胡慶華, 劉建朔

(新奧能源控股有限公司，河北廊坊065001)

1 概述

船舶壓載水是控制船舶橫傾、縱傾、吃水、穩(wěn)性或應(yīng)力而加裝到船上的水及懸浮物質(zhì)，對于大多數(shù)空載狀態(tài)下的船舶是必不可少的[1]。然而，由壓載水引發(fā)的海洋污染、外來生物入侵，會給海域帶來嚴(yán)重環(huán)境問題，還會引起寄生蟲和病原體的傳播?！秶H船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》(BWM公約)已于2017年9月8日生效，在制止入侵水生生物傳播方面標(biāo)志著一個里程碑，這就要求船舶安裝壓載水系統(tǒng)，且必須按照國際海事組織程序獲得國家有關(guān)部門的認(rèn)可，因此船舶的建造和運(yùn)營成本將提高[2]。

此外，隨著LNG市場的發(fā)展，LNG 物流逐漸呈現(xiàn)多樣性，近年來對小型 LNG 運(yùn)輸船的需求逐漸增加[3]。目前全球4×104m3以下的LNG運(yùn)輸船數(shù)量已達(dá)到50艘，其中約有25艘在亞洲地區(qū)運(yùn)營。據(jù)了解，目前在我國建造的小型LNG運(yùn)輸船有近10艘，船容積包括1.4×104m3、2.75×104m3和3×104m3等，液貨艙均采用C型罐。

基于以上分析，對小型LNG運(yùn)輸船實(shí)現(xiàn)無壓載水操作的船型進(jìn)行研究，完成了2×104m3LNG運(yùn)輸船的船型設(shè)計(jì)，從而為船東降低船舶運(yùn)營成本。

2 設(shè)計(jì)思想

本文的設(shè)計(jì)思想?yún)⒖既毡綱型無壓載水船舶的設(shè)計(jì)理念，充分結(jié)合小型LNG運(yùn)輸船C型液貨艙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及LNG運(yùn)輸船的規(guī)范要求，采用V型船體、雙機(jī)雙槳和雙層底雙層殼的設(shè)計(jì)。

V型船體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得船舶在空載時相當(dāng)于傳統(tǒng)船型30%～40%的壓載情況，在惡劣海況下相當(dāng)于傳統(tǒng)船型25%左右的壓載情況，能夠保證安全航行[4]。通過大量研究和論證，包括船舶完整穩(wěn)性、破艙穩(wěn)性等計(jì)算，設(shè)計(jì)出了圖1所示的船舶總體設(shè)計(jì)圖。

3 整體設(shè)計(jì)內(nèi)容

船舶服務(wù)于深海和沿海航區(qū)，LNG貨艙由3個C型液貨艙組成，分別置于3個獨(dú)立的隔離船艙中，貨艙區(qū)域船體采用雙層底和雙層殼的結(jié)構(gòu)。推進(jìn)方式采用雙機(jī)雙槳(兩臺船舶主機(jī)和兩臺螺旋槳)的形式，主機(jī)選用中速燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，螺旋槳采用調(diào)距槳。

圖1 船舶總體設(shè)計(jì)圖

3.1 船舶線型

目前多數(shù)中小型LNG運(yùn)輸船液貨艙基本采用C型獨(dú)立液貨艙，C型獨(dú)立液貨艙垂直于船長方向的縱截面為圓形。本方案采用優(yōu)化的船舶總體設(shè)計(jì)，LNG貨艙區(qū)域的船體垂直于船長方向的縱截面形狀為V型，V型船體結(jié)構(gòu)與C型獨(dú)立液貨艙的圓形結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，見圖2。相比傳統(tǒng)的船體結(jié)構(gòu)，V型船身的特點(diǎn)是船體采用更加細(xì)長、船底呈明顯向下突出的V型，以使得船舶有足夠的吃水配合船舶空載時的性能要求，且可以充分減少船體鋼材的使用。

充分考慮船舶干舷、穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面因素，本船的主尺寸為：船長149.60 m，型寬27.00 m，型深12.15 m，吃水7.15 m。

3.2 液貨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液貨圍護(hù)系統(tǒng)由3個C型獨(dú)立液貨艙組成，采用9鎳鋼材質(zhì)，最小設(shè)計(jì)壓力為4 kPa，每個液貨艙設(shè)計(jì)一個氣室作為管路和電纜連接處所，貨艙的絕緣需保證LNG每天的蒸發(fā)率在0.3%左右，每個貨艙設(shè)置一個透氣桅(即燃?xì)夥派⒐艿?和兩個安全閥，需滿足國際海事組織規(guī)則要求。

裝卸貨系統(tǒng)主要由低溫貨泵、貨物集管等組成，3個液貨艙中各設(shè)一臺低溫貨泵，流量約為400 m3/h；貨物集管(向船內(nèi)輸送和由船向外輸出LNG和BOG的管路，也連接3個液貨艙)設(shè)置在船舶中部，設(shè)置2路液相管和1路氣相管。當(dāng)其中一個液貨艙低溫貨泵出現(xiàn)故障需進(jìn)行緊急卸貨時，可通過BOG壓縮機(jī)對該貨艙進(jìn)行增壓，從而將該艙中的LNG輸送到其他液貨艙，達(dá)到緊急卸貨的目的。液貨區(qū)域側(cè)視圖和俯視圖見圖3。

圖3 液貨區(qū)域側(cè)視圖和俯視圖

貨物操作和燃料供應(yīng)需根據(jù)液位報(bào)警進(jìn)行，當(dāng)液位達(dá)到高液位報(bào)警時停止所有貨物操作。船岸之間須連接ESD系統(tǒng)(緊急切斷系統(tǒng))，并根據(jù)國際氣體船運(yùn)輸與碼頭經(jīng)營者協(xié)會(SIGTTO)的要求設(shè)置。在某處泄漏或發(fā)生火災(zāi)等緊急情況下，設(shè)置在集管和氣室的ESD閥門需關(guān)閉，貨泵和BOG壓縮機(jī)需停止運(yùn)行，船岸之間連接的ESD系統(tǒng)需停止運(yùn)行?？刂?、監(jiān)測和報(bào)警點(diǎn)設(shè)置主要有以下幾點(diǎn)：貨泵的控制和監(jiān)測；BOG壓縮機(jī)的控制和監(jiān)測；貨艙和燃?xì)饩彌_罐壓力監(jiān)測；貨艙內(nèi)上、中、下3個溫度監(jiān)測點(diǎn)；裝卸貨出口壓力監(jiān)測；貨艙液位監(jiān)測與報(bào)警等。

氮?dú)庀到y(tǒng)設(shè)置一臺100 m3/h的氮?dú)獍l(fā)生器，氮?dú)饧兌葹?6%，露點(diǎn)為-50 ℃，供氣壓力為5 kPa，用于LNG貨艙與其隔離空艙的惰化和驅(qū)氣，以及管路的吹掃。此外，設(shè)備間需要進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)。

3.3 動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見圖4。船舶動力系統(tǒng)設(shè)置兩臺中速4沖程LNG燃料內(nèi)燃機(jī)作為主機(jī)，在兩臺主機(jī)的輸出端各設(shè)置一臺具有PTO(動力輸出)、PTI(動力輸入)功能的軸帶發(fā)電機(jī)，并設(shè)置兩臺發(fā)電機(jī)組。兩臺主機(jī)為船舶航行提供動力，同時通過軸帶發(fā)電機(jī)的PTO功能為船舶電站供電，船舶電站為船舶提供電力，包括照明用電、設(shè)備用電、船舶艏側(cè)推用電等。當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障或LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可由兩臺發(fā)電機(jī)組發(fā)電，提供給船舶電站，并通過船舶電站利用軸帶發(fā)電機(jī)的PTI功能，驅(qū)動推進(jìn)器。

主機(jī)供氣系統(tǒng)主要包括一臺安裝于液貨艙中的燃料泵、兩臺BOG壓縮機(jī)、一個燃?xì)饩彌_罐、一臺強(qiáng)制蒸發(fā)器。主要利用3個液貨艙的BOG作為燃料，BOG經(jīng)BOG壓縮機(jī)提升到滿足主機(jī)所需的壓力，儲存到燃?xì)饩彌_罐中。在液貨艙壓力較低的情況下，通過液貨艙中的LNG燃料泵將LNG輸送到強(qiáng)制蒸發(fā)器轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，同樣儲存在燃?xì)饩彌_罐中，為主機(jī)供氣。

強(qiáng)制蒸發(fā)器由乙二醇水溶液加熱，乙二醇水溶液由主機(jī)冷卻水和電加熱器進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)主機(jī)冷卻水的余熱利用。

圖4 船舶動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4 船舶滿足航行要求的操作方法

船舶滿載航行時，無需考慮壓載問題，其吃水已滿足完全浸沒螺旋槳和艏艉吃水差的全部要求，此時，啟動船舶主機(jī)，帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，船舶可以安全平穩(wěn)航行。

船舶空載時，為了能滿足航行要求，需要消耗燃料和淡水(生活用水)，應(yīng)先使用靠近船艉部的燃料艙和淡水艙，逐步使用向船艏方向的其他艙，若還不能滿足航行的條件，可通過燃料艙和燃料艙之間的燃料傳輸，或者淡水艙和淡水艙之間的淡水傳輸來保證船舶穩(wěn)態(tài)，原則是艉部艙的燃料或淡水向艏部艙傳輸。

5 無壓載水LNG運(yùn)輸船的發(fā)展前景

國際海事組織(IMO)曾做過調(diào)查統(tǒng)計(jì)，全球每年共有逾100×108t壓載水排入海洋，每天至少有7 000個有機(jī)體隨壓載水遠(yuǎn)航至他鄉(xiāng)。物種入侵，加劇了海洋生態(tài)鏈的惡化。BWM公約給廣大船東帶來一定的經(jīng)濟(jì)壓力，然而無壓載水船舶技術(shù)的出現(xiàn)，將為未來船舶的建造減輕經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，尤其是小型LNG運(yùn)輸船，基于其C型貨艙的圓形特點(diǎn)，更加適合V型船舶結(jié)構(gòu)，不僅無需安裝壓載水處理系統(tǒng)，而且可以節(jié)省鋼材用量，具有廣闊的前景。

近年來全球LNG的生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍，LNG作為清潔能源，正成為世界能源工業(yè)新的熱點(diǎn)。為保證能源供應(yīng)的多元化和改善用能結(jié)構(gòu)，能源消費(fèi)大國越來越重視LNG的引進(jìn)，日本、中國、韓國等國家都在大規(guī)模建設(shè)LNG接收站，因此LNG航運(yùn)市場將逐漸增大，勢必需要擴(kuò)大LNG運(yùn)輸船隊(duì)，小型LNG運(yùn)輸船可以為大型LNG接收站的LNG轉(zhuǎn)運(yùn)、海上油田伴生氣的回收、短距離駁運(yùn)等服務(wù)，成為當(dāng)今LNG行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)[5]。該V型無壓載水船舶技術(shù)適用于小型LNG運(yùn)輸船。

此外，由國際海事組織(IMO)主導(dǎo)的國際社會治理船舶污染的工作正在穩(wěn)步推進(jìn)中。其中，2020年開始實(shí)施的船舶硫氧化物排放限制規(guī)定，將促使船舶采用新的技術(shù)和設(shè)備降低污染物排放量。LNG動力船、雙燃料船將成為達(dá)標(biāo)的先行者，大量LNG動力船和雙燃料船將在2020年前后進(jìn)入市場。LNG移動加注船以加注靈活、便捷的優(yōu)勢正在快速發(fā)展，該V型無壓載水船舶技術(shù)同樣適用于LNG移動加注船。

6 結(jié)語

本文介紹了一種V型無壓載水的LNG運(yùn)輸船設(shè)計(jì)方案，將V型結(jié)構(gòu)與C型獨(dú)立液貨艙完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了小型LNG運(yùn)輸船的無壓載水操作，不僅可以解決壓載水的污染問題，還可以降低建造成本和運(yùn)營成本。雖然該方案較為完善，但后續(xù)還需進(jìn)行深入研究，包括詳細(xì)計(jì)算和CFD模擬，只有通過更多的性能分析才能總體評價方案的可行性。