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(上海佳豪船舶工程設(shè)計股份有限公司，上海 200233)

隨著液化天然氣(LNG)的進(jìn)口量的提高，由沿海進(jìn)口終端向內(nèi)地的小型終端和用戶的LNG運輸量將會逐漸提高。國家能源局和長江沿岸的地方政府也開始推動沿長江流域的LNG燃料的消費。

為此，中海油開始醞釀并實施LNG接收站的長江沿岸布局，并計劃打通由沿海至長江中下游的LNG運輸通道，滿足湖北等長江重要省份對LNG需求。江海直達(dá)型小型LNG運輸船可以實現(xiàn)從沿海大型LNG接收終端和沿江小型LNG衛(wèi)星站之間的運輸，覆蓋區(qū)域可以直達(dá)武漢。

設(shè)計江海直達(dá)小型LNG運輸船的關(guān)鍵在于開發(fā)全新的船型，最大程度降低投資和營運費用。核心點在于貨物維護(hù)系統(tǒng)，推進(jìn)方式和動力系統(tǒng)，以及如何處理貨物蒸發(fā)氣。本文將在這幾個方面展開討論和對比分析，以期獲得安全的、成本效率最高的解決方案。

1 船型主尺度選擇

江海直達(dá)型小型LNG船的船型選擇受到航道水深、航道密度、橋梁高度、橫渡船舶等諸多限制，同時還應(yīng)考慮主管部門對于船舶航行的相關(guān)要求以及船舶營運的經(jīng)濟(jì)性等因素。

考慮到規(guī)劃運量的需求，將以1萬m3的LNG運輸船為目標(biāo)，結(jié)合武漢長江大橋以下的長江干流的通航條件以及投資和營運的經(jīng)濟(jì)性，探討相適應(yīng)的船型尺度。

1.1 通航條件

1.1.1 水深限制

在武漢長江大橋以下至長江口的長江干流流域，對船舶通航限制最大的區(qū)段位于長江航道武漢—安慶區(qū)段，該區(qū)段干流航道的水深較淺，特別是在主航道上有若干淺灘，很大程度限制了船舶的通航。每年的12月到來年3月為長江枯水期，長江上游來水減少，由戴家洲水道至東流水道區(qū)段內(nèi)的最低維護(hù)水深一般處于4.2～4.5 m。每年從3月中下旬開始，隨著長江上游來水增加，航道維護(hù)水深逐步提高，進(jìn)入4月以后航道維護(hù)水深達(dá)到5.2 m以上，11月中下旬以后，航道維護(hù)水深逐步回落至5.0 m以下。

隨著沿江各省加大對長江干流航道的整治力度，長江通航尺度在逐年改善，枯水季節(jié)的航道水深也在逐年提高。根據(jù)湖北省公路水路交通運輸發(fā)展“十二五”規(guī)劃綱要的目標(biāo)，在“十二五”期間將提高武漢至安慶的長江干流的航道維護(hù)水深可望達(dá)到6.0 m。

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[1]的要求，船舶安全吃水應(yīng)滿足

H≥T+ΔH

式中：H——航道水深，即維護(hù)水深；

T——為船舶吃水；

ΔH——為富裕水深。

由于船舶在限制航道中航行時，會發(fā)生吃水增加和縱傾變化的現(xiàn)象，因此船舶航行時應(yīng)保留一定的富裕水深。黃岡、鄂州至長江口航段屬長江中下游，為內(nèi)河I級航道，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，富余水深取0.4～0.5 m，對于運輸危險品的船舶，富余水深還需相應(yīng)加大0.1～0.2 m。

船舶的吃水選擇，應(yīng)當(dāng)充分考慮營運水域的通航限制，同時還要考慮船舶本身的安全因素，如操縱性和穩(wěn)性等限制條件，并盡量使本船在1年中能有較長的可營運天數(shù)。經(jīng)過綜合平衡，本船的設(shè)計吃水確定為4.5 m。

1.1.2 橋梁通航凈空(空氣吃水)限制

長江航道上橋梁對長江通航的影響主要體現(xiàn)在三個方面：①限制了船舶通航尺度；②橋區(qū)水域通航環(huán)境復(fù)雜，船舶在操作上受到較大限制；③部分橋梁選址在航槽變遷、水勢流態(tài)復(fù)雜航段，加大了船舶安全航行的風(fēng)險。在確定LNG船主尺度的時候，必須參照該航段橋梁對于通航凈空、通航凈寬等尺度的限制。

南京長江二橋以下航段的橋梁凈空高度均在50 m以上，對船舶通航限制較小，萬t級輪船可以通過；南京到武漢段，橋梁凈空高度為24 m，對通航船舶噸位有明顯的限制。

為了滿足橋梁通航的要求，LNG船應(yīng)采用凸型甲板的設(shè)計，可以適當(dāng)減小型深，從而盡可能降低船舶總高。本船艉部上層建筑共設(shè)四層甲板室(包括駕駛室)，按最大壓載吃水3.9 m考慮，需要通航高約為28 m，不能通過通航高度為24 m的橋梁。因此，需采用可倒式信號桅，可以保證至少有足夠的通過裕度，滿足橋梁通航的要求。

1.1.3 航道彎曲半徑限制

武漢至長江口航道彎曲半徑最小為1 000 m。為了使船舶在彎道處具有良好的操縱性，船長的選擇受限。本船的長度選擇在130 m以內(nèi)，可以滿足航道彎曲半徑的限制。

1.2 規(guī)范適用性限制

《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》第一篇船體中提到了其“適用于航行于內(nèi)河水域船長大于或等于20 m 和小于或等于140 m 的焊接結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)民用船舶?！痹诳偪v強度章節(jié)中提到了船舶主尺度的比值應(yīng)符合表1的規(guī)定。因此在確定本船主尺度的時候也應(yīng)考慮到規(guī)范的適用性。

表1 船舶主尺度的比值的規(guī)范要求

1.3 船舶主尺度

長江航道上的淺灘水道限制了船舶吃水，同時由于航道上交通密度大，跨江橋梁多，灣道多，航道寬窄變化多，水流變化大等特點，船舶還需保有良好的操縱性。由于限制了船舶吃水，要保證足夠的載重量，就需要適當(dāng)增加船寬和船長，這樣會在一定程度上降低船舶操縱的靈活性。綜合考慮這些限制條件，適合的船型應(yīng)當(dāng)是在設(shè)定較淺的吃水的同時，盡量控制船寬和船長；采用雙槳推進(jìn)、加艏側(cè)推的組合，能夠?qū)崿F(xiàn)在淺吃水、操縱性好、推進(jìn)冗余度高等優(yōu)點，是適合于內(nèi)河運輸?shù)拇瓦x擇。

綜上所述，考慮干舷、穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強度等方面因素，本船的主尺度推薦如下。

垂線間長Lbp=120 m；

型寬B=22.4 m；

型深D=8.90 m；

吃水T=4.50 m。

2 航速確定

根據(jù)長江干流各海事主管部門對各段航道水域的通航船舶的最高航速限制，本船的服務(wù)航速不必大于12.5 kn。

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》的要求，在淺水區(qū)域航行的船舶安全吃水應(yīng)當(dāng)考慮足夠的富裕水深。在淺水區(qū)域航行的船舶，由于船底至水底的水深有限，水流加快，水壓降低，從而使吃水增加，同時也引起縱傾的變化，船速愈快或是肥胖型的船，船體下沉及縱傾的變化程度就愈大。本船所載運貨品具有較大的危險性，特別應(yīng)該重視航速引起的船體下沉。出于安全性的考慮，船舶的設(shè)計航速不宜過大。

本船的推進(jìn)系統(tǒng)采用雙機雙槳推進(jìn)，并具備PTO/PTI功能的混合推進(jìn)模式，航速控制靈活。在航行條件較好的水域可以取較高航速，在淺灘和彎道處，使用較低航速。發(fā)動機可以始終保持在最佳工作區(qū)域。本船的服務(wù)航速為可達(dá)12.8 kn，實現(xiàn)由低到高的航速選擇。

3 液貨艙型式

目前，在大型的LNG運輸船上使用的貨艙型式多為薄膜型(GTT No.96和GTT MarkIII)，還有少量的Moss型和SPB型。關(guān)于這三種型式的特點和優(yōu)缺點分析，已有大量的文獻(xiàn)闡述，本文將不再贅述。上述貨艙型式目前只應(yīng)用在大型的LNG運輸船上。

C型獨立艙通常為球形或圓筒型的罐，其中圓筒型又分為單圓筒罐、雙耳罐以及三葉型罐。一般來說，中小型LNG船通常采用單圓筒罐或者雙耳罐。

3.1 單圓筒C型罐與雙耳C型罐的優(yōu)勢分析

3.1.1 罐體設(shè)計和制造分析

單圓筒罐結(jié)構(gòu)形式簡單，而雙耳罐結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。單圓筒罐由于剖面為正圓形其應(yīng)力和結(jié)構(gòu)尺寸分布均勻，總體材料消耗少；而雙耳罐在接頭處更易產(chǎn)生應(yīng)力集中，相應(yīng)的需要在接頭處結(jié)構(gòu)加強，其結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜，材料消耗比較大。雙耳罐結(jié)構(gòu)還需設(shè)置中縱艙壁，以解決上下結(jié)構(gòu)連接并減小液體晃蕩。經(jīng)比較，在同等艙容下，單圓筒罐建造材料可節(jié)省約10%，由于加工難度加大，制造費用也會額外增加。

如采用兩個相同規(guī)格的單圓筒罐，則僅需一套圖紙、一套罐體設(shè)計方案，設(shè)計、施工簡單方便。如采用三個雙耳罐，由于第一貨艙和最后一個貨艙的線型變化，需根據(jù)線型重新設(shè)計，設(shè)計和施工難度均較大。

單圓筒罐的基座形式簡單，而雙耳罐基座更為復(fù)雜。在C型貨艙設(shè)計中，需要考慮由于大的溫度變化而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)收縮，這與溫度變化值以

及材料的收縮系數(shù)有關(guān)，特別是采用雙耳罐設(shè)計時。同樣以7 500 m3的雙耳罐為例[2]，采用304L材料時罐體最大的收縮量在直徑方向可能達(dá)到35 mm，這時，貨罐的底座和舷側(cè)支撐需要做特別設(shè)計以適應(yīng)這種收縮，對于支撐結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行詳細(xì)的基于溫度變化和載貨變化的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

3.1.2 艙容比較

如圖1，在同船寬下，單圓筒罐相比于雙耳罐截面積要小約19%。但是從船長方向來看(見圖2)，由于需滿足破艙穩(wěn)性的原因，如使用雙耳罐則須分為3個甚至4個貨艙，貨艙之間需保留一定的結(jié)構(gòu)和通道空間，故在船長方向艙容利用率低于單圓筒罐。另外由于船體線型在船頭部分向內(nèi)收縮，在第一貨艙內(nèi)，雙耳罐需要根據(jù)線型同時向內(nèi)收縮，第一貨罐艙容較小。而對于單圓筒罐來說，可分為兩個貨艙，采用兩個相同規(guī)格的單圓筒罐，結(jié)構(gòu)布置簡單。另外，由于使用雙耳罐會導(dǎo)致貨艙數(shù)量增加，貨艙的容積/重量比也會下降。綜合考慮這些因素，同尺度條件下，雙耳罐帶來的有效容積增加不到10%。

圖1 同船寬下單圓筒罐與雙耳罐艙容橫剖面比較

圖2 同船寬同船長下單圓筒罐與雙耳罐艙容縱剖面比較

3.1.3 穩(wěn)性比較

對于寬大淺吃水的船型來說，完整穩(wěn)性具有相當(dāng)大的富余量，故這里主要從破艙穩(wěn)性出發(fā)對兩種不同結(jié)構(gòu)形式的貨罐進(jìn)行比較。

對于單筒罐來說，由于距離舷側(cè)較遠(yuǎn)，罐體得到有效保護(hù)不會破損，而雙耳罐則不可避免的產(chǎn)生破損。所以如果本船采用雙耳罐，為了滿足破艙穩(wěn)性則必須增加貨艙數(shù)量，采用三個或更多雙耳罐，進(jìn)一步增加了成本。由此可見，采用單圓筒罐在滿足破艙穩(wěn)性方面顯然優(yōu)于雙耳罐。

3.1.4 航行安全性比較

由于目標(biāo)水域為長江中下游，航道條件復(fù)雜，航道寬度小、淺灘多、彎道多、水流變化劇烈、橋梁多、交通密度大。海事部門對于危險品運輸船的安全性高度重視。使用單筒罐的設(shè)計，由于罐體距離舷側(cè)外板較遠(yuǎn)，可以做成雙殼保護(hù)(內(nèi)縱艙壁和外板)，因此外部破損延伸至罐體，需要大得多的能量，罐體破損概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雙耳罐的船型設(shè)計。采用單筒罐的設(shè)計具備更高的本質(zhì)安全性。

3.1.5 系統(tǒng)設(shè)備

對于單圓筒罐而言，一個貨罐只需要配備一套深井泵和貨物維護(hù)系統(tǒng)，而每個雙耳罐則需配備兩套深井泵和貨物維護(hù)系統(tǒng)，成本有比較明顯的增加。另外，由于使用雙耳罐會導(dǎo)致貨艙數(shù)量增加，設(shè)備和管路會以2的倍數(shù)增加。

3.1.6 兩種形式罐體的比較總結(jié)

兩種形式罐體的比較見表2。

表2 兩種形式罐體的比較

由表2可見，采用筒形罐設(shè)計可以使得設(shè)計施工較為簡便，安全性高，但是船舶的空間利用率相對于使用雙耳型罐低一些。因此，對于小艙容的LNG船，比如1.5萬m3以下的LNG船，使用筒形罐設(shè)計較為簡單經(jīng)濟(jì)，對于較大艙容的小型LNG船，比如1.5萬m3以上的LNG船，使用雙耳罐的型式較好。當(dāng)然這需要綜合考慮船舶的尺度限制、長寬比、穩(wěn)性以及整體造價等因素。

3.2 罐體材料選擇

LNG船貨罐可以使用的材料有鋁合金、9%鎳鋼以及AISI304L不銹鋼等。鋁合金的許用應(yīng)力和許用薄膜動應(yīng)力較低，分別為68、25 MPa，如果使用鋁合金作為貨罐材料則貨罐壁厚較大，施工焊接需要特殊工藝，在選擇制造商時余地不大，故不建議使用鋁合金作為貨罐材料。

貨罐的重量主要取決于貨罐設(shè)計蒸汽壓力。根據(jù)IGC規(guī)則[3]，貨罐的設(shè)計壓力應(yīng)不小于p0。

p0=[2+AC(ρr)1.5]×10-1MPa

式中：C——液貨艙的特征尺度，取下列值中的最大值：h(沿船舶垂向取的液貨艙高度，m)，0.75b(沿船舶橫向量取的液貨艙寬度，m)，0.45l(沿船舶縱向量取的液貨艙長度，m)；

ρr——設(shè)計溫度下貨物密度；

A——A=0.018 5(σm/ΔσA)2。

其中：σm——設(shè)計主薄膜應(yīng)力，MPa；

σA——許用薄膜動應(yīng)力。

TGE以一個7 500 m3的貨罐為例，對使用9%鎳鋼以及AISI304L不銹鋼的貨罐重量進(jìn)行比較。液貨密度按照500 kg/m3計算，計算滿足最小設(shè)計壓力的貨罐重量，見表3。

表3 兩種材料的貨罐比較

由表3中可見，雖然304L不銹鋼的許用應(yīng)力比9%鎳鋼的許用應(yīng)力小40%，但是罐體的重量卻只增加了6%，這是因為采用304L不銹鋼時，液罐的最小設(shè)計壓力要比采用9%鎳鋼時需要滿足的最小設(shè)計壓力低。

同時，9%鎳鋼的焊接要求高，且市場獲得性差，目前幾乎只能進(jìn)口，而304L不銹鋼的市場采購較為方便。此外還有9%鎳鋼在低溫下材料的力學(xué)性能更好；而不銹鋼則需要酸洗等。

在價格方面，同樣的貨罐，9%鎳鋼的造價大概比AISI304L不銹鋼節(jié)省10%～15%。

綜合上述分析，選擇何種材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)計的需要、市場情況和船東的意向。一般來講，9%鎳鋼具備整體優(yōu)勢。

4 蒸氣處理

LNG運輸船由于其運送貨物本身可以用作動力燃料，因此在選擇推進(jìn)方式的時候，應(yīng)當(dāng)結(jié)合貨物蒸氣的處理方式來考慮。

4.1 貨物蒸氣處理

小型LNG船貨艙絕緣，可以參照成熟的乙烯運輸船的絕緣方式，即使用聚苯乙烯絕緣板或是泡沫噴涂的方式。采用300 mm的絕緣厚度可以達(dá)到(0.35%～0.45%)/d的蒸發(fā)率，這比大型LNG運輸船上的0.1%/d的蒸發(fā)率要高出許多，但對于采用壓力容器式貨艙的短距離航行的小型LNG船來說不是大問題。

對于LPG船和LEG(乙烯)船，由于貨物蒸發(fā)氣不便直接作為燃料消耗，因而一般配置有蒸氣再液化設(shè)備，將貨物蒸發(fā)氣再液化，并回注貨艙。LNG運輸船一般不配置蒸氣再液化設(shè)備，原因有三：①貨物蒸發(fā)氣可以直接作為燃料消耗；②貨物蒸發(fā)氣再液化需要消耗大量的能源，(每kg的LNG液化需要消耗能量為0.7～0.9 kW·h，而每kgLNG氣化所釋放的能量約為0.25 kW·h)；三是，由于LNG的沸點比LPG和LEG的沸點低很多，因而蒸氣再液化設(shè)備要比LPG和LEG的再液化設(shè)備復(fù)雜而昂貴。

LNG船舶的貨物蒸發(fā)氣作為船舶動力燃料使用是最為經(jīng)濟(jì)的方式。對于大型LNG船，通常采用的方式是使用常規(guī)的推進(jìn)方式配置蒸汽透平主機，這種組合方式不適合于小型LNG運輸船。隨著燃?xì)鈨?nèi)燃機的技術(shù)成熟，利用貨物蒸氣作為燃?xì)鈨?nèi)燃機的燃料為船舶推進(jìn)提供動力也已相對成熟，小型LNG船也可以使用燃?xì)鈨?nèi)燃機，以充分利用貨物蒸氣。

4.2 壓力容器式貨艙的壓力保持能力

小型LNG船的壓力容器式貨艙能夠承受一定程度的壓力上升，在船舶航行過程中，LNG的汽化會使得貨艙內(nèi)部的壓力緩慢上升。TGE提供的算例[3]表明壓力容器型的C型貨艙具備較好的壓力保持能力，見圖3。

圖3 C型貨艙的壓力保持能力

算例為一個C型貨艙，單艙容積為7 500 m3，貨艙絕緣厚度300 mm，蒸發(fā)率約為1.4%/d，貨艙初始壓力為14 kPa，貨物蒸發(fā)氣體完全由貨艙本身承受，計算結(jié)果表明，貨艙內(nèi)的壓力要達(dá)到304L不銹鋼材料所要求的最低設(shè)計壓力274 kPa，大約需要40 d；貨艙內(nèi)的壓力要達(dá)到9%鎳鋼材料所要求的最低設(shè)計壓力350 kPa，大約需要50 d。由此也可見9%鎳鋼材料的貨艙承受貨物蒸發(fā)的能力比AISI304L不銹鋼材料的貨艙長約10 d。

因而對于采用C型貨艙型式的LNG運輸船來說時，不需要配置額外的蒸氣處理設(shè)備，船舶完全可以滿足短距離貨物運輸?shù)男枨蟆?/p>

5 推進(jìn)系統(tǒng)

5.1 小型LNG船的推進(jìn)方式

對于小型LNG船來說，可選擇的推進(jìn)系統(tǒng)有如下幾種。

1)常規(guī)內(nèi)燃機(HFO)。采用常規(guī)內(nèi)燃機實現(xiàn)推進(jìn)，利用C型貨艙承受一定時間的貨物蒸發(fā)，一般不配置再液化裝置(取決于航程)，貨物總量沒有減少。

2)LNG燃料內(nèi)燃機機械推進(jìn)(DFM)。以貨物的蒸氣作為發(fā)動機燃料，驅(qū)動常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)，LNG作為清潔燃料，既有價格優(yōu)勢，又有環(huán)保優(yōu)勢。

3)LNG燃料內(nèi)燃機電力推進(jìn)(DFDE)。以貨物的蒸氣作為發(fā)電機組的燃料，驅(qū)動電力推進(jìn)裝置。電力推進(jìn)裝置本身的投資較高，且效率比傳統(tǒng)機械傳動的效率要低，但是機艙方便布置，全船統(tǒng)一電網(wǎng)，易于實現(xiàn)在多種工況下最佳負(fù)荷配置，從而提高整體效率。如果采用吊艙式推進(jìn)器或是全回轉(zhuǎn)舵槳，還可以省去舵系，同時獲得良好的操控性能，但螺旋槳的推進(jìn)效率要低一些。

對于小型LNG船的推進(jìn)配置方案而言，需要針對具體項目情況，結(jié)合船東的需求，船舶航行水域，以及船東的投資意愿，設(shè)備的市場價格等因素綜合考慮對比認(rèn)證，規(guī)劃出最適合的推進(jìn)方案。推薦LNG燃料內(nèi)燃機推進(jìn)方式，在推進(jìn)系統(tǒng)的配置細(xì)節(jié)和機器處所的布置上需要滿足氣體燃料動力船舶的相關(guān)規(guī)范和技術(shù)指南的要求，實現(xiàn)本質(zhì)安全型機器的設(shè)計要求[4]。

5.2 燃料選擇

目前船用的傳統(tǒng)燃料主要有燃料油(HFO)，船用柴油(MDO)和輕質(zhì)柴油(MGO)。HFO的價格最低，MDO和MGO的價格接近，一般要比HFO的價格高40%～50%。HFO屬于蒸餾后的殘渣油，含較多的顆粒雜質(zhì)，含硫量也較高，因此對環(huán)境的污染最大。在一些排放控制區(qū)域(ECA)，含硫量高的HFO已經(jīng)被禁止使用。

天然氣是一種清潔能源，目前在船舶燃料中占的比例較小，主要用于LNG運輸船。和傳統(tǒng)燃料油相比，天然氣燃料具有很好的環(huán)保優(yōu)勢，NOx排放減少約80%～90%；SOx排放接近于零；CO2排放減少約20%～25%； 顆粒雜質(zhì)排放接近于零。

根據(jù)當(dāng)前的市場價格信息，LNG比船用輕柴油的價格低約40%，和HFO接近。在LNG運輸船上使用LNG作為燃料，燃料來源沒有任何問題，且省去了燃油艙。另外，氣體燃料主機在系統(tǒng)冗余度和維護(hù)成本上都具備優(yōu)勢。

綜上所述，小型LNG運輸船以貨物蒸氣作為燃料，是最為經(jīng)濟(jì)、最為現(xiàn)實的選擇。

5.3 發(fā)動機選擇

小型LNG運輸船所需的推進(jìn)功率不是很大，2 000～3 000 kW基本可以滿足服務(wù)航速的需要。目前可選的機型主要有Wartsila的雙燃料發(fā)動機34DF和Rolls-Royce的稀薄燃燒純天氣發(fā)動機Bergen C26:33L。

兩種機型的對比分析見表4、5。

表4 兩種機型的技術(shù)對比

表5 兩種機型的動態(tài)響應(yīng)特性

通過對比分析，可以得到以下結(jié)論。

1)純氣體發(fā)動機采用稀薄燃燒方式，要比雙燃料發(fā)動機的燃燒效率高。同樣的原因也造成了在燃?xì)馄焚|(zhì)要求、排放指標(biāo)上純氣體發(fā)動機要比雙燃料發(fā)動機有優(yōu)勢。

2)純氣體發(fā)動機的動態(tài)響應(yīng)特性要比雙燃料發(fā)動機好很多，非常適合在負(fù)荷多變的船舶上使用；而雙燃料發(fā)動機在燃油模式下的特性同大多數(shù)柴油發(fā)動機相近，但是在氣體燃料模式下，動態(tài)響應(yīng)特性明顯降低，而且在低負(fù)荷工況下燃?xì)夂牧扛? 容易自燃敲缸(<10%MCR時)。

另外，純氣體發(fā)動機的調(diào)速特性好，既可以驅(qū)動調(diào)距槳，也可以驅(qū)動定距槳，這給設(shè)計選型帶來了很大的靈活性。關(guān)于雙燃料主機在燃?xì)饽Ｊ较聞討B(tài)響應(yīng)遲緩的缺點，可以通過切換到燃油模式(需5～10 s)來適應(yīng)負(fù)荷突變的工況。

3)在成本上，雙燃料主機要比純?nèi)細(xì)庵鳈C的價格低很多，這可能與廠家的價格策略有關(guān)，但是雙燃料主機，需要設(shè)置額外的燃油燃料系統(tǒng)，總體成本差距會縮小。

4)也正因為雙燃料主機具備兩種燃料系統(tǒng)，在氣體燃料系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，可以切換到燃油模式繼續(xù)工作，船舶持續(xù)工作時間長。

5)Wartsila 34DF系列，單機功率范圍是2 700～7 200 kW，Bergen C26∶33L單機功率為1 620～2 430 kW。根據(jù)本船的功率需求，因采用雙機雙槳推進(jìn)，因此Bergen C26∶33L較接近需求。

綜上所述，推薦使用Bergen C26∶33L純氣體發(fā)動機。

5.4 兩種動力系統(tǒng)配置方案對比

以Bergen C26∶33L純氣體發(fā)動機為選用主機，結(jié)合目標(biāo)項目給出了兩種系統(tǒng)配置方案，并作對比分析。

5.4.1 方案一——純氣體燃料推進(jìn)方式

見圖4，采用兩臺燃?xì)鈨?nèi)燃機作為主推進(jìn)發(fā)動機，驅(qū)動兩臺可調(diào)距螺旋槳，在主機的輸出端各帶有一臺具備PTO功能的軸帶發(fā)電機。另設(shè)有一臺應(yīng)急/停泊發(fā)電機，用于船舶在停航時的供電。船舶在正常航行時，兩臺氣體燃料主機工作，同時通過軸帶發(fā)電機為船舶電站供電；在船舶卸貨階段，啟動一臺主機通過軸帶發(fā)電機提供所需的電力；另一臺主機處于備車狀態(tài)；在停航狀態(tài)，只需要有限的電力供應(yīng)，可以由應(yīng)急/停泊發(fā)電機為生活和安全系統(tǒng)提供必要的電力。

5.4.2 方案二——混合動力推進(jìn)方式

見圖5，采用兩臺燃?xì)鈨?nèi)燃機作為主推進(jìn)發(fā)動機，驅(qū)動兩臺可調(diào)距螺旋槳，在主機的輸出端各帶有一臺具備PTI/PTO功能的軸帶電機，另設(shè)有兩臺柴油發(fā)電機組。船舶在正常航行時，兩臺氣體燃料主機工作，同時通過軸帶發(fā)電機為船舶電站供電；在船舶卸貨階段，啟動一臺主機通過軸帶發(fā)電機提供所需的電力；另一臺主機處于備車狀態(tài)；在停航狀態(tài)，柴油發(fā)電機組為生活和安全系統(tǒng)提供必要的電力；當(dāng)氣體燃料主機不能正常工作時(主機故障，主機檢修，燃料系統(tǒng)故障，燃料系統(tǒng)檢修，船舶準(zhǔn)備進(jìn)塢而清倉等等情況)，由兩臺柴油發(fā)電機組發(fā)電，通過船舶電網(wǎng)經(jīng)軸帶電機的PTI模式，驅(qū)動推進(jìn)器；在船舶卸貨階段，也可以利用兩臺柴油發(fā)電機組提供所需的電力。

5.4.3 方案對比分析

方案一采用兩臺燃?xì)鈨?nèi)燃機即作為主推進(jìn)發(fā)動機使用，同時又作為發(fā)電機使用，省去了兩臺柴油發(fā)電機組以及相關(guān)輔助系統(tǒng)和設(shè)備，船舶配置較為簡單，整體造價較低。由于只使用LNG作為燃料，且LNG燃料系統(tǒng)采用雙套配置，但燃料系統(tǒng)的冗余度仍不如方案二，特別是在船舶進(jìn)塢時，需要將LNG清艙，此時船舶沒有動力燃料，船舶必須依靠拖輪的輔助。另外，方案一的軸帶電機不具備PTI功能，在成本上也較低。

方案二采用兩臺燃?xì)鈨?nèi)燃機作為主推進(jìn)發(fā)動機，使用兩臺柴油發(fā)電機組作為船舶電站，能夠通過PTI模式驅(qū)動螺旋槳能實現(xiàn)冗余推進(jìn)，系統(tǒng)的冗余度比方案一高。在船舶動力系統(tǒng)冗余度提升的同時，整體投資成本也會有所升高。

6 江海型10 000 m3LNG運輸船船型配置方案

根據(jù)上述分析，推薦了一種較為適宜的船型配置方案，如下。

本船為一艘裝載液化天然氣(LNG)，適合在中國近海航區(qū)和長江A級航區(qū)航行的IMO 2G型船舶。該船設(shè)置單甲板，并有艏樓，起居處所和駕駛室設(shè)在船舶后部主甲板之上。

圖4 方案一 純氣體燃料推進(jìn)方式

圖5 方案二 混合動力推進(jìn)方式

貨艙區(qū)域在船體中部，采用雙層底和雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)。雙層舷側(cè)空間設(shè)置為壓載水艙。整個貨艙區(qū)域由兩道水密橫艙壁分為第一貨艙區(qū)和第二液貨區(qū)兩部分。在每個貨艙區(qū)域各安裝一個容積約為5 000 m3的C型圓柱體獨立貨罐，設(shè)計溫度為-163 ℃，艙頂設(shè)計蒸氣壓力符合IMO要求。液貨輸送系統(tǒng)主要由兩臺液貨泵(每罐一臺)、兩臺燃?xì)獗?、兩臺蒸發(fā)氣壓縮機、一個燃?xì)鈴娭普舭l(fā)器、相應(yīng)的閥件和管系等組成。貨物系統(tǒng)的設(shè)計允許在正常大氣壓下儲運液化天然氣。天然氣的蒸發(fā)氣(BOG)用作主機的燃料氣。蒸發(fā)氣壓縮機用作燃?xì)鈮嚎s機來升高蒸發(fā)氣壓力以達(dá)到主機所需的壓力。在低艙壓情況下，燃?xì)庥扇細(xì)獗脤⒁簯B(tài)天然氣輸送至蒸發(fā)器而產(chǎn)生。

該船采用氣體機常規(guī)推進(jìn)方式，推進(jìn)系統(tǒng)主要包含兩臺氣體主機，通過減速齒輪箱驅(qū)動兩套調(diào)距槳，并在艏部設(shè)置艏側(cè)推以提高其操縱性能。船舶電站包括兩臺軸帶發(fā)電機、兩臺主柴油發(fā)電機、和一臺應(yīng)急/停泊柴油發(fā)電機。

[1] 中華人民共和國交通部.GB50139-2004內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)[S].中華人民共和國建設(shè)部，2004.

[2] 石光志，盛蘇建.中小型LNG運輸船設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)[J].中國造船，2011，52(2)：40-47.

[3] 中國船級社.內(nèi)河散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范(2008)[M].北京：人民交通出版社，2008.

[4] 中國船級社.氣體燃料動力船檢驗指南(2008)[M].北京：人民交通出版社，2008.