V型无压载水小型LNG运输船设计研究

胡庆华, 刘建朔

(新奥能源控股有限公司，河北廊坊065001)

1 概述

船舶压载水是控制船舶横倾、纵倾、吃水、稳性或应力而加装到船上的水及悬浮物质，对于大多数空载状态下的船舶是必不可少的[1]。然而，由压载水引发的海洋污染、外来生物入侵，会给海域带来严重环境问题，还会引起寄生虫和病原体的传播。《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》(BWM公约)已于2017年9月8日生效，在制止入侵水生生物传播方面标志着一个里程碑，这就要求船舶安装压载水系统，且必须按照国际海事组织程序获得国家有关部门的认可，因此船舶的建造和运营成本将提高[2]。

此外，随着LNG市场的发展，LNG 物流逐渐呈现多样性，近年来对小型 LNG 运输船的需求逐渐增加[3]。目前全球4×104m3以下的LNG运输船数量已达到50艘，其中约有25艘在亚洲地区运营。据了解，目前在我国建造的小型LNG运输船有近10艘，船容积包括1.4×104m3、2.75×104m3和3×104m3等，液货舱均采用C型罐。

基于以上分析，对小型LNG运输船实现无压载水操作的船型进行研究，完成了2×104m3LNG运输船的船型设计，从而为船东降低船舶运营成本。

2 设计思想

本文的设计思想参考日本V型无压载水船舶的设计理念，充分结合小型LNG运输船C型液货舱的结构特点，以及LNG运输船的规范要求，采用V型船体、双机双桨和双层底双层壳的设计。

V型船体的结构设计使得船舶在空载时相当于传统船型30%～40%的压载情况，在恶劣海况下相当于传统船型25%左右的压载情况，能够保证安全航行[4]。通过大量研究和论证，包括船舶完整稳性、破舱稳性等计算，设计出了图1所示的船舶总体设计图。

3 整体设计内容

船舶服务于深海和沿海航区，LNG货舱由3个C型液货舱组成，分别置于3个独立的隔离船舱中，货舱区域船体采用双层底和双层壳的结构。推进方式采用双机双桨(两台船舶主机和两台螺旋桨)的形式，主机选用中速燃气发动机，螺旋桨采用调距桨。

图1 船舶总体设计图

3.1 船舶线型

目前多数中小型LNG运输船液货舱基本采用C型独立液货舱，C型独立液货舱垂直于船长方向的纵截面为圆形。本方案采用优化的船舶总体设计，LNG货舱区域的船体垂直于船长方向的纵截面形状为V型，V型船体结构与C型独立液货舱的圆形结构相适应，见图2。相比传统的船体结构，V型船身的特点是船体采用更加细长、船底呈明显向下突出的V型，以使得船舶有足够的吃水配合船舶空载时的性能要求，且可以充分减少船体钢材的使用。

充分考虑船舶干舷、稳性、结构强度等方面因素，本船的主尺寸为：船长149.60 m，型宽27.00 m，型深12.15 m，吃水7.15 m。

3.2 液货系统设计

液货围护系统由3个C型独立液货舱组成，采用9镍钢材质，最小设计压力为4 kPa，每个液货舱设计一个气室作为管路和电缆连接处所，货舱的绝缘需保证LNG每天的蒸发率在0.3%左右，每个货舱设置一个透气桅(即燃气放散管道)和两个安全阀，需满足国际海事组织规则要求。

装卸货系统主要由低温货泵、货物集管等组成，3个液货舱中各设一台低温货泵，流量约为400 m3/h；货物集管(向船内输送和由船向外输出LNG和BOG的管路，也连接3个液货舱)设置在船舶中部，设置2路液相管和1路气相管。当其中一个液货舱低温货泵出现故障需进行紧急卸货时，可通过BOG压缩机对该货舱进行增压，从而将该舱中的LNG输送到其他液货舱，达到紧急卸货的目的。液货区域侧视图和俯视图见图3。

图3 液货区域侧视图和俯视图

货物操作和燃料供应需根据液位报警进行，当液位达到高液位报警时停止所有货物操作。船岸之间须连接ESD系统(紧急切断系统)，并根据国际气体船运输与码头经营者协会(SIGTTO)的要求设置。在某处泄漏或发生火灾等紧急情况下，设置在集管和气室的ESD阀门需关闭，货泵和BOG压缩机需停止运行，船岸之间连接的ESD系统需停止运行。控制、监测和报警点设置主要有以下几点：货泵的控制和监测；BOG压缩机的控制和监测；货舱和燃气缓冲罐压力监测；货舱内上、中、下3个温度监测点；装卸货出口压力监测；货舱液位监测与报警等。

氮气系统设置一台100 m3/h的氮气发生器，氮气纯度为96%，露点为-50 ℃，供气压力为5 kPa，用于LNG货舱与其隔离空舱的惰化和驱气，以及管路的吹扫。此外，设备间需要进行机械通风。

3.3 动力系统设计

船舶动力系统设计方案见图4。船舶动力系统设置两台中速4冲程LNG燃料内燃机作为主机，在两台主机的输出端各设置一台具有PTO(动力输出)、PTI(动力输入)功能的轴带发电机，并设置两台发电机组。两台主机为船舶航行提供动力，同时通过轴带发电机的PTO功能为船舶电站供电，船舶电站为船舶提供电力，包括照明用电、设备用电、船舶艏侧推用电等。当主机出现故障或LNG燃料供应系统出现故障时，可由两台发电机组发电，提供给船舶电站，并通过船舶电站利用轴带发电机的PTI功能，驱动推进器。

主机供气系统主要包括一台安装于液货舱中的燃料泵、两台BOG压缩机、一个燃气缓冲罐、一台强制蒸发器。主要利用3个液货舱的BOG作为燃料，BOG经BOG压缩机提升到满足主机所需的压力，储存到燃气缓冲罐中。在液货舱压力较低的情况下，通过液货舱中的LNG燃料泵将LNG输送到强制蒸发器转变为气态，同样储存在燃气缓冲罐中，为主机供气。

强制蒸发器由乙二醇水溶液加热，乙二醇水溶液由主机冷却水和电加热器进行加热，实现主机冷却水的余热利用。

图4 船舶动力系统设计方案

4 船舶满足航行要求的操作方法

船舶满载航行时，无需考虑压载问题，其吃水已满足完全浸没螺旋桨和艏艉吃水差的全部要求，此时，启动船舶主机，带动螺旋桨旋转，船舶可以安全平稳航行。

船舶空载时，为了能满足航行要求，需要消耗燃料和淡水(生活用水)，应先使用靠近船艉部的燃料舱和淡水舱，逐步使用向船艏方向的其他舱，若还不能满足航行的条件，可通过燃料舱和燃料舱之间的燃料传输，或者淡水舱和淡水舱之间的淡水传输来保证船舶稳态，原则是艉部舱的燃料或淡水向艏部舱传输。

5 无压载水LNG运输船的发展前景

国际海事组织(IMO)曾做过调查统计，全球每年共有逾100×108t压载水排入海洋，每天至少有7 000个有机体随压载水远航至他乡。物种入侵，加剧了海洋生态链的恶化。BWM公约给广大船东带来一定的经济压力，然而无压载水船舶技术的出现，将为未来船舶的建造减轻经济负担，尤其是小型LNG运输船，基于其C型货舱的圆形特点，更加适合V型船舶结构，不仅无需安装压载水处理系统，而且可以节省钢材用量，具有广阔的前景。

近年来全球LNG的生产和贸易日趋活跃，LNG作为清洁能源，正成为世界能源工业新的热点。为保证能源供应的多元化和改善用能结构，能源消费大国越来越重视LNG的引进，日本、中国、韩国等国家都在大规模建设LNG接收站，因此LNG航运市场将逐渐增大，势必需要扩大LNG运输船队，小型LNG运输船可以为大型LNG接收站的LNG转运、海上油田伴生气的回收、短距离驳运等服务，成为当今LNG行业关注的热点[5]。该V型无压载水船舶技术适用于小型LNG运输船。

此外，由国际海事组织(IMO)主导的国际社会治理船舶污染的工作正在稳步推进中。其中，2020年开始实施的船舶硫氧化物排放限制规定，将促使船舶采用新的技术和设备降低污染物排放量。LNG动力船、双燃料船将成为达标的先行者，大量LNG动力船和双燃料船将在2020年前后进入市场。LNG移动加注船以加注灵活、便捷的优势正在快速发展，该V型无压载水船舶技术同样适用于LNG移动加注船。

6 结语

本文介绍了一种V型无压载水的LNG运输船设计方案，将V型结构与C型独立液货舱完美结合，实现了小型LNG运输船的无压载水操作，不仅可以解决压载水的污染问题，还可以降低建造成本和运营成本。虽然该方案较为完善，但后续还需进行深入研究，包括详细计算和CFD模拟，只有通过更多的性能分析才能总体评价方案的可行性。