孫紅娟

(江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團(tuán))有限責(zé)任公司，江蘇 鎮(zhèn)江212002)

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外節(jié)能減排的步伐日益加大。國(guó)際海事組織(IMO)發(fā)布了MARPOL公約和一系列船舶防止污染、減少排放的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，審議和通過(guò)了溫室氣體(GHG)減排等強(qiáng)制性文件，要求到2024年船舶實(shí)現(xiàn)減排30%的目標(biāo)。為防止船舶污染損害，促進(jìn)航運(yùn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，目前我國(guó)正在實(shí)施LNG動(dòng)力船的推廣工作。交通運(yùn)輸部提出到2020年，內(nèi)河運(yùn)輸船舶在能源消耗中LNG的比例將達(dá)到10%以上。

為了推動(dòng)LNG燃料動(dòng)力船舶市場(chǎng)快速健康發(fā)展，國(guó)家有關(guān)部門陸續(xù)出臺(tái)了一系列激勵(lì)政策和法規(guī)。2014年4月，財(cái)政部和交通運(yùn)輸部聯(lián)合發(fā)布《內(nèi)河船型標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)貼資金管理辦法》。該辦法對(duì)LNG動(dòng)力示范船的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)制定了明確規(guī)定，以此推動(dòng)LNG動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但是，船舶使用LNG作為動(dòng)力能源卻遇到了加注難題，因此，為了解決這一問(wèn)題，開(kāi)發(fā)研制了具有自航能力的200 m3LNG加注船。本文首先分析了制約LNG動(dòng)力船發(fā)展的因素，其次介紹了內(nèi)河LNG加注船建造時(shí)應(yīng)遵循的規(guī)范，最后詳細(xì)說(shuō)明了200 m3LNG加注船的主要參數(shù)、總體布置、加注系統(tǒng)等。

1 制約LNG動(dòng)力船發(fā)展的因素

從汽車采用LNG作為動(dòng)力能源的市場(chǎng)得到迅速擴(kuò)張這一事實(shí)，證明了使用LNG作為動(dòng)力燃料具有重要的環(huán)保意義和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。船舶的燃油用量和營(yíng)運(yùn)壽命都遠(yuǎn)高于汽車，如果船舶采用LNG清潔能源，其環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性應(yīng)當(dāng)更加顯著。但是，由于船用LNG加注設(shè)施不足，尤其是LNG的水上加注能力缺乏，無(wú)法滿足LNG動(dòng)力船在正常航行中的加注需求，使船舶使用LNG作為動(dòng)力能源受到了嚴(yán)重影響。

對(duì)于采用LNG為能源的船舶，LNG的加注是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前船用LNG的加注方式主要有兩種:一種是通過(guò)槽罐車加注(TTS)，另一種是由固定的岸站或躉船加注(TPS)。無(wú)論是TTS加注還是TPS加注，對(duì)LNG動(dòng)力船舶而言，都存在無(wú)法克服的弊端。近來(lái)出現(xiàn)的非自航型LNG水上加注船，實(shí)際上是由其他船舶拖動(dòng)的加注躉船，很難滿足LNG動(dòng)力船的實(shí)際需求。因此，開(kāi)發(fā)自航型LNG加注船，改變LNG動(dòng)力船舶的傳統(tǒng)加注方式，滿足LNG動(dòng)力船的氣源供應(yīng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 內(nèi)河LNG加注船的建造已有章可循

中國(guó)船級(jí)社(CCS)于2015年發(fā)布了《液化天然氣燃料加注船舶規(guī)范》并于2015年12月1日生效。該規(guī)范對(duì)加注船的定義為“系指設(shè)有 LNG圍護(hù)系統(tǒng)和加注系統(tǒng)，用于船用 LNG燃料加注的自航船舶”。凡符合該規(guī)范要求并申請(qǐng)入級(jí)的加注船，可在CCS規(guī)定的散裝運(yùn)輸液化氣體船舶附加標(biāo)志后授予“LNG Bunkering Ship”附加標(biāo)志。

該規(guī)范適用于設(shè)有液化天然氣(LNG)圍護(hù)系統(tǒng)和加注系統(tǒng)，為他船加注 LNG燃料的船舶;同時(shí)規(guī)定“內(nèi)河航行LNG燃料加注船舶尚應(yīng)滿足《內(nèi)河散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》的有關(guān)要求”。該規(guī)范的發(fā)布，使內(nèi)河自航型 LNG燃料加注船舶的設(shè)計(jì)、建造和檢驗(yàn)有章可循，這對(duì)推動(dòng)LNG動(dòng)力船舶的市場(chǎng)發(fā)展必將產(chǎn)生重大作用。由于LNG加注船屬于新生事物，相關(guān)規(guī)范發(fā)布不久，在研制內(nèi)河自航型LNG加注船舶的過(guò)程中，需要對(duì)規(guī)范加深理解。本文研究的內(nèi)河自航型200 m3LNG加注船除符合上述規(guī)范要求外，還必須滿足《內(nèi)河散裝運(yùn)輸液化氣體船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2009)、《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》(2011)、《天然氣燃料動(dòng)力船法定檢驗(yàn)暫行規(guī)定》(2013)等要求。

3 加注船主要參數(shù)

3．1 主要量度

總長(zhǎng) 45．0 m

垂線間長(zhǎng) 44．0 m

型寬 8．8 m

型深 3．0 m

設(shè)計(jì)吃水 2．0 m

肋距 0．5 m

LNG罐有效容積 200 m3

船員定額 5人

3．2 主要性能

(1)航區(qū):內(nèi)河B級(jí)航區(qū)。

(2)航速:自由試航速度≥15 km/h。

(3)續(xù)航力:續(xù)航力為48 h。

(4)穩(wěn)性:本船完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性均滿足規(guī)范對(duì)B級(jí)航區(qū)液貨船的要求。

(5)浮態(tài):本船在各種設(shè)計(jì)載況下浮態(tài)為平浮或略艉傾。

(6)操縱性:本船設(shè)置2套全回轉(zhuǎn)舵槳，變頻控制，以利于在各種工況下船舶回轉(zhuǎn)靈活。

4 總體布置

根據(jù)《液化天然氣燃料加注船舶規(guī)范》要求，LNG加注船的總布置除了按照該規(guī)范有關(guān)處所位置和分隔、通道的布置、連接設(shè)備的布置、錨泊與系泊設(shè)備及護(hù)舷設(shè)施的布置的要求外，還應(yīng)滿足《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》或《內(nèi)河散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》中有關(guān)船舶布置的要求。

通過(guò)建立三維數(shù)字化設(shè)計(jì)模型，對(duì)本船的總體布置、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、圍護(hù)系統(tǒng)、耐碰撞及護(hù)舷設(shè)施等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。船舶的布置總體布置如圖1所示。本船為前傾艏、方型艉、全鋼質(zhì)、單甲板船型，采用雙舵槳電力推進(jìn)系統(tǒng)。全船設(shè)2道水密縱艙壁、5道水密橫艙壁，貨艙區(qū)為雙底雙舷，其余單底。本船在艏、艉部設(shè)有甲板室，艏部為起居處所及駕駛室，艉部為發(fā)電機(jī)間及工作艙室。

4．1 各艙室分隔與布置

4．1．1 底艙

(1)從艉至Fr4為舵槳艙。艙內(nèi)對(duì)稱布置有2臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的全回轉(zhuǎn)舵槳裝置，含液壓動(dòng)力單元、變頻器、制動(dòng)電阻等。Fr4端壁船中設(shè)有斜梯通往露天甲板。

(2)Fr4至Fr13為泵艙，主要布置空壓機(jī)、消防泵、水霧泵，以及其他泵組和一些輔助設(shè)備。艙底還設(shè)有2個(gè)海水箱及污油艙等。船中設(shè)有斜梯通往主甲板，左舷設(shè)有直梯通往主甲板。

(3)Fr13至Fr19為自用燃料罐艙，由冷卻箱和容積為2．84 m3的LNG儲(chǔ)罐組裝整體模塊，專供氣體發(fā)電機(jī)使用。左右舷各設(shè)有直梯通往主甲板。

(4)Fr19至Fr69為貨艙區(qū)，設(shè)有雙底雙舷，中間為大冷卻箱和容積為243 m3的LNG儲(chǔ)罐組裝整體模塊安裝區(qū)域;邊艙為空艙、污水井、壓載水艙及淡水艙等，首尾各設(shè)有直梯通往露天甲板。

(5)Fr69至Fr79為輔助設(shè)備艙，布置有生活污水排放泵、淡水自動(dòng)給水泵和衛(wèi)生水自動(dòng)給水泵等，內(nèi)設(shè)有直梯通往主甲板。

(6)Fr79至船艏為艏尖艙，設(shè)有2個(gè)錨鏈艙。

4．1．2 主甲板

(1)艉至 Fr4為艉升高甲板，配備1臺(tái)電動(dòng)系纜絞盤。

(2)Fr4至Fr19為發(fā)電機(jī)區(qū)域，設(shè)有發(fā)電機(jī)室、配電間及制氮設(shè)備間。

(3)Fr19至Fr69為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐區(qū)域，其中Fr23至Fr33左右舷各設(shè)有下加注平臺(tái)，主要供給受注船進(jìn)行加注作業(yè);右舷Fr21至Fr30設(shè)有上加注平臺(tái)，主要供本船進(jìn)行被加注作業(yè);在Fr37左、右舷各設(shè)有1臺(tái)液壓折臂起重機(jī)，主要用于起吊加注軟管。艙口圍板與LNG儲(chǔ)罐間采用有效的風(fēng)雨密設(shè)施。

(4)Fr69至Fr79為值班室、衛(wèi)生室、休息室兼餐廳，可進(jìn)行簡(jiǎn)單的食品加工。

(5)Fr79至艏升高甲板，布置2臺(tái)輕型電動(dòng)起錨機(jī)。

4．1．3 艉平臺(tái)甲板

艉部Fr6至Fr21設(shè)有貨控室及預(yù)留臨時(shí)發(fā)電機(jī)的位置。

4．1．4 駕駛甲板

艉部Fr64至Fr80設(shè)有駕駛室。

4．2 船體結(jié)構(gòu)

本船采用單甲板、貨艙區(qū)雙底雙舷鋼質(zhì)電焊結(jié)構(gòu);中部 LNG儲(chǔ)罐區(qū)為下沉式，以滿足《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》2009及修改通報(bào)(2012)的要求。

4．3 結(jié)構(gòu)型式

艉至Fr19及Fr69至艏為單層底橫骨架式;Fr19至Fr69為雙底雙舷縱骨架式。甲板室為橫骨架式。

4．4 連接設(shè)備的布置

本船LNG加注接口和供給接口均采用柔性連接方式。供給受注船進(jìn)行加注作業(yè)用的連接設(shè)備分別安置在主甲板Fr23至Fr33左、右舷下的加注平臺(tái);供本船進(jìn)行被加注作業(yè)用的連接設(shè)備安置在主甲板Fr21至Fr30右舷上的加注平臺(tái);按規(guī)范要求，連接設(shè)備的底座結(jié)構(gòu)及其與船體結(jié)構(gòu)連接部位處的強(qiáng)度均按照《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》的要求進(jìn)行分析;連接設(shè)備距離舷側(cè)有足夠的距離，以避免船舶靠泊或加注作業(yè)過(guò)程中連接設(shè)備受損;加注軟管不作業(yè)時(shí)用安全固定裝置固定。

4．5 加注船標(biāo)記

按規(guī)范要求，加注船兩舷應(yīng)勘劃“LNG加注船”標(biāo)記。該標(biāo)記應(yīng)醒目可見(jiàn)，且能在夜間識(shí)別。

5 電源和推進(jìn)裝置

5．1 電源裝置

本船電力系統(tǒng)電制為三相三線絕緣系統(tǒng)，AC400 V/50 Hz。船舶電站由2臺(tái)安裝在本質(zhì)安全機(jī)器處所內(nèi)的單燃料LNG主發(fā)電機(jī)和主配電板、變壓器組成，向推進(jìn)裝置、全船輔助動(dòng)力設(shè)備、照明系統(tǒng)與生活設(shè)施等負(fù)載提供電力。

當(dāng)船舶出現(xiàn)因無(wú)氣源而不能提供電力狀況時(shí)，可以吊裝1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組至艉平臺(tái)甲板預(yù)留柴油機(jī)位置處，通過(guò)預(yù)留電纜向主配電板供電。

本船還設(shè)有應(yīng)急充放電板，采用雙線絕緣系統(tǒng)DC24 V。正常情況時(shí)，充電器通過(guò)充放電板對(duì)蓄電池組和重要DC24 V負(fù)荷浮充供電;當(dāng)主電源失電時(shí)，應(yīng)急DC24 V電源自動(dòng)投入，向臨時(shí)應(yīng)急照明負(fù)載及報(bào)警系統(tǒng)供電。

圖1 內(nèi)河200 m3LNG加注船總布置示意圖

5．2 推進(jìn)裝置

本船采用電力推進(jìn)裝置工作方式，由主氣機(jī)組向主配電板供電，再通過(guò)隔離變壓器方向主頻器傳輸，變頻器對(duì)主推進(jìn)配電機(jī)進(jìn)行控制。本船配有2套全回轉(zhuǎn)舵槳裝置，在舵槳艙內(nèi)左右對(duì)稱布置。舵槳控制方式有2種:一是在駕駛室內(nèi)通過(guò)主推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速及控制螺旋槳的轉(zhuǎn)向;二是在舵槳艙內(nèi)進(jìn)行機(jī)旁控制，并設(shè)有機(jī)旁轉(zhuǎn)換單元。當(dāng)駕駛室控制失效時(shí)，在機(jī)旁能有效地進(jìn)行控制。機(jī)旁和駕駛室均有控制位置指示，操作上兩地互相連鎖。當(dāng)從一地控制轉(zhuǎn)向另一地控制時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向保持不變。推進(jìn)系統(tǒng)在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)方向上，從零轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能平滑控制和提供足夠的轉(zhuǎn)矩。

6 加注系統(tǒng)

6．1 加注裝置

本船配置200 m3的LNG大儲(chǔ)罐，不僅能給內(nèi)河中的LNG動(dòng)力船加注LNG燃料，同時(shí)也可以通過(guò)甲板下的2．84 m3自用燃料儲(chǔ)罐向2臺(tái)LNG氣體發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力能源。

加注系統(tǒng)主要由燃?xì)夤?yīng)控制器、緊急切斷控制器、測(cè)量模塊、工控機(jī)、顯示單元、LNG壓力溫度監(jiān)測(cè)儀表、LNG泄露監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置等組成。通過(guò)顯示器可以監(jiān)控系統(tǒng)所有測(cè)點(diǎn)狀態(tài)，并進(jìn)行圖形與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示，具備報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄與查詢、故障自檢及診斷等功能。

6．2 監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)

按規(guī)范要求，加注系統(tǒng)包含了LNG加注控制系統(tǒng)、加注及儲(chǔ)氣罐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、燃?xì)饧幼⒑凸?yīng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)報(bào)警、安全保護(hù)系統(tǒng)，且應(yīng)具有抗干擾能力強(qiáng)和監(jiān)控精度高的特點(diǎn)。

6．3 LNG加注及供給

加注控制系統(tǒng)主要任務(wù)是完成對(duì)他船儲(chǔ)罐的補(bǔ)液工作，并在補(bǔ)液過(guò)程中完成對(duì)管路、流量計(jì)中殘存氣體的吹掃和遇冷控制;發(fā)出對(duì)低溫泵的啟?？刂菩盘?hào);對(duì)加液輸送泵、加注軟管及相關(guān)管路閥件進(jìn)行控制。

當(dāng)LNG供給本船發(fā)電機(jī)使用時(shí)，經(jīng)氣化加熱后，氣體維持在一定壓力和溫度情況下給發(fā)電機(jī)供氣。控制功能包括發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行前的系統(tǒng)氣化、運(yùn)行時(shí)的供氣和發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)的儲(chǔ)罐回氣功能。操作模式分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作，手動(dòng)操作時(shí)所有泵和閥的開(kāi)啟和關(guān)閉在操作面板上手動(dòng)執(zhí)行，自動(dòng)操作根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)自動(dòng)執(zhí)行。

6．4 緊急切斷(ESD)系統(tǒng)

ESD系統(tǒng)是加注系統(tǒng)必不可少的組成部分，需經(jīng)專門機(jī)構(gòu)認(rèn)證且具有一定安全等級(jí)的降低風(fēng)險(xiǎn)的保護(hù)系統(tǒng)。它不僅能夠響應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程因超出安全極限而帶來(lái)的危險(xiǎn)，而且能夠檢測(cè)和處理自身的故障，從而按預(yù)定的條件或程序使生產(chǎn)過(guò)程處于安全狀態(tài)，以確保人員、設(shè)備及場(chǎng)區(qū)的安全。ESD系統(tǒng)的手動(dòng)操作位置應(yīng)至少包括2處，在便于操作觀察同時(shí)應(yīng)盡可能利于到達(dá)和人員的撤離。

7 結(jié)語(yǔ)

為了滿足LNG動(dòng)力船的水上加注需求，開(kāi)發(fā)研制有自航能力的LNG加注船。在設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，從艙室布置到各系統(tǒng)都必須按照有關(guān)規(guī)范的要求，確保安全可靠性。2016年10月，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》，把低碳發(fā)展作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略和生態(tài)文明建設(shè)的重要途徑，要求采取積極措施，有效控制溫室氣體排放。環(huán)保性是基本國(guó)策必須強(qiáng)制執(zhí)行，經(jīng)濟(jì)性是推動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?，可以預(yù)見(jiàn)LNG動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)定會(huì)克服瓶頸，取得迅速發(fā)展。

［1］ 周淑惠，沈鑫，劉曉娟，等．LNG在我國(guó)內(nèi)河水運(yùn)領(lǐng)域的應(yīng)用探討［J］．天然氣工業(yè)，2013，33(2):81-89．