1 000 m3LNG燃料加注船总体布置设计

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(中海油能源发展采油服务公司,天津 300457)

目前，LNG燃料加注主要有槽罐车加注、岸基加注、船基加注等方式。专用LNG加注船以其方便灵活、投资节省、极少占用码头资源等众多优势成为一个有很强竞争力的LNG产业装备选择。目前，国内外尚无专用的水上LNG加注船，关于LNG加注船的研究处于起步阶段。本项目拟研究开发一种江海直达LNG燃料加注船(1 000 m3)船型。

1 总体设计概述

江海直达LNG燃料加注船开发设计主要是在江海直达型船型基础上，从长江船舶通航条件的限制出发开展设计思路，其次考虑LNG加注船舶技术可行性，同时兼顾船舶营运经济性。

江海直达LNG燃料加注船属于中小型LNG船，中小型LNG船的设计、建造、营运经验已在挪威、日本等国家成熟运用，但国内开发中小型尤其是进江LNG运输船还属前沿船型，要求其不仅具有江海直达船型特点，还要符合液化气体船相关法规规范。

2 主尺度设计依据

2.1 航区对主尺度的限制

小型LNG加注船作业范围较广，除了能服务于我国沿海渤海湾区域还能服务于长江中下游水域。

根据我国渤海海湾深度资料以及长江中下游航道资料，可以看出大多数航道水深均在5.5 m以上，所以在此区域作业航行的小型LNG加注船吃水可选择在4～5 m，若还考虑在枯水季进江，则可相应减轻装载量以适应更多航道。在我国大力推行疏浚工程的大环境下，长江枯水季及航道浅的问题在将来都会得到改善，在此水域航行的小型LNG加注船的吃水设计也可有较大选择范围，不局限于浅吃水船型。

考虑到小型LNG加注船的加注对象多为中小型LNG动力船舶，加注作业航区广阔，则加注船需要具备良好的快速性和机动性，因此航速应为11～13 kn。

2.2 主尺度要素

船舶主要尺度选取原则一般如下[1]。

1)船长(L)。对常规船舶的重量、造价等经济指标影响最大。对于LNG加注船，垂线间长主要包括机舱、艏艉尾段和液货舱的长度，其中液货舱的长度一般占船长的60%以上。并且液货舱长度和布置需满足IGC规则第3章规定的液罐和舱壁之间各种通道尺寸要求，因此液罐的长度和直径是决定船长的关键。

2)船宽(B)。主要取决于液罐的直径和液罐与船体之间的横向间隙。液罐的尺寸是决定船长和船宽的主要因素。在总容积一定的前提下，罐体直径越大，其长度越小。可以根据船舶尺度和罐体尺度互做调整以求得最佳船型尺度。

3)型深(D)。对于LNG加注船，型深的设计主要考虑干舷对加注作业的影响，即考虑与受注船系泊时的加注高度差，应确定受注船干舷的大致范围，继而选择相应加注船最佳型深，以方便加注作业的方便安全。型深对船舶结构重量的影响很小，对货罐尺寸的确定影响也不大。在计算中，我们可以假定固定值，其结果不受影响。

4)吃水(T)。考虑到LNG加注船运输单一货品，船舶仅设设计吃水，不设结构吃水。设计吃水的选择主要受到航行区域及码头水域的限制，仅从设计角度出发选择较大的吃水有利于船舶的快速性；但是更大的吃水对应Cb会更小，不利于液货罐的布置。因此设计吃水的选择应适中。

2.3 船型尺度要素

1)方形系数(Cb)。由于LNG 船舶通常是项目船舶，定点、定线、定港和按计划运输(即点对点运输)，快速性是船舶性能指标之一。小型LNG加注船的弗劳德数约在0.2以上，即属于中速船范畴，按照经验公式和回归曲线，Cb取0.7左右较为合适。并且在此弗劳德数下，船舶总阻力中兴波阻力所占份额较大，船舶线型宜设置球鼻艏以改善兴波。

2)浮心位置(Lcb)。最佳方法是参照型船尺度，若无型船则需要先大致确定空船及装载的重量重心位置，反复计算调节浮态，得到设计船的最佳浮心位置。对于小型LNG加注船，因快速性要求，船型较瘦，浮心位置可能较为靠后，需要调节布置和浮态的综合需要，以求得最佳浮心位置。

3 总布置设计要点

总布置设计主要以满足IGC规则对LNG罐与围敝的间距[2-3]、稳性计算要求和检验通道危险区域的要求等为原则，在设计之初就设定限制，以确保后续总体设计的合理性。

3.1 加注区布置

3.1.1 货舱形式

目前，在大型的LNG运输船上使用的货舱形式多为薄膜型(GTT No.96和GTT MarkIII)，还有少量的Moss型和SPB型。此类货舱型式目前只应用在舱容在50 000 m3以上的大型的LNG运输船上，小型运输船还没有使用记录。目前已有的小型LNG运输船上均使用C型货舱。

3.1.2 LNG液化气罐的舱容确定

1)受注船舶LNG储罐。1 000 m3LNG加注船服务于江海直达航区，其主要服务对象为行驶于国内沿海及进江水域的港口、码头及锚地停泊的中小型LNG动力船舶——包括纯LNG动力船舶和经过动力改装后的混合燃料动力船舶。受注船的LNG储罐容量约为50～300 m3。本加注船暂不考虑服务于大型或超大型LNG动力船舶。

2)续航力与自持力。综合考虑江海直达LNG加注船的作业区域与服务范围，在保障LNG燃料加注作业安全、可靠、灵活、高效的前提下，对船舶的续航力和自持力不做指令性要求。

经初步估算，本LNG加注船的配备一个1 000 m3容量的独立C型LNG液货罐，能够满足现阶段及未来较长一段时期内我国国内沿海及进江水域中小型LNG动力船舶的燃料补给服务需求。本船还设置约500 m3MDO存贮舱，可提供对外的燃油补给。

另外，货罐的尺度对船舶主尺度的选取起着决定性的作用，反之，船舶主尺度又影响着货罐的尺寸，两者相互制约，相互影响，货罐尺度的选取要与船型尺度达到完美匹配。

3.1.3 液货及加注系统布置

液货系统主要包括：液罐及气室，集管区，液货管系和阀件，液货泵，蒸发气压缩系统(BOG)，燃气系统，燃气泵，燃气蒸发器，水/乙二醇(WG)系统， 安全装置，氮气发生装置与空气干燥器，电气设备，透气系统，专用液货监控等安全装置，控制空气系统等[4]。

总布置设计时，需对上述设备进行布置，并充分考虑各设备系统的空间需求。

1)液罐的位置要与船体线型相适应，保证与围敝的规范间距，气室的布置要考虑其对周围布置处所危险区域的影响。另外，液罐还需配备透气阀，用于液罐内的气体及罐内管道内的气体的透气。

2)对于使用软管加注的小型加注船，集管区布置液相集管和气相集管，集管口与软管要布置在软管吊臂幅范围内，在集管附近布置槽柜存放软管，并需保证软管的起吊安装方便安全。集管输出接口需布置集液盘，并要进行绝缘处理。

3)液货泵一般使用潜液泵布置在液罐内，其电动机布置在气室内。LNG液货泵是加注系统的关键性设备，输送LNG类易燃介质的低温泵，不仅要具备一般低温液体泵的要求，而且对泵的密封性能和防爆性能要求很高。

4)蒸发气压缩系统(BOG)和燃气蒸发器及水/乙二醇系统(WG)一般布置在液货舱上方，需根据设备大小布置舱室。

5)布置专用液货装卸加注控制室，舱室大小要充分考虑各监测、安全控制设备的布置需要。

6)其它设备系统的布置除了满足规范要求外，还要尽量紧凑合理。

3.1.4 作业方式考虑

1)加注臂式优点是操作简单方便，缺点是对受注船的干舷高度有所限制；

2)加注软管优点是对受注船干舷高度无限制，加注操作灵活，缺点是需要专业操作人员及加配软管吊，见图1。

图1 加注方式

加注方式主要由受注对象决定，如果受注船类型固定，干舷高度差别不大，则可选择加注臂方式；若考虑受注船类型多样，干舷高度有较大差别，则选用加注软管配合软管吊较为合适。

3.2 舱室划分

根据上述总体设计依据可以初步确定小型LNG加注船的主要尺度，然后根据主尺度进行舱室划分。

小型LNG加注船沿船长方向一般划分为5个水密区域，分别为艏尖舱，艏侧推舱，LNG罐舱，机舱和艉尖舱，并设置艏楼和艉楼，船艉布置上层建筑和机舱。加注船的LNG加注口及加注软管折臂吊或加注臂的布置区域根据受注船的加注口位置来确定。因为小型LNG加注船要考虑破舱稳性的要求，一般边舱较大，LNG罐舱两舷除了布置压载水舱，根据需要还可布置燃料油舱，进而增加燃料油加注的功能，当然相关设备也需要另行配置。此后，还要进行线型、舱容、总布置及稳性的校核计算。

3.3 推进系统

LNG加注船由于其运载货物和提供服务的特殊性质，在选择推进系统时，应考虑货物自然蒸发气(BOG)的处理和利用[5]。

1 000 m3LNG加注船属于小型LNG运输船舶一类，可选择的推进系统如下。

1)常规内燃机(HFO)。

2)双燃料内燃机机械推进(DFM)。

3)双燃料内燃机电力推进(DFDE)。

4)气体机常规机械推进。

对于小型LNG船而言还存在一个为大家公认的占有绝对优势的推进系统方案。因此，在型船设计中，应该根据实际使用需求进行选型认证。

从LNG燃料动力船发展的角度来看，选择双燃料或气体燃料主机配合舵桨是未来的趋势，并且可使用国产设备，大大降低造价，这也使得小型LNG加注船的灵活高效环保等优点更为突出。

3.4 其它设计要素的考虑

3.4.1 泊位水深及码头设施

各终端小型LNG船码头泊位水深均能满足1 000 m3LNG加注船靠泊需要。

本船吃水较小，所以目前各终端小型LNG船码头泊位水深均应能满足本船靠泊需要，还应考虑到岸站LNG罐压力和船上货舱压力配合问题、船上液货泵压头、装卸货速率、靠墩贴合度、登船梯、卸料软管和吊机等均需要满足小型LNG运输船靠泊安全。

3.4.2 船舶安全航行

大风浪天气影响船舶安全航行的因素，主要是艏部拍击、上浪、突风横摇，如何减小这些因素的影响是保障大风浪天气船舶航行安全的关键。

激烈的艏部拍击对船体的冲击力极大，能够导致船体的拱垂作用，对船体构件造成危害，因此设计合理的艏部线型、足够的总纵强度是减少这种危害的有效手段。本船水线以下采用介于U形和V形的艏部线型，未设明显的球鼻；这些举措都将有利于减小纵摇、垂荡和艏部的相对位移，有利于减轻艏部拍击。

本船水线以上设置了外飘及折角，而且由于具有较大的船艏干舷，这都将大大减少甲板上浪及淹湿的可能性。

另外，需根据规范计算校核完整稳性和破舱稳性。

3.4.3 结构强度

1 000m3LNG加注船须频繁地进行靠泊加注作业，故船体相关部分的结构应予适当加强。但在结构设计中应进行结构优化，除尽量减轻结构重量外，还可适当采用部分高强度钢以减小空船重量，优化船舶主尺度。

本船从安全性方面考虑，船体采用双壳结构，罐体距离舷侧较远，在遭受侧面的碰撞时，罐体可以得到更好的保护，将罐体破损的可能性降到最低。中小型LNG船须频繁地靠泊作业，舷侧结构会经常遭受外力冲击，船舶舷侧结构的合理布置显得尤为重要。如有必要，可进行船舶碰撞模拟试验，以优化舷侧结构布置和增加船舷板厚度考虑，确保船舶安全性。此外，在结构设计中应进行结构优化，除尽量减轻结构重量外，还可适当采用部分高强度钢以减小空船重量，优化船舶主尺度。

3.4.4 货物装卸速率

尽量减少在港装卸时间，货泵系统配置应能保证12 h内装卸完毕。

3.4.5 救生、消防及其它安全设备

船舶检查报告系统(SIRE)，主要是船舶运营管理的要求，设计上已满足其要求，其旨在对船员值班、检查、设备的保养、维护和使用等方面的日常工作规范化。设计中应与船东的管理模式相结合，将在符合规范要求的基础上尽量满足船东运营管理上的需求。

3.4.6 天然气为船用燃料的相关法规

使用天然气作为船舶燃料，国际海事组织(IMO)在2005年就已经颁布了相应的法规，比如：国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则(IGC code)；2009年6月，海事安全委员会(MSC)制定了气体燃料指南(IGF code)。

各主要船级社已经制定了针对以气体作为燃料的船舶的专门规范，比如中国船级社在2008年根据国际公约制定了《气体燃料动力船检验指南》，2013年9月中国船级社正式发布了《天然气燃料动力船规范》，对相关船舶有明确规范标准。

4 结束语

LNG燃料加注船的研发设计为LNG加注终端提供了多样化便捷性的途径，并填补了我国此类船型的空白。在更多船型以LNG作为船舶燃料以及国家对节能减排项目的大力支持倡导的趋势下，LNG燃料加注船的开发能够引导和促进LNG船舶燃料消费市场的发展，顺应船舶节能减排的全球化趋势。

[1] 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册总体分册[M].北京：国防工业出版社，1998.

[2] 中国船级社.天然气燃料动力船规范[S].北京，2013.

[3] 中国船级社.散装运输液化气体船舶构造与设备规范[S].北京:人民交通出版社，2005.

[4] 顾安忠.液化天然气技术手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

[5] 林建辉，陆 晟. 小型LNG船推进方案综述[J] .船舶与海洋工程，2012,(3)：52-55.