摘要：由于氫燃料的特性，出于安全性考慮，氫燃料電池動(dòng)力船舶對(duì)總體布置的要求不同于常規(guī)燃油動(dòng)力船舶，氫燃料電池動(dòng)力船舶的續(xù)航需求也對(duì)船舶重量控制提出了更高要求，因此對(duì)氫燃料電池動(dòng)力船舶的總體進(jìn)行合理布局、選擇合適的材質(zhì)及對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是氫燃料電池動(dòng)力船舶船體設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池艙；危險(xiǎn)區(qū)域；有限元建模計(jì)算

中圖分類號(hào)：U662"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)：1673?6478（2023）04-0009-05

Layout and Structural Design of Hydrogen Fuel Catamaran Passenger Ship

HU Tao， TANG Wenjun， CHEN Xi

（Wuhan Changjiang Ship Design Institute Co.， Ltd.， Wuhan Hubei 430062， China）

Abstract： Due to the characteristics of hydrogen fuel， for safety reasons， hydrogen fuel cell powered ships have different requirements for the overall layout than conventional fuel?powered ships， and the endurance requirements of hydrogen fuel cell powered ships also put forward higher requirements for ship weight control. Therefore， it is important to design the hull of hydrogen fuel cell powered ship to make reasonable overall layout， select suitable material and optimize the structure.

Key words： hydrogen fuel cell cabin; dangerous areas; finite element modeling calculation

0 引言

現(xiàn)階段氫作為能源主要以兩種型式的動(dòng)力裝置應(yīng)用于船舶：一是應(yīng)用于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，如純氫內(nèi)燃機(jī)；二是應(yīng)用于新型動(dòng)力裝置?燃料電池。

氫內(nèi)燃機(jī)受到卡諾循環(huán)的限制，熱效率相對(duì)燃料電池較低，且氫內(nèi)燃機(jī)還會(huì)產(chǎn)生氮氧化物等排放，而氫燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、振動(dòng)噪聲低、技術(shù)成熟度高等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在船用領(lǐng)域發(fā)展受到關(guān)注。國(guó)內(nèi)目前氫能在船舶上的應(yīng)用以沿海和內(nèi)河水域的游船等中小型船舶為主，包括觀光船、公務(wù)船等，主要為示范應(yīng)用船。

由于氫燃料電池自身輸出特性，其瞬態(tài)響應(yīng)較慢，不適合單獨(dú)作為船舶的主推進(jìn)動(dòng)力，因此理想的方案還是將氫與其他能源結(jié)合使用，例如與鋰電池、發(fā)電機(jī)組等組成綜合電站來(lái)使用。氫氣盡管是質(zhì)量能量密度最高的燃料，但是其體積能量密度卻非常低。目前船用氫氣以高壓氣態(tài)為主，較為常用的35MPa壓縮氫氣的體積能量密度僅為柴油體積能量密度的10%左右，導(dǎo)致存儲(chǔ)氫氣所需的高壓氣瓶的體積遠(yuǎn)高于目前存儲(chǔ)柴油所需的燃油艙。另外，氫氣密度小，易泄漏，還具有易燃易爆的特性，需要設(shè)置更多的閥件、管路等附件以保障安全，所以以氫氣作為燃料電池的燃料對(duì)船舶儲(chǔ)氫系統(tǒng)的體積和安全性提出了更高的要求。

本文以國(guó)內(nèi)首條入級(jí)中國(guó)船級(jí)社的氫燃料雙體客船（“三峽氫舟1”）為例，介紹采用氫燃料電池動(dòng)力的雙體客船在總體布置、材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何考慮氫燃料安全及氫燃料電池對(duì)存儲(chǔ)、運(yùn)行等方面的要求，以合理確定總體布局及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證船舶功能的實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 “三峽氫舟1”主要尺度、性能

“三峽氫舟1”的主要尺度、性能見表1、表?2。

船舶在設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要參考的設(shè)計(jì)規(guī)范、法規(guī)如下：

CMSA《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則?內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2019）；

CCS《內(nèi)河船舶入級(jí)規(guī)則》（2018）；

CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）及其修改通報(bào)；

CCS《材料與焊接規(guī)范》（2021）；

CCS《純電池動(dòng)力船舶檢驗(yàn)指南》（2019）；

CCS《船舶應(yīng)用替代燃料指南》（2017）；

CCS《燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用指南》（2015）；

CCS《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》（2020）；

CCS《智能船舶規(guī)范》（2020）；

CCS《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》（2022）；

CMSA《氫燃料動(dòng)力船舶技術(shù)與檢驗(yàn)暫行規(guī)則》（2022）。

以及國(guó)家、交通運(yùn)輸部及行業(yè)相關(guān)的其他現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

2 總布置設(shè)計(jì)

船舶總布置設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)全船進(jìn)行綜合考慮，在滿足相關(guān)法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的前提下，通過(guò)合理有效的布局，保證船舶的性能、安全、工藝、美觀、方便及舒適性，以滿足船東方的使用需求。

氫燃料電池動(dòng)力船一般都是混合動(dòng)力，因?yàn)闅淙剂想姵刈陨淼奶匦裕叭龒{氫舟1”除燃料電池相關(guān)設(shè)備外，還需要設(shè)置鋰電池以滿足在功率變化較為劇烈時(shí)的需求。與常規(guī)柴油機(jī)動(dòng)力船舶相比，需增加鋰電池艙、氫氣瓶間、燃料電池艙、透氣桅、氫燃料加注口及眾多的通風(fēng)管系等一系列艙室及設(shè)備。

本船在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分體現(xiàn)安全布置原則，特別是需要考慮氣體危險(xiǎn)區(qū)域的布置，充分保證安全區(qū)域與氣體危險(xiǎn)區(qū)域的隔離、氫氣儲(chǔ)存處所的防護(hù)、氫燃料電池系統(tǒng)的碰撞、機(jī)械損傷等的影響，同時(shí)還要考慮氫燃料釋放源的布置應(yīng)使釋放的氣體通向露天處所?！叭龒{氫舟1”作為一條雙體船，艙底功能艙室更多，可能形成氣體危險(xiǎn)區(qū)域的通風(fēng)管系也更為復(fù)雜，在安全方面的設(shè)計(jì)難度相較單體船更高。

本船的氫氣采用35MPa的壓縮氫氣，氫氣瓶間必須布置在主甲板以上的區(qū)域，且不能與A類/重要機(jī)器處所相鄰；燃料電池艙的艙室需采用鋼質(zhì)氣密圍蔽，其艙室形狀應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，其頂部結(jié)構(gòu)應(yīng)避免氫氣的聚集，其與氫氣瓶間應(yīng)設(shè)置隔離艙室；加注接口應(yīng)盡量布置在露天處所，以使其有足夠的通風(fēng)，另外還要綜合考慮透氣桅、通風(fēng)口等對(duì)總布置的影響。

根據(jù)最新發(fā)布的CMSA《氫燃料動(dòng)力船舶技術(shù)與檢驗(yàn)暫行規(guī)則（2022）》對(duì)于氫燃料罐的布置要求，對(duì)于內(nèi)河船舶：

（１）距離舷側(cè)不少于B/10或1.0m；

（２）距離船底不少于B/15或2m；

（３）在任何位置，距離船體外板或艉端點(diǎn)不少于0.8m；

（４）對(duì)于客船，氫燃料罐應(yīng)位于距首垂線0.08L的橫截面后方；對(duì)于貨船，氫燃料罐應(yīng)位于防撞艙壁后方；

（５）如果氫燃料罐布置在船體尾部開敞甲板上，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，以防止船舶追尾對(duì)氫燃料罐造成損壞。

本船在設(shè)計(jì)中不僅要考慮上述法規(guī)要求，還需要綜合危險(xiǎn)區(qū)域的劃分以及通風(fēng)、通道開口的設(shè)置要求，同時(shí)由于氫氣是一種極易燃燒的危險(xiǎn)化學(xué)品，在船舶航行及系泊過(guò)程中為防止碰撞產(chǎn)生危險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)中將氫氣瓶間設(shè)置在主甲板尾部區(qū)域并遠(yuǎn)離功能性艙室區(qū)域，同時(shí)采用鋼質(zhì)圍壁結(jié)構(gòu)加防火材料進(jìn)行保護(hù)，氫氣瓶布置于主甲板上方，距船底、舷側(cè)距離均達(dá)到3.8m，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，充分防止意外碰撞可能導(dǎo)致的危險(xiǎn)。按照規(guī)范要求，氫氣瓶間下方與燃料電池艙需設(shè)置500mm高的隔離艙，考慮到施工方便，本船實(shí)際設(shè)置了600mm高的隔離空艙進(jìn)行隔離。

從上述布置情況來(lái)看本船氫氣瓶布置距離大大超過(guò)法規(guī)要求值，進(jìn)一步提高了本船的安全性能。

按照內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（2019）要求，電池箱柜與艙壁及上方甲板之間應(yīng)至少留有150mm的空間。除此外，還需要預(yù)留足夠的空間用于電池的維護(hù)保養(yǎng)，電池艙對(duì)空間的需求較高，橫向和垂向都需要有足夠的布置空間。因此，電池艙需要盡量布置在船中橫剖面較為豐滿的區(qū)域。

本船為尾機(jī)型船舶，尾部需要布置舵槳艙、燃料電池艙、機(jī)電設(shè)備艙等，大約占據(jù)1/2左右的船長(zhǎng)；船中靠首范圍內(nèi)用于布置電池艙，考慮到電池艙本身的防護(hù)安全性以及船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需要，該區(qū)域劃分為左右片體兩個(gè)電池艙。首部較為尖瘦區(qū)域用于布置艏尖艙。根據(jù)船舶線型及相關(guān)艙室的布置要求，尾部尾端至FR40區(qū)域用于布置舵槳艙、燃料電池艙、機(jī)電設(shè)備艙；FR40～FR61用于布置電池艙；FR61～首用于布置空艙、首尖艙。

由于電池艙、燃料電池艙需要進(jìn)行七氟丙烷滅火及CO₂滅火，主甲板設(shè)置有七氟丙烷氣瓶間與CO₂間；為了抽排電池艙、燃料電池艙熱量，主甲板設(shè)通風(fēng)機(jī)用于強(qiáng)制通風(fēng)。

危險(xiǎn)區(qū)域的劃分與布置是氫燃料動(dòng)力船的重點(diǎn)和難點(diǎn)，根據(jù)CMSA《氫燃料動(dòng)力船舶技術(shù)與檢驗(yàn)暫行規(guī)則（2022）》對(duì)于安全區(qū)域的要求：

（１）距離任何氫燃料罐出口，氣體或蒸氣出口，加注總管閥門，其他氫燃料閥、氫燃料管法蘭及其他氫燃料釋放源，氫燃料準(zhǔn)備間通風(fēng)出口，其他1區(qū)通風(fēng)出口和為讓溫度變化產(chǎn)生少量氣體或蒸氣混合物流動(dòng)而設(shè)置的氫燃料罐壓力釋放口3m以內(nèi)的開敞甲板上的區(qū)域或甲板上的半圍蔽處所；

（２）燃料電池處所入口及其通風(fēng)進(jìn)口，氫燃料準(zhǔn)備間入口及其通風(fēng)進(jìn)口，以及通向1類危險(xiǎn)區(qū)域處所的其他開口1.5m以內(nèi)的開敞甲板上的區(qū)域或甲板上的半圍蔽處所；

（３）開敞甲板上包括加注總管閥門的集液盤以內(nèi)及擋板向外延伸3m，并不高于集液盤底部以上2.4m的處所。

根據(jù)上述危險(xiǎn)區(qū)域要求，安全區(qū)域要與可能出現(xiàn)危險(xiǎn)氣體的處所保持足夠的間距，燃料電池艙與氫氣存儲(chǔ)處所需要隔離。

本船設(shè)計(jì)時(shí)按照氣體危險(xiǎn)區(qū)域整體集中布局的原則將氫氣瓶間、燃料電池艙進(jìn)出風(fēng)口及氫氣加注站都集中布置于尾部區(qū)域并遠(yuǎn)離功能性艙室、主甲板尾部下舵槳艙艙蓋、舵槳艙進(jìn)出風(fēng)口及首部功能性艙室的外圍壁門均布置于安全區(qū)域內(nèi)。

為了防止燃料電池艙、氫氣瓶間處所產(chǎn)生的危險(xiǎn)區(qū)域過(guò)大，對(duì)其他處所的設(shè)備布置產(chǎn)生影響，在氫氣瓶間通往主甲板開敞處所的出口設(shè)置兩道空氣閘門防止氣體危險(xiǎn)區(qū)域擴(kuò)大；并對(duì)燃料電池艙采用滿足要求的機(jī)械通風(fēng)，從而使燃料電池艙達(dá)到氣體安全處所的要求，使其通風(fēng)進(jìn)出口不再成為氣體危險(xiǎn)區(qū)域，從而盡量緩解危險(xiǎn)區(qū)域的進(jìn)一步擴(kuò)大擴(kuò)散，從整體布局上提高本船的安全性。由于氫氣密度較空氣更小，故本船將氫氣放散口、雙壁管進(jìn)出風(fēng)口布置于頂篷甲板上方，更有利于氫氣的安全排放。

綜合布置后，主甲板由尾至首依次布置有：尾部系泊區(qū)、加注站、下燃料電池艙梯道、氫氣瓶間、風(fēng)道、空氣閘、七氟丙烷間、下機(jī)電設(shè)備艙梯道、值班室、干粉間、備件間、氫氣瓶控制柜間、橫向走道、衛(wèi)生間、茶水間、氮?dú)忾g、休息室、進(jìn)廳（內(nèi)設(shè)上游步甲板梯道）、多功能廳、下電池艙梯道、控制室、首部錨泊系泊區(qū)。

游步甲板由尾至首依次布置有：衛(wèi)生間、休息間、服務(wù)間、內(nèi)走道、上駕駛甲板梯道、進(jìn)廳、會(huì)客室。

駕駛甲板由尾至首依次布置有：衛(wèi)生間、會(huì)議室兼指揮中心、駕駛室。

“三峽氫舟1”總體布置平面圖見圖2所示。

3 船舶材質(zhì)選擇

目前常用的船體材料包括金屬材料和非金屬材料。金屬材料有鋼材、鋁合金、鈦合金等；非金屬材料有木材、水泥、復(fù)合材料等。

其中木材、水泥在現(xiàn)代船舶建造中已很少使用，鈦合金雖然具有極好的化學(xué)及物理性能，但其價(jià)格過(guò)于高昂，一般只用于潛艇和深潛器的耐壓殼體制作，因此，這幾種材料在本船上都不能采用。

復(fù)合材料作為新型功能結(jié)構(gòu)材料，雖然具有重量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性能好、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，但是其一般采用一次性成型工藝，在船舶出現(xiàn)破損狀況時(shí)的修復(fù)也需要有相應(yīng)的工藝要求。目前三峽庫(kù)區(qū)流域基本不具備對(duì)其進(jìn)行修復(fù)的條件，故本船不采?用。

目前常用的金屬材料主要是鋼材和鋁合金。鋁合金由于具有密度小、比強(qiáng)度大以及無(wú)磁性、高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，目前已經(jīng)大量用于中小型船舶。船舶結(jié)構(gòu)鋼材的選用必須充分考慮船舶航行條件和船舶承重性能，主船體一般容易產(chǎn)生碰撞，故一般采取鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)。出于對(duì)本船排水量控制的考慮，需要盡量減輕船舶重量，要充分考慮鋁合金結(jié)合性好和輕便的優(yōu)勢(shì)，可以采用更加輕便、耐腐蝕的鋁合金材質(zhì)。經(jīng)測(cè)算，本船采用鋁合金材質(zhì)來(lái)建造船舶的甲板室，主船體使用鋼材，其排水量可以減少18%左右，這對(duì)排水量是一個(gè)較為顯著的降低，在方形系數(shù)不變的情況下，可以減少18%的吃水需求，若采用鋼質(zhì)上建，增加18%左右的吃水及排水量，會(huì)造成15%以上的航速損失，并大大增加本船推進(jìn)電機(jī)功率，法規(guī)要求氫氣瓶間材質(zhì)必須為鋼質(zhì)或等效材料，本船考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求后采用鋼質(zhì)材料。

主體鋼質(zhì)、上建鋁合金材質(zhì)的鋼鋁混合結(jié)構(gòu)是很多船舶采用的較為常規(guī)的結(jié)構(gòu)型式，其建造工藝十分成熟。根據(jù)綜合比較分析，本船主體采用全鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)，上層建筑除氫氣瓶間采用鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)外其余采用鋁合金材料。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在船舶建造中，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響船舶建造的周期和成本。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在滿足規(guī)范的前提下，要綜合考慮船舶的安全性、使用性、整體性、工藝性和美觀性。其中，保障安全性是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保船舶建造的合理性。

本船為雙體、單底、單甲板，主船體鋼質(zhì)、上層建筑鋁合金的鋼鋁混合全焊接結(jié)構(gòu)船型。共設(shè)置有三層甲板室，由于布置的特殊性，本船甲板室玻璃幕墻骨架豎桿的間距（4m）大于規(guī)范（CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）§4.8.3.2）的要求值（3m），故利用大型有限元軟件MSC.PATRAN對(duì)整體甲板室結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模計(jì)算，以校核甲板室結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度，保證船舶安全。

綜上，本船甲板室玻璃幕墻骨架豎桿的間距為4m時(shí)，本船甲板室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，局部強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

三峽庫(kù)區(qū)氫燃料電池公務(wù)船“三峽氫舟1”是國(guó)內(nèi)首艘入級(jí)中國(guó)船級(jí)社（CCS）的500kW級(jí)氫燃料電池動(dòng)力船艇，該船型的研發(fā)是國(guó)內(nèi)氫能源船艇領(lǐng)域的一次重要突破，將進(jìn)一步推動(dòng)氫能源技術(shù)在內(nèi)河船舶的探索與應(yīng)用，助力我國(guó)氫能源船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展，船體作為船舶的重要組成部分，船舶總體布置的合理性直接決定氫燃料船舶相關(guān)功能是否能實(shí)現(xiàn)，船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)氫燃料船舶的安全性能、推進(jìn)性能及續(xù)航能力產(chǎn)生直接影響，本文中提到的總體合理布局、材質(zhì)選擇及船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)氫燃料電池動(dòng)力船舶的設(shè)計(jì)和建造具有參考意義。

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