90 m LNG加注趸船的开发设计

田 杰

（上海航盛船舶设计有限公司，上海 200023）

0 引言

长期以来，内河船舶污染物排放日益严重，每年的排放总量约为1×106t左右，所排放的污染物主要包括碳化物、硫化物和氮化物。这不仅污染空气，并还引起油污泄漏、污染水面等诸多问题[1-3]。随着人们对环境问题的日益关注，传统发动机的污染物排放逐渐成为焦点。一种替代传统燃料的新能源在呼声中应运而生—LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然气）燃料，它是目前世界上公认的较理想替代柴油的燃料。

近年来，国内相关政策和规范的出台。为了加快推进治理长江的污染，达到“绿色长江、环保长江”的目的，将现有以柴油为燃料的船舶改为以LNG为燃料的规划（简称“油改气”）正在加快推进。我国长江一带的地形具有地貌复杂、潮汐变化大等特点。因此，如何给“油改气”的船舶进行加注是内河加注LNG的一大难题，为了解决这一难题，上海航盛船舶设计有限公司（以下简称“公司”）根据船东的要求，在进行大量调研的基础上，分析了目前国内现有试点设计及常规设计加注趸船存在的一些问题及不足之处，从而开发设计出一艘全国首制完全按照现有规范设计、同时满足加注燃料油和加注LNG的新型LNG加注趸船。

1 船舶概况

1.1 主尺度要素

LNG加注趸船（以下简称“本船”）为钢质、局部双层底和双舷侧、单甲板船，满足内河A级航区要求。本船的主尺度要素如表1所示。

船舶停靠在长江流域岸边，主要用于给其它内河中小型船舶加注LNG燃料和燃油。

本船由锚链固定在岸边水域，船上设有值班人员、办公及生活设施。

表1 主尺度要素表

1.2 主要功能

LNG加注趸船的主要功能如下：

1）LNG燃料。

2）向往来船舶供给燃油。

3）预留LNG加注趸船对岸上槽车加注改造的接口。

4）预留LNG运输船（或LNG加注船）借助LNG加注趸船对岸罐加注改造的接口。

1.3 动力配置

本船主要电源装置包括：1台气体发电机（即1号辅助发电机）、1台柴油发电机（即2号辅助发电机）、若干不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）、1组蓄电池以及1台主照明变压器等。

本船以岸电作为主电源，岸电应可以满足加注趸船在对外加注、补给、制氮等工况下，所有用电设备的用电要求。

1号辅发电机在储罐压力高时，可以处理蒸发气，将蒸发气作为燃料利用，且当1号辅发电机主开关分闸后，岸电开关可自动合闸，以保证可连续供电。

本船以蓄电池为应急电源，当岸电失电后，自动转换为蓄电池供电。另外，2号辅发电机可以在岸电和气体发电机同时故障的情况下，满足重要风机、照明、报警、仪表、电磁阀及无线电等设备的用电需求，以提高船舶电源的可靠性。

岸上LNG罐车卸车站也由船上电源供电，以便集中管理与控制。

2 主要特点

本船主要特点如下：

1）本船是国内首艘根据中国船级社2014年3月1日正式发布生效后的规范《液化天然气燃料水上加注趸船入级与建造规范（2014）》进行设计建造的LNG加注趸船。

2）同时也是国内首艘采纳中国船级社“全容罐”理念设计建造的LNG加注趸船。本船采用双层不锈钢LNG罐体、LNG下出液带冷箱的形式。其储罐为本质安全型式，摒弃了以往建造LNG加注趸船时采用的拦蓄区形式，大大提高了安全性和可靠性。

3）本船是国内首艘能够同时满足加油与加注LNG功能，且油舱容积超过2 000 m3的加注趸船。相比以往建造的缺少船舶加油能力或仅百来方油舱容积用于加油的同尺寸LNG加注趸船，其加注功能大大增强。

4）考虑将来小型进江LNG运输船靠泊并对趸船储罐充装，而专门设计的LNG加注趸船。该设计方案对LNG运输船与加注趸船的系泊形式、LNG接口布置区域及对接形式也都进行了专门系统的研究并预留了完整的改造接口。

5）考虑将来小型LNG运输船对趸船储罐加注后，设计出的趸船能给岸上槽车进行逆向输送补给，从而实现LNG通过海运进江，并向内陆输送LNG上岸的一体化运输体系。

6）在设计过程中，摒弃了陆用储罐的尺寸，且根据船型合理地设计出了尺寸满足本船诸多功能的LNG真空储罐，并对舱室布置进行了多方面优化，节省了船舶的利用空间。

7）加注趸船上配置了专门的纯气体发电机，可利用储罐的蒸发气作为燃料，相比柴油燃料要清洁环保，又避免了天然气排至大气中造成温室效应，具有较好的经济性。

8）趸船上仅设置1台LNG加注臂，将液相和气相输送管道布置在一台臂上，大大提高了操作灵活性、安全性及可靠性，经济性也十分显著。

3 主要设备和系统设计

3.1 储罐

储罐的选择直接影响到船型的设计，根据CCS规范的要求，储罐可以采用如下形式[4]：

1）上出液（最高液面以下无出液口）＋内壳不锈钢＋外壳普通碳钢，可不设围堰。

2）下出液（最高液面以下有出液口）＋内、外壳不锈钢+冷箱，可不设围堰。

3）下出液（最高液面以下有出液口）＋内壳不锈钢＋外壳普通碳钢，需设围堰。

本船选用真空绝热C型独立储罐，储罐采用下出液＋内、外壳不锈钢＋冷箱的形式，此设计有别于其它在建或已建好的试点LNG加注趸船。此种形式的储罐将大大提高其安全性和可靠性，而设置冷箱则可以避免LNG泄漏对船体造成的损害。

与储罐厂家进行多次沟通后，公司对储罐的尺寸进行了优化，最终确定将试点的注趸船上通常采用的储罐尺寸F3.7 m×25 m改为4.3 m×18 m。同时，储罐容积是按照规范中最大容积2×250 m3来设计的，此储罐的设计具有如下优点：

1）便于总体布置，增加油舱容积。

2）大大提高储罐的安全性和可靠性。

3）实现储罐形式的多样化，降低了储罐成本，有利于LNG在船舶领域的应用和推广。

3.2 LNG加注臂

LNG加注臂是船上用于装卸LNG的特殊设备。在LNG燃料船停泊在码头对LNG进行装卸时，由于风浪、水流、涨潮（或落潮）等因素的影响，LNG燃料船和码头之间会有相对的落差和位移。LNG加注臂就是为了适应这种工作条件的特殊连接装置，它能自动根据LNG燃料船的漂移作出相应的位移补偿，并允许LNG燃料船和码头之间存在在一定幅度范围内的相对运动。本船加注臂的选择不仅考虑需适用于各种不同的船型，同时也要关注到它使用的方便性和可靠性，并需具有良好的经济性。以往试点的LNG加注趸船，基本都是采用2台LNG加注臂：一台是液相输送加注臂；另一台是气相输送加注臂。其成本比较昂贵，操作也不够灵活。考虑到加注臂的难点主要在臂上，只要能满足一定的环境条件和使用要求，完全可以将液相和气相输送管道布置在同一台臂上，这样加注臂作业时操作将更加灵活、可靠性，其安全性也将得到提高，同时还能够节省船舶的成本。故提出仅设置1台LNG加注臂的方案，且该方案也得到生产厂家的认可。

在进行LNG加注臂的选用时，应尽可能地考虑到对不同船型的适用程度，而目前主要考虑的对象为拟进行双燃料改造的1 000 t～6 000 t的船型或1 000 t级的双燃料货船。综合目前的船舶类型，储罐一般布置在船的尾部，故将储罐布置在尾楼，其LNG加注臂的参数选用如下（见图1）。

1）以趸船甲板面为基准面，加注臂高度的活动范围为-0.5 m～9.0 m。

2）船舶横向活动范围约2 m，外漂移范围1 m。

3）船舶纵向活动范围约-1 m～1 m。

3.3 控制系统

本船LNG监控系统的组成分为视频监控系统、收费管理系统、气体燃料发动机电控系统、LNG控制系统和全船监测报警系统。其中，由于本船具有对外加油和加注LNG这2种功能，所以收费管理系统分为发油控制系统和加注LNG控制系统。同时，由于船岸连接的栈桥坡度和强度有所限制，LNG罐车不上船，则将LNG控制系统相应分为船、岸2个部分：岸上即为LNG罐车卸车站监控系统，用于监控LNG罐车卸车站的设备和LNG罐车；而LNG加注趸船上的LNG控制系统又分为液货监控系统、安保系统，用于监控趸船上的所有LNG设备。由于船、岸之间距离比较远，为避免信号的衰减和干扰，船、岸LNG控制系统之间需通过光纤进行通讯连接。

3.4 定位锚泊系统

本船选用6锚进行锚泊定位，首尾各配3只定位锚，选用直径为46 mm的锚链6根，锚重为4 050 kg的斯贝克锚。

定位锚泊系统由锚链、锚、绞盘、铸钢闸刀掣链器等组成，锚链连接锚与趸船。

当趸船遇到水位落差较大时，采用绞盘来调整水中锚链的松紧程度。

图1 LNG加注臂作业范围示意图（单位：mm）

3.5 消防系统

本船根据规范及船东要求，消防系统[5]配备如下：

1）水灭火系统。机舱内消防泵从船舶两舷的江水门吸水，供水给全船消防用水、甲板冲洗用水等。机舱内设有2个消防栓，并配备消防水龙带箱。主甲板和居住甲板均设有一定数量的消防栓和消防水龙带箱。

2）水雾系统。机舱内的2台水雾泵，从江水门吸水供水至储罐布置区域，并在储罐上方设置了水雾喷头，用于冷却、防火以及船员防护。

3）细水雾系统。设置在机舱内的高压水雾泵从淡水舱吸水，通过布置在储罐顶部的高压细水雾管路及细水雾喷头，喷洒在储罐顶部，用于冷却、防火及除静电。

4）水幕系统。在LNG加注区设置了水幕系统，水幕的高度至少为3 m，且不影响系缆和加注作业。

5）干粉灭火系统。在主甲板FR72及FR135区域各设置1套干粉炮，并在储罐中间区域设置2套干粉枪，用于扑灭气罐区、LNG加注作业区域的火灾。

6）固定式CO2灭火系统。在机舱设置了一套固定式CO2灭火系统，并在主甲板单独设置了CO2室。

7）泡沫灭火系统。在二层甲板上前端处设置2支泡沫枪，并在油舱区域设置4支泡沫枪，泡沫枪能将泡沫喷射到货油舱甲板区域的任何地方。在主甲板上设泡沫间，且存放一只约1 m3的泡沫原液罐，用于扑灭油舱区域、油舱加油作业区域的火灾。

3.6 电气安全系统

LNG加注趸船设计的各个方面都要考虑安全问题，图2为保证LNG加注趸安全运营所采取的一系列安全措施。每一个保护层都包括一组设备或人工的操作，保护层[6]是按照当装置发生故障时所采取的操作顺序设计的（见图2）。

在最内层，工艺设计对自身提供了第一层保护，工艺过程本质安全设计是本船工艺设计所秉承的一个理念。

随后两层是由基本过程控制系统（Basic Process Control System，BPCS），以及报警和运行监控或干预组成的。产生一个报警意味着有一个测量环节超出了其特定的测量范围，且需要进行检查。

图2 电气安全系统保护示意图

第四层是ESD（Emergency Shutdown Device，安全保护系统），是一种自动安全保护系统。它是保证正常生产和人身、设备安全的必不可少的措施，在自身和BPCS层不能处理所出现的紧急情况时，ESD能够自动采取正确的操作。

LNG储罐的外层设计以不锈钢作为物理保护，以防内层泄漏对船体造成损害。当出现极其严重的事故时，就会启动最后一种手段，即社会紧急情况响应，利用安全屏障和储存泄漏液体的外层不锈钢对紧急情况进行处理，并通知社会公众。

多层保护系统的功能可以总结如下：本船大多数故障可以被限制在第一或者第二保护层内；中间层是防止严重事故的；最外一层是当发生极其严重的事故时，用以减轻责任的。

4 结束语

本船是国内首制完全按照中国船级社2014年3月1日正式发布生效后的《液化天然气燃料水上加注趸船入级与建造规范（2014）》进行设计建造的LNG加注趸船。在其设计过程中，力求理论与实际相结合，尽可能地将当今新的设计理念及创新技术融合于一体，使本船具有较好的安全性、可靠性、适用性和先进性，满足了规范和市场的实际需求。本船于2016年初建成后顺利交付，运营2年多，各项性能指标完好，且达到预期效果，得到了船东的认可与赞美。