新型冰区双燃料平台供应船的设计研发

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(中远船务工程集团有限公司， 辽宁 大连 116600)

新型冰区双燃料平台供应船的设计研发

朱光伟，曹凯，李连亮，庞子华

(中远船务工程集团有限公司，辽宁大连116600)

简要介绍平台供应船的功能特点，并结合市场需求和分析，研发一款新型平台供应船，该船采用LNG双燃料清洁能源技术，满足波罗的海ICE-1A冰区加强要求，其特点是：具有较大甲板面积和溢油回收功能，生活区配备水下机器人机库，具备救助功能和DP 2动力定位能力，满足SPS Code法规，是一型具备双燃料功能和冰区作业能力的多功能平台供应船。

平台供应船；冰区；双燃料；动力定位

0 引 言

随着科学技术进步和人类对海洋石油资源认知水平的不断提高，海洋油气勘探开发已经从浅海扩大到深水、超深水海域甚至纬度很高的冰区海域。深水和冰区海域的油气开发正在成为石油工业主要增长点和科技创新前沿。海洋平台供应船作为海洋石油勘探开发的必备装备，肩负海上“石油城”和后勤基地的运输重任，对海上“石油城”的发展和安全，具有举足轻重的作用。海上油气钻采设施作为独立的水上工程，在远离大陆的海上作业时，需要外界定期的支持，主要包括：对海上油气平台进行守护、拖曳、消防、营救、运输物资设备(舱内可以装载运输散装水泥、盐水、泥浆、燃油、淡水、化学品等物资，甲板可以装载钻井管、钻井工具、脚手架、化学品、食物和维护设备等)，对油船进行拖带、顶推，进行海面溢油回收和消除油污。

随着海洋石油勘探开发活动在冰区海域中日益活跃，国际海事组织、船级社以及各国政府不断提高海上安全、环保要求，大量过去建造的平台供应船(Platform Supply Vessed, PSV)无法继续满足现代海上作业的需要而逐步退出海上石油开发服务市场，给新型PSV研发建造带来广阔的市场前景。本文介绍的冰区双燃料PSV是中远船务结合市场需求研发的，采用LNG双燃料清洁能源技术，可满足波罗的海ICE 1A冰区[1]加强要求，具有较大甲板面积、载货量大且载货种类齐全，有溢油回收功能，生活区后部配备水下机器人机库，具备救助功能和DP 2动力定位系统，满足SPS Code[2]法规，是一型具备双燃料功能和冰区作业能力的多功能PSV。

1 船型主要参数与对比分析

目前， PSV市场面临运力过剩的问题，随着石油公司对船型及运力的要求不断升级，中大型PSV的需求将逐渐攀升。冰区双燃料PSV研发初期，通过分析比较中远船务在建的主流PSV船型，初步确定船型主参数，见表1。可以看出：冰区双燃料PSV的主要参数达到主流中型PSV的水平。

表1 几种PSV船型主参数对比表

2 总体布置

图1 冰区双燃料PSV模型

冰区双燃料PSV采用PSV的普遍设计，如图1所示：设有长艏楼、平甲板、无机舱棚，紧凑的驾驶室和船员舱室设在艏部，烟囱和机舱通风口紧靠艏楼后端直接从艏楼穿过。 长艏楼下从艉至艏设置机舱、艏部推进器舱和艏部压载舱。机舱左右舷对称布置4台1 480 kW的双燃料主机。艏楼后宽敞的载货甲板区域为海上甲板货物的装卸和救助遇难人员提供了空间，在船右舷靠近中部配备75 t重型吊车，可装卸大型货物。载货甲板下布置有各种液货舱和LNG燃料罐舱，从船艉至船艏分别为艉部压载舱区、艉推进器舱区、减摇水舱和特殊货物舱区、散料罐舱区、泥浆/盐水舱/燃油舱和LNG燃料罐舱区。艏部设有1台导管艏侧推和1台可伸缩推进器，艉部设有2台全回转推进器和用于实现推进功能的DP 2动力定位系统。

该船艏部上层建筑共5层, 可为60人提供居住舱室，其中20人为船员、40人为特种工作人员。舱室尽可能地布置在舷侧，保证每个房间都有窗户，可以自然采光。为保证驾驶室前后有良好的视野，在符合船级社对结构强度要求和室内布置的情况下，前后端的窗户尺寸都尽可能大并前后倾斜。对于平台供应船，美国船级社规范要求驾驶室后面也应提供2个视野清晰的窗户。考虑到营救的便利性，营救区域设置在上层建筑主甲板所在层。考虑防寒要求，救生艇布置在两端舷侧半遮蔽的区域，艏部系泊布置在艏楼前的封闭区域，在上层建筑后部还配备水下机器人机库。

3 主要设计特点

冰区双燃料PSV最大的设计特点为适合冰区航行，采用LNG双燃料清洁能源技术，功能较全、操作化程度高，是一种典型的高技术高附加值船舶。

3.1 线型设计

船舶线型设计是关系到船舶总体性能的关键项目。冰区双燃料PSV的线型在充分考虑总布置、冰区航行要求的前提下，应用最新的全参数化建模技术，基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)的方法进行多轮的优化循环，有效地降低船舶航行时受到的兴波阻力，并通过对尾部型线的优化，改善船身效率，提升船舶的快速性能。同时在多轮的型线优化过程中，总结形成具有中远船务自主知识产权的新型多段式球鼻艏设计。

3.2 冰区加强结构设计

该型船舶符合波罗的海ICE 1A冰级[1]的要求，此符号要求船舶有能力在高冰情海况下行驶，其遭遇冰载荷冰层厚度不超过0.8 m，载荷作用高度设计值为0.3 m。对于冰区航行船舶的设计，首先要确定其舷侧结构的冰带区域。沿船长方向根据不同区域遭受冰载荷强度的差异性确定划分范围，通常划分为艏部区域、中部区域和艉部区域。垂向范围则为船舶舷侧结构可能遭遇冰载荷的区域一般利用高位冰区水线(Upper Ice Water Line, UIWL)与低位冰区水线(Lower Ice Water Line, LIWL)界定[3]，二者分别为船舶在冰区航行时预定水线最高点与最低点的包络线。美国船级社规范中分别针对板和骨材给出了相应区域延伸范围的要求，可初步确定冰带区域范围，考虑结合本船的特点(型深不高，主甲板距基线7 900 mm,内底板高度在1 000～1 450 mm范围内)，最终骨材结构冰带区域向上延伸至主甲板，向下延伸至内底板。冰带区域划分如图2所示。

图2 冰带区域划分示意图

冰带区域划分后，根据相关规范[4]计算方法，确定冰载荷，分别对船艏、中、艉冰带区域的设计冰压力值进行计算。根据船型总体和结构布置选取合适的结构形式，按照区域对结构进行规范校核。

3.3 LNG双燃料设计

LNG 作为清洁环保船用燃料，NOx的排放减少85%～90%，SOx和颗粒物质的排放与燃料油相比可减少几乎100%，CO2净排放量降低15%～20%。虽然LNG动力船型初始投资比传统燃料船型高出10%～20%，但随着排放控制区对SOx排放的强制限制、新船能效设计指数(Energy Efficiency Design Index， EEDI)的生效以及技术的改进和完善，双燃料发动机船型将逐步成为市场热点。

3.3.1 LNG储罐形式的选择及适用性

C型独立气罐[5]的主流形式如图3和图4所示，图3为双层真空绝热储罐，图4为单层外包绝缘储罐[6]。双层真空罐在以下3个方面具有优势：(1)在发生火灾时，双层真空罐的外壳为奥氏体不锈钢，耐火能力比绝缘材料强，双层不锈钢的防撞性能也优于单层罐。(2)单壳外包绝缘罐的接口全部在上部，需在主甲板上开孔，为罐上的穹顶留出空间，会影响载货甲板空间，而双层真空绝热罐的接口布置在下面，相关的阀门封闭在冷箱中，载货甲板空间不受影响。(3)双层真空罐燃料系统采用储罐蓄压的形式供给燃料，而单层罐燃料系统则需要增加LNG泵设备来供给燃料，从可靠性和成本方面看，双层真空罐更有优势。因此，中远船务研发的冰区双燃料PSV选用双层真空绝热储罐。

图3 双层真空绝热储罐 图4 单层外包绝缘储罐

3.3.2 LNG储罐的布置要求

罐舱的布置要考虑船舶碰撞或其他意外损坏和防火防爆等安全要求。储罐位置应在船舶遭到碰撞或者其他意外等外部伤害时，尽可能避免随之受到损坏。因此，气罐位置应尽可能靠近中线，同时还要保证气罐及其附件距离舷侧不少于B/5(B为船宽)或11.5 m,距离船底不少于B/15或2 m，都分别取较小值，并且在任何位置，距离船体外板不少于0.8 m[7]。气罐以及罐舱处所不应与机器处所和其他具有较大失火危险的处所相邻。对于双真空绝热C型气罐，若气罐外壳距舱壁比小于900 mm,则气罐处所可以作为隔离舱，单气罐布置在机器处所和其他可能产生火灾的危险区域上方的情况除外。

3.3.3 LNG燃气供应系统

LNG燃气供应系统主要由以下系统构成：LNG压力储罐，LNG加注站，燃气汽化和解热系统，水乙二醇加热系统，安全系统，管系和阀件，仪器仪表和控制系统。

3.4 防冰冻措施

船舶防冰冻措施流程如图5所示。

图5 防冰冻措施流程图

本船的目标作业区域为库页岛区域。库页岛位于黑龙江出海口的东部，气候寒冷，夏季短暂，冬季长达6个月，冬天的平均气温为-15℃～-20℃，北方地区气温最低可达-35℃。因此，最低温度定义为-35℃，设计温度为-15℃。船级符号为CCO(-15，-35)，船舶属于在冰区和低温环境下偶尔航行在非极地水域、季节性低温的环境下操作。针对船舶操作过程中各种可能的风险源，根据各个设备系统的特点，采取相应的防冰冻措施。主要措施如下：采用耐低温材料和设备；对设备进行罩盖保护；遮蔽处所保护；电伴热装置；除冰工具；人员保暖防护。

3.5 货物系统

货物系统是PSV的重要组成部分，主要负责向平台供应消耗品及原材料。在设计初期，根据船舶服务功能的不同，货物系统的配备会稍有差别。本研发项目参考中远船务在建或已交付的PSV项目，配备了燃油、淡水、泥浆、盐水、基油、钻井水、散料以及甲醇等货物系统。

甲醇系统主要用来装载、储存和输送甲醇溶液至海洋平台，它是用来调配泥浆的一种溶剂，具有高度吸水性，易与水相溶，能够抑制钻井隔水套管中气水化合物的形成。本项目在船艉布置2个独立的甲醇舱，每个舱容约为80 m3，结构材质选用不锈钢材料，甲醇舱周围用空舱隔开，装载甲醇时，在隔离空舱内注入淡水或者氮气将甲醇舱与安全区域隔离。甲醇舱内安装2台浸没式液压离心泵，容量为75 m3/h，压力为9 bar (1 bar=0.1 MPa)。2个甲醇舱通过1根主管与阀门联通，以实现2个泵互为备用的目的。在正常情况下，阀门处于关闭状态。同时为增加泵的扫舱能力，减少甲醇溶液舱残留，在泵的吸口处设置1个凹坑，用于收集舱内残留。在甲醇装载或卸货过程中会产生大量蒸汽，为减少船东后期维护成本，只在主甲板艉部设置2个装载站，为简化驳运管路的布置路径，将2个装载站均布置在船舶的右舷。甲醇舱的透气系统用于防止甲醇舱内的蒸汽压力过压或欠压，每个甲醇舱都应设置独立的透气系统，这样能够避免蒸汽聚集，防止其进入安全处所和可能发生火灾、爆炸的处所。

3.6 溢油回收系统

海上溢油事故是开发海洋过程中最典型、最严重的环境污染事故之一。为增强PSV功能，提高市场竞争力，本项目配备了溢油回收系统，其中溢油回收设备分为水上收油装置和船上油水分离装置2部分。当发生溢油事故时，可将溢油回收设备安装在甲板上，到达事故水域后，启动水上收油装置将水面溢油收到船上，然后经过船上油水分离器对其进行初步分离，最后排入溢油回收舱，待回收作业结束后，再将污油输送到岸上进行处理。

本文选取泥浆舱兼做溢油回收舱，用于储存回收的溢油，总舱容约为750 m3，在泥浆输送管路上设置管路接头，方便回收的溢油注入和排出。因为溢油回收设备是预装的，在作业结束后可拆除至岸上存放。这样既不影响甲板装载面积，又减少设备布置空间，最大限度地增加了溢油回收舱的容积。

3.7 生活区救助方案

生活区除了提供船员住宿设施之外还具备营救100人的功能。根据船级社规范营救人员一共分为3个等级：GR A_(320), GR B_(250)和GR C_(15)。第1类可营救超过300人，第2类可营救20人到300人不等，第3类可营救少于20人。本项目可营救100人，属于GR B级别。考虑到营救的便利性,营救区域设置在主甲板。从船舶实用性和经济性考虑，整个营救区域由清洗区域、接待区域、治疗区域、恢复休息区域和厕所等5个部分组成。营救区域布置如图6所示。

图6 营救区域布置图

3.8 动力定位系统

冰区双燃料PSV动力定位系统能够满足ABS规范要求的DP 2标准，要求有双套互备的动力定位系统。动力定位就是船舶或海上平台不借助于锚泊系统的作用，而利用自身准备的各类传感器测出船舶的实时运动状态和位置变化以及外界风力、波浪、海流等绕动力的大小和方向，并充分考虑冰区的影响。在完成复杂的实时计算后，控制船舶主、副推力装置产生适当的推力与力矩，以抵消绕动力，从而使船舶尽可能保持目标船位与艏向[8]。

4 结 语

本文首次实现双燃料清洁能源技术和冰区加强功能在PSV上的应用。在该船型的设计开发中，将PSV的常规功能和冰区双燃料特色功能结合，攻克冰区加强结构设计，LNG燃料罐及供应钻井平台原料舱在主甲板下的布置，生活区救助方案设计等技术难点。随着石油价格的逐步回升，海洋资源开发朝着冰冷水域进军和国际海事组织、船级社以及各国政府不断提高的环保排放要求，能够在冰区航行采用节能环保技术的多功能平台供应船将会越来越受船东青睐，中远船务研发的新型冰区双燃料PSV市场前景广阔，将为海洋工程装备服务市场提供一个新的选择。

[1] ABS. Offshore Support Vessel, Optional Items and Systems：OSV-PART 6 [S]. 2015.

[2] IMO. SPS Code-Code of Safety for Special Purpose Ships[S].2008.

[3] 中国船舶工业总公司. 船舶设计实用手册: 结构分册[M] 北京: 国防工业出版社，2000．

[4] Finnish-Swedish Ice Class Rules[S]. Finnish & Swedish Maritime Administration, 2010.

[5] 中国船级社. 散装运输液化气体船舶构造与设备规范[M].北京：人民交通出版社，2006.

[6] 吕志庆.小型LNG运输加气船双燃料动力系统研究 [J].船舶标准化工程师，2016,49(01)：73-76.

[7] 中国船级社.天然气燃料动力船舶规范[S]. 北京：人民交通出版社.2013.

[8] 何崇德.船舶动力定位系统的应用与实践[J].中国造船，2004(b12)：279-299.

DesignResearchandDevelopmentofNewIceClassDualFuelPSV

ZHU Guangwei, CAO Kai, LI Lianliang, PANG Zihua

(COSCO Shipyard Group Co.， Ltd., Dalian 116600， Liaoning， China)

The functions and characteristics of the Platform Supply Vessel(PSV) are introduced briefly. Combined with market demand and analysis, a new type of PSV is developed. It use LNG dual fuel clean energy technology, satisfied the Baltic Sea ICE-1A requirements. It's characteristics are: larger deck area and oil spill recovery function, living area equipped with underwater robot hangar, having rescue function and DP 2 dynamic positioning ability, and meeting SPS Code regulation. It is a multifunctional PSV with dual fuel function and ice operation capability.

Platform Supply Vessel (PSV); ice class; dual fuel; dynamic positioning

1001-4500(2017)06-0026-06

2016-06-23

朱光伟(1976-)，男，工程师

U674.38

A