發(fā)動機(jī)作為主推進(jìn)動力設(shè)備。

目前，國內(nèi)濰柴、河柴等公司研發(fā)的LNG單燃料船用發(fā)動機(jī)，在功率段和轉(zhuǎn)速方面均能滿足多用途貨船LNG燃料動力改造對主機(jī)的需求，見表1。由中船集團(tuán)605院設(shè)計(jì)的“綠色珠江”工程50艘新造散貨及多用途貨船均采用河柴CHG620L6MPI船用氣體機(jī)。“綠色珠江”LNG動力船舶改造項(xiàng)目分別采用了河柴CHG620V8MPI氣體機(jī)和濰柴X6170NG氣體機(jī)。其中 CHG620V8MPI氣體機(jī)采用歧管多點(diǎn)噴射技術(shù)，提高了主機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能，同時也提高了主機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能，減少了氣門重疊角造成的甲烷逃逸現(xiàn)象。

4" " LNG燃料動力改造設(shè)計(jì)

4.1" "改造原則

該型船的LNG燃料動力改造改變了主推進(jìn)系統(tǒng)，屬于重大改建。根據(jù)法規(guī)要求，對于重大改建船舶，改建部分及其相關(guān)部分應(yīng)滿足最新法規(guī)的要求。因此，多用途貨船改造的主要原則為：

1）改造部分及相關(guān)部分應(yīng)滿足現(xiàn)行法規(guī)、規(guī)范要求；

2）將原推進(jìn)主柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)更換為LNG燃料的氣體機(jī)；

3）在滿足船員基本的起居生活需求前提下盡量不改變甲板艙室的結(jié)構(gòu)型式；

4）在滿足船舶功能的情況下危險區(qū)域盡量的小；

5）合理優(yōu)化改造布置方案，最大限度降低船舶改造工程量；

6）在滿足船舶安全航行的基礎(chǔ)上，盡量降低改造對船舶載貨量和裝箱數(shù)的影響。

4.2" "改造概況

69.8 m多用途貨船為雙機(jī)、雙槳、雙舵、鋼質(zhì)全焊接、單甲板、尾機(jī)型、敞口多用途貨船，尾部采用雙球尾，首部為直立前傾型，航區(qū)航行于內(nèi)河A級航區(qū)。在不改變原船主尺度的基礎(chǔ)上，對69.8m多用途開展LNG燃料動力改造設(shè)計(jì)。原船設(shè)2臺推進(jìn)柴油機(jī)，單機(jī)功率為400 kW。按航速需求，其更換為2臺LNG單一燃料氣體發(fā)動機(jī)，單機(jī)功率為450 kW，原船2套50kW主柴油發(fā)電機(jī)組更換為2套64 kW主氣體發(fā)電機(jī)組。按續(xù)航力需求，增設(shè)1個容積為30 m3的LNG儲罐。

4.3" "LNG儲罐布置

C型儲罐具有獨(dú)立、絕熱性好，耐壓、易安裝等特點(diǎn)，適合于內(nèi)河船舶安裝。根據(jù)內(nèi)河多用途貨船采用尾機(jī)艙布置以及駕駛室船首布置的特點(diǎn)，LNG儲罐宜布置在尾部并盡可能布置在機(jī)艙附近。

根據(jù)中國海事局《天然氣燃料動力船舶法定檢驗(yàn)暫行規(guī)則》（2018）及中國船級社《船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范》（2021）對于內(nèi)河船燃料艙布置的要求，LNG儲罐不能布置在機(jī)艙內(nèi)。為此提出四個LNG儲罐布置方案：1）貨艙內(nèi)布置；2）甲板室前布置；3）甲板室頂布置；4）甲板室后布置。如圖1所示。

對于方案1），多用途貨船采用大開口貨艙，貨艙布置空間較大。LNG儲罐布置于貨艙內(nèi)，具有技術(shù)簡單和改造工程量小的優(yōu)點(diǎn)，但會大幅降低船舶載貨量，嚴(yán)重降低船東收益，不可取；對于方案2），該型船甲板室前端為機(jī)艙棚，LNG儲罐布置于甲板室前則需要重新布置機(jī)艙進(jìn)出通道、通風(fēng)口及排煙，改造設(shè)計(jì)存在一定難度，改造工程量巨大，同時該方案LNG儲罐布置在圍蔽處所內(nèi)，存在一定的安全隱患，方案不太合理；對于方案3），LNG儲罐布置與甲板室頂部露天區(qū)域，雖不需對甲板室進(jìn)行改動，改造工程量最小，但會增加船舶重心高度而影響船舶穩(wěn)性，同時也會增加船舶最大高度，影響船舶的通航，需核實(shí)閉環(huán)相關(guān)問題；對于方案4），LNG儲罐布置于甲板室后，需要拆除一部分甲板室使LNG儲罐布置于開敞處所，LNG若發(fā)生泄漏可直接擴(kuò)散至空氣中，保證了船舶安全性，且改造工程量較小，但會減小居住處所空間，對船員舒適性產(chǎn)生一定影響。經(jīng)綜合考量，本船LNG儲罐布置采用方案4）甲板室后布置。

4.4" "總體改造設(shè)計(jì)

本船將LNG儲罐布置于甲板室后，尾部二層船員甲板上，需要拆除原船員甲板8號肋位之后的甲板室作為儲罐布置空間。由于燃料艙處所應(yīng)與其他有較大失火危險處所隔離，因此儲罐與主甲板甲板室之間需增設(shè)隔離空艙，改造尾部總布置見圖2 。

該方案需拆除原船員甲板尾部的兩個船員二人間和船員大廳。為了滿足船員生活起居的需求，將船員甲板4個單人間改為4個雙人間；為了防止船舶碰撞而造成LNG儲罐發(fā)生機(jī)械損傷，在LNG儲罐周圍增加防撞架。需要特別注意的是，由于本船屬于重大改建且改造部分涉及船員艙室，而現(xiàn)有布置的衛(wèi)生設(shè)備無法滿足現(xiàn)行法規(guī)關(guān)于船員艙室設(shè)備的要求，因此本船僅按照航行時間小于12 h進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。

4.5" "防火結(jié)構(gòu)分隔設(shè)計(jì)

燃料艙位于開敞甲板，面向燃料艙的起居處所、服務(wù)處所、控制站、脫險通道和機(jī)器處所的界限面應(yīng)采用A-60級防火分隔。

由于本船LNG儲罐布置于船員甲板上，且LNG儲罐高于頂蓬甲板和煙囪，此處頂蓬甲板和煙囪后壁面也應(yīng)認(rèn)為是面向燃料艙的限界面，應(yīng)采用A-60級防火分隔。LNG儲罐和加注站布置寬度大于其前甲板室，為了避免甲板室側(cè)壁作為界限面而采用A-60級防火分隔，在甲板室后端壁向兩舷邊界處設(shè)置隔離墻，隔離墻采用A-0級防火分隔，如圖3、圖4所示。

4.6" 危險區(qū)域劃分

LNG燃料動力船舶危險區(qū)域按規(guī)定劃分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。基于LNG動力船舶的安全性，在滿足船舶功能的情況下危險區(qū)域宜盡量小。在設(shè)計(jì)過程中將危險區(qū)域的開口盡量聚集布置，這樣可以讓以開口為中心所劃分的危險區(qū)域有較多重合，總體上不會增加太多危險區(qū)域。但是在聚集布置時，還應(yīng)注意壓力釋放閥透氣口應(yīng)距離非危險區(qū)域通風(fēng)口、煙囪排煙口至少5 m，機(jī)艙通風(fēng)口應(yīng)距離危險區(qū)域至少1.5 m，氣體危險區(qū)域的通風(fēng)進(jìn)口應(yīng)布置在非危險區(qū)域。同時為了避免非危險區(qū)域的出入口直接通向危險區(qū)域，在船員甲板設(shè)置隔離墻，改造船危險區(qū)域劃分見圖5。

4.7" "LNG儲罐基座強(qiáng)度分析

為確保LNG儲罐基座與其甲板下支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，本船采用局部三維有限元模型進(jìn)行校核，模型范圍為：長度方向由尾～8號肋位橫艙壁；寬度方向?yàn)閺挠蚁现磷笙希桓叨确较驈闹骷装逯羶藁ＤＰ筒捎昧簡卧M甲板橫梁、強(qiáng)橫梁縱桁面板、艙壁扶強(qiáng)材；采用板單元模擬甲板、艙壁、基座腹板、面板及肘板，LNG儲罐采用MPC與基座剛性連接，模型邊界條件采用剛性約束。根據(jù)《船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范》（2021），在模型上施加重力載荷、船舶運(yùn)動引起的載荷、靜橫傾載荷、碰撞載荷、風(fēng)載荷、船舶浸水產(chǎn)生的載荷等，校核了12種載荷組合工況。

根據(jù)規(guī)范要求，基座及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力見表3。

各種工況下，各評估區(qū)域的最大應(yīng)力匯總見表4，LNG燃料罐基座及船體支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4.8" "完整穩(wěn)性

本船改造后完整穩(wěn)性應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行新法規(guī)進(jìn)行校核。相對于2007年法規(guī)，現(xiàn)行法規(guī)對于穩(wěn)性校核衡準(zhǔn)有一定提升。原船取機(jī)艙通道門檻為進(jìn)水點(diǎn)，進(jìn)水點(diǎn)高度為5.912 m，而按照現(xiàn)行法規(guī)的要求，進(jìn)水點(diǎn)的門檻高度只能算0.2 m（不按實(shí)際門檻高度），進(jìn)水點(diǎn)高度相應(yīng)降低為5.727 m，會對本船的穩(wěn)性造成一定影響。

表5為原船滿載160 TEU裝載工況按照新舊法規(guī)完整穩(wěn)性校核情況的對比。由表5可以看出，根據(jù)現(xiàn)行法規(guī)的要求計(jì)算穩(wěn)性，原船最大復(fù)原力臂對應(yīng)橫傾角、復(fù)原力臂曲線面積、風(fēng)壓穩(wěn)性衡準(zhǔn)都有不同程度的下降。特別是最大復(fù)原力臂對應(yīng)橫傾角在出港狀態(tài)下已無法滿足現(xiàn)行法規(guī)的要求，到港狀態(tài)下穩(wěn)性裕度也較小。考慮到本船改裝后空船重量增加，重心高度提高，為了保證改造后穩(wěn)性能夠滿足要求，本船最終采用減少載貨量的方法來保證穩(wěn)性要求，其中調(diào)整散貨載貨量由3 048 t減少到3 034 t，集裝箱載貨量由3048 t減少到2913 t，最大裝箱數(shù)保持不變，裝載散貨設(shè)計(jì)吃水保持4.2 m不變，裝載集裝箱設(shè)計(jì)吃水由4.2 m調(diào)整為4.08 m。

5" " "結(jié)語

本文簡要介紹了69.8 m多用途貨船LNG動力改造設(shè)計(jì)及其相關(guān)技術(shù)問題的解決方法。該型船已順利交付，經(jīng)航行試驗(yàn)測試，各項(xiàng)系統(tǒng)運(yùn)行良好，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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