江海直達(dá)小型LNG運(yùn)輸船設(shè)計(jì)研究

，，

(上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)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(yùn)輸量將會(huì)逐漸提高。國(guó)家能源局和長(zhǎng)江沿岸的地方政府也開(kāi)始推動(dòng)沿長(zhǎng)江流域的LNG燃料的消費(fèi)。

為此，中海油開(kāi)始醞釀并實(shí)施LNG接收站的長(zhǎng)江沿岸布局，并計(jì)劃打通由沿海至長(zhǎng)江中下游的LNG運(yùn)輸通道，滿足湖北等長(zhǎng)江重要省份對(duì)LNG需求。江海直達(dá)型小型LNG運(yùn)輸船可以實(shí)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(yùn)輸，覆蓋區(qū)域可以直達(dá)武漢。

設(shè)計(jì)江海直達(dá)小型LNG運(yùn)輸船的關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)全新的船型，最大程度降低投資和營(yíng)運(yùn)費(fèi)用。核心點(diǎn)在于貨物維護(hù)系統(tǒng)，推進(jìn)方式和動(dòng)力系統(tǒng)，以及如何處理貨物蒸發(fā)氣。本文將在這幾個(gè)方面展開(kāi)討論和對(duì)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(shí)還應(yīng)考慮主管部門對(duì)于船舶航行的相關(guān)要求以及船舶營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性等因素。

考慮到規(guī)劃運(yùn)量的需求，將以1萬(wàn)m3的LNG運(yùn)輸船為目標(biāo)，結(jié)合武漢長(zhǎng)江大橋以下的長(zhǎng)江干流的通航條件以及投資和營(yíng)運(yùn)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(zhǎng)江大橋以下至長(zhǎng)江口的長(zhǎng)江干流流域，對(duì)船舶通航限制最大的區(qū)段位于長(zhǎng)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(lái)年3月為長(zhǎng)江枯水期，長(zhǎng)江上游來(lái)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(kāi)始，隨著長(zhǎng)江上游來(lái)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(duì)長(zhǎng)江干流航道的整治力度，長(zhǎng)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(yùn)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(zhǎng)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(shí)，會(huì)發(fā)生吃水增加和縱傾變化的現(xiàn)象，因此船舶航行時(shí)應(yīng)保留一定的富裕水深。黃岡、鄂州至長(zhǎng)江口航段屬長(zhǎng)江中下游，為內(nèi)河I級(jí)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(duì)于運(yùn)輸危險(xiǎn)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(yíng)運(yùn)水域的通航限制，同時(shí)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(zhǎng)的可營(yíng)運(yùn)天數(shù)。經(jīng)過(guò)綜合平衡，本船的設(shè)計(jì)吃水確定為4.5 m。

1.1.2 橋梁通航凈空(空氣吃水)限制

長(zhǎng)江航道上橋梁對(duì)長(zhǎng)江通航的影響主要體現(xiàn)在三個(gè)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(shì)流態(tài)復(fù)雜航段，加大了船舶安全航行的風(fēng)險(xiǎn)。在確定LNG船主尺度的時(shí)候，必須參照該航段橋梁對(duì)于通航凈空、通航凈寬等尺度的限制。

南京長(zhǎng)江二橋以下航段的橋梁凈空高度均在50 m以上，對(duì)船舶通航限制較小，萬(wàn)t級(jí)輪船可以通過(guò)；南京到武漢段，橋梁凈空高度為24 m，對(duì)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(jì)，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(guò)通航高度為24 m的橋梁。因此，需采用可倒式信號(hào)桅，可以保證至少有足夠的通過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)的選擇受限。本船的長(zhǎng)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(zhǎng)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(qiáng)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(shí)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(zhǎng)江航道上的淺灘水道限制了船舶吃水，同時(shí)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(diǎn)，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(zhǎng)，這樣會(huì)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(shí)，盡量控制船寬和船長(zhǎng)；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(diǎn)，是適合于內(nèi)河運(yùn)輸?shù)拇瓦x擇。

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

垂線間長(zhǎng)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(zhǎng)江干流各海事主管部門對(duì)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(shí)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(yùn)貨品具有較大的危險(xiǎn)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(jì)航速不宜過(guò)大。

本船的推進(jìn)系統(tǒng)采用雙機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)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(yùn)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(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)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(yùn)輸船上。

C型獨(dú)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(lái)說(shuō)，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(shì)分析

3.1.1 罐體設(shè)計(jì)和制造分析

單圓筒罐結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)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(qiáng)，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(fèi)用也會(huì)額外增加。

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

單圓筒罐的基座形式簡(jiǎn)單，而雙耳罐基座更為復(fù)雜。在C型貨艙設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)。同樣以7 500 m3的雙耳罐為例[2]，采用304L材料時(shí)罐體最大的收縮量在直徑方向可能達(dá)到35 mm，這時(shí)，貨罐的底座和舷側(cè)支撐需要做特別設(shè)計(jì)以適應(yīng)這種收縮，對(duì)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(zhǎng)方向來(lái)看(見(jiàn)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(gè)甚至4個(gè)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(zhǎng)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(shí)向內(nèi)收縮，第一貨罐艙容較小。而對(duì)于單圓筒罐來(lái)說(shuō)，可分為兩個(gè)貨艙，采用兩個(gè)相同規(guī)格的單圓筒罐，結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單。另外，由于使用雙耳罐會(huì)導(dǎo)致貨艙數(shù)量增加，貨艙的容積/重量比也會(huì)下降。綜合考慮這些因素，同尺度條件下，雙耳罐帶來(lái)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(zhǎng)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(duì)于寬大淺吃水的船型來(lái)說(shuō)，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(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)形式的貨罐進(jìn)行比較。

對(duì)于單筒罐來(lái)說(shuō)，由于距離舷側(cè)較遠(yuǎn)，罐體得到有效保護(hù)不會(huì)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(gè)或更多雙耳罐，進(jìn)一步增加了成本。由此可見(jiàn)，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?yàn)殚L(zhǎng)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(duì)于危險(xiǎn)品運(yùn)輸船的安全性高度重視。使用單筒罐的設(shè)計(jì)，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(jì)。采用單筒罐的設(shè)計(jì)具備更高的本質(zhì)安全性。

3.1.5 系統(tǒng)設(shè)備

對(duì)于單圓筒罐而言，一個(gè)貨罐只需要配備一套深井泵和貨物維護(hù)系統(tǒng)，而每個(gè)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(huì)導(dǎo)致貨艙數(shù)量增加，設(shè)備和管路會(huì)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(jiàn)表2。

表2 兩種形式罐體的比較

由表2可見(jiàn)，采用筒形罐設(shè)計(jì)可以使得設(shè)計(jì)施工較為簡(jiǎn)便，安全性高，但是船舶的空間利用率相對(duì)于使用雙耳型罐低一些。因此，對(duì)于小艙容的LNG船，比如1.5萬(wàn)m3以下的LNG船，使用筒形罐設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，對(duì)于較大艙容的小型LNG船，比如1.5萬(wàn)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(zhǎng)寬比、穩(wěn)性以及整體造價(jià)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(dòng)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(shí)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(jì)蒸汽壓力。根據(jù)IGC規(guī)則[3]，貨罐的設(shè)計(jì)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(zhǎng)度，m)；

ρr——設(shè)計(jì)溫度下貨物密度；

A——A=0.018 5(σm/ΔσA)2。

其中：σm——設(shè)計(jì)主薄膜應(yīng)力，MPa；

σA——許用薄膜動(dòng)應(yīng)力。

TGE以一個(gè)7 500 m3的貨罐為例，對(duì)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(jì)算，計(jì)算滿足最小設(shè)計(jì)壓力的貨罐重量，見(jiàn)表3。

表3 兩種材料的貨罐比較

由表3中可見(jiàn)，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?yàn)椴捎?04L不銹鋼時(shí)，液罐的最小設(shè)計(jì)壓力要比采用9%鎳鋼時(shí)需要滿足的最小設(shè)計(jì)壓力低。

同時(shí)，9%鎳鋼的焊接要求高，且市場(chǎng)獲得性差，目前幾乎只能進(jìn)口，而304L不銹鋼的市場(chǎng)采購(gòu)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(jià)格方面，同樣的貨罐，9%鎳鋼的造價(jià)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(jì)的需要、市場(chǎng)情況和船東的意向。一般來(lái)講，9%鎳鋼具備整體優(yōu)勢(shì)。

4 蒸氣處理

LNG運(yùn)輸船由于其運(yùn)送貨物本身可以用作動(dòng)力燃料，因此在選擇推進(jìn)方式的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)結(jié)合貨物蒸氣的處理方式來(lái)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(yùn)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(yùn)輸船上的0.1%/d的蒸發(fā)率要高出許多，但對(duì)于采用壓力容器式貨艙的短距離航行的小型LNG船來(lái)說(shuō)不是大問(wèn)題。

對(duì)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(yùn)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(diǎn)比LPG和LEG的沸點(diǎn)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(dòng)力燃料使用是最為經(jīng)濟(jì)的方式。對(duì)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(jī)，這種組合方式不適合于小型LNG運(yùn)輸船。隨著燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的技術(shù)成熟，利用貨物蒸氣作為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的燃料為船舶推進(jìn)提供動(dòng)力也已相對(duì)成熟，小型LNG船也可以使用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，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(guò)程中，LNG的汽化會(huì)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(jiàn)圖3。

圖3 C型貨艙的壓力保持能力

算例為一個(gè)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?jí)毫?4 kPa，貨物蒸發(fā)氣體完全由貨艙本身承受，計(jì)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(jì)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(jì)壓力350 kPa，大約需要50 d。由此也可見(jiàn)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(zhǎng)約10 d。

因而對(duì)于采用C型貨艙型式的LNG運(yùn)輸船來(lái)說(shuō)時(shí)，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(yùn)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(duì)于小型LNG船來(lái)說(shuō)，可選擇的推進(jìn)系統(tǒng)有如下幾種。

1)常規(guī)內(nèi)燃機(jī)(HFO)。采用常規(guī)內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)，利用C型貨艙承受一定時(shí)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(méi)有減少。

2)LNG燃料內(nèi)燃機(jī)機(jī)械推進(jìn)(DFM)。以貨物的蒸氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，驅(qū)動(dòng)常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)，LNG作為清潔燃料，既有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，又有環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

3)LNG燃料內(nèi)燃機(jī)電力推進(jìn)(DFDE)。以貨物的蒸氣作為發(fā)電機(jī)組的燃料，驅(qū)動(dòng)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(jī)械傳動(dòng)的效率要低，但是機(jī)艙方便布置，全船統(tǒng)一電網(wǎng)，易于實(shí)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(shí)獲得良好的操控性能，但螺旋槳的推進(jìn)效率要低一些。

對(duì)于小型LNG船的推進(jìn)配置方案而言，需要針對(duì)具體項(xiàng)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(chǎng)價(jià)格等因素綜合考慮對(duì)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(jī)推進(jìn)方式，在推進(jìn)系統(tǒng)的配置細(xì)節(jié)和機(jī)器處所的布置上需要滿足氣體燃料動(dòng)力船舶的相關(guān)規(guī)范和技術(shù)指南的要求，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全型機(jī)器的設(shè)計(jì)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(jià)格最低，MDO和MGO的價(jià)格接近，一般要比HFO的價(jià)格高40%～50%。HFO屬于蒸餾后的殘?jiān)?，含較多的顆粒雜質(zhì)，含硫量也較高，因此對(duì)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(yùn)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(shì)，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(chǎng)價(jià)格信息，LNG比船用輕柴油的價(jià)格低約40%，和HFO接近。在LNG運(yùn)輸船上使用LNG作為燃料，燃料來(lái)源沒(méi)有任何問(wèn)題，且省去了燃油艙。另外，氣體燃料主機(jī)在系統(tǒng)冗余度和維護(hù)成本上都具備優(yōu)勢(shì)。

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

5.3 發(fā)動(dòng)機(jī)選擇

小型LNG運(yùn)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(jī)型主要有Wartsila的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)34DF和Rolls-Royce的稀薄燃燒純天氣發(fā)動(dòng)機(jī)Bergen C26:33L。

兩種機(jī)型的對(duì)比分析見(jiàn)表4、5。

表4 兩種機(jī)型的技術(shù)對(duì)比

表5 兩種機(jī)型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

通過(guò)對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論。

1)純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)采用稀薄燃燒方式，要比雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)要比雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)有優(yōu)勢(shì)。

2)純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性要比雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在燃油模式下的特性同大多數(shù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相近，但是在氣體燃料模式下，動(dòng)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(shí))。

另外，純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性好，既可以驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳，也可以驅(qū)動(dòng)定距槳，這給設(shè)計(jì)選型帶來(lái)了很大的靈活性。關(guān)于雙燃料主機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较聞?dòng)態(tài)響應(yīng)遲緩的缺點(diǎn)，可以通過(guò)切換到燃油模式(需5～10 s)來(lái)適應(yīng)負(fù)荷突變的工況。

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

4)也正因?yàn)殡p燃料主機(jī)具備兩種燃料系統(tǒng)，在氣體燃料系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以切換到燃油模式繼續(xù)工作，船舶持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)。

5)Wartsila 34DF系列，單機(jī)功率范圍是2 700～7 200 kW，Bergen C26∶33L單機(jī)功率為1 620～2 430 kW。根據(jù)本船的功率需求，因采用雙機(jī)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(dòng)機(jī)。

5.4 兩種動(dòng)力系統(tǒng)配置方案對(duì)比

以Bergen C26∶33L純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)為選用主機(jī)，結(jié)合目標(biāo)項(xiàng)目給出了兩種系統(tǒng)配置方案，并作對(duì)比分析。

5.4.1 方案一——純氣體燃料推進(jìn)方式

見(jiàn)圖4，采用兩臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)可調(diào)距螺旋槳，在主機(jī)的輸出端各帶有一臺(tái)具備PTO功能的軸帶發(fā)電機(jī)。另設(shè)有一臺(tái)應(yīng)急/停泊發(fā)電機(jī)，用于船舶在停航時(shí)的供電。船舶在正常航行時(shí)，兩臺(tái)氣體燃料主機(jī)工作，同時(shí)通過(guò)軸帶發(fā)電機(jī)為船舶電站供電；在船舶卸貨階段，啟動(dòng)一臺(tái)主機(jī)通過(guò)軸帶發(fā)電機(jī)提供所需的電力；另一臺(tái)主機(jī)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(jī)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(dòng)力推進(jìn)方式

見(jiàn)圖5，采用兩臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)可調(diào)距螺旋槳，在主機(jī)的輸出端各帶有一臺(tái)具備PTI/PTO功能的軸帶電機(jī)，另設(shè)有兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組。船舶在正常航行時(shí)，兩臺(tái)氣體燃料主機(jī)工作，同時(shí)通過(guò)軸帶發(fā)電機(jī)為船舶電站供電；在船舶卸貨階段，啟動(dòng)一臺(tái)主機(jī)通過(guò)軸帶發(fā)電機(jī)提供所需的電力；另一臺(tái)主機(jī)處于備車狀態(tài)；在停航狀態(tài)，柴油發(fā)電機(jī)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(jī)不能正常工作時(shí)(主機(jī)故障，主機(jī)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(cāng)等等情況)，由兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電，通過(guò)船舶電網(wǎng)經(jīng)軸帶電機(jī)的PTI模式，驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器；在船舶卸貨階段，也可以利用兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組提供所需的電力。

5.4.3 方案對(duì)比分析

方案一采用兩臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)即作為主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)使用，同時(shí)又作為發(fā)電機(jī)使用，省去了兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組以及相關(guān)輔助系統(tǒng)和設(shè)備，船舶配置較為簡(jiǎn)單，整體造價(jià)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(shí)，需要將LNG清艙，此時(shí)船舶沒(méi)有動(dòng)力燃料，船舶必須依靠拖輪的輔助。另外，方案一的軸帶電機(jī)不具備PTI功能，在成本上也較低。

方案二采用兩臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，使用兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為船舶電站，能夠通過(guò)PTI模式驅(qū)動(dòng)螺旋槳能實(shí)現(xiàn)冗余推進(jìn)，系統(tǒng)的冗余度比方案一高。在船舶動(dòng)力系統(tǒng)冗余度提升的同時(shí)，整體投資成本也會(huì)有所升高。

6 江海型10 000 m3LNG運(yùn)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(guó)近海航區(qū)和長(zhǎng)江A級(jí)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(dòng)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(gè)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(gè)貨艙區(qū)域各安裝一個(gè)容積約為5 000 m3的C型圓柱體獨(dú)立貨罐，設(shè)計(jì)溫度為-163 ℃，艙頂設(shè)計(jì)蒸氣壓力符合IMO要求。液貨輸送系統(tǒng)主要由兩臺(tái)液貨泵(每罐一臺(tái))、兩臺(tái)燃?xì)獗?、兩臺(tái)蒸發(fā)氣壓縮機(jī)、一個(gè)燃?xì)鈴?qiáng)制蒸發(fā)器、相應(yīng)的閥件和管系等組成。貨物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)允許在正常大氣壓下儲(chǔ)運(yùn)液化天然氣。天然氣的蒸發(fā)氣(BOG)用作主機(jī)的燃料氣。蒸發(fā)氣壓縮機(jī)用作燃?xì)鈮嚎s機(jī)來(lái)升高蒸發(fā)氣壓力以達(dá)到主機(jī)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(jī)常規(guī)推進(jìn)方式，推進(jìn)系統(tǒng)主要包含兩臺(tái)氣體主機(jī)，通過(guò)減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)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(tái)軸帶發(fā)電機(jī)、兩臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)、和一臺(tái)應(yīng)急/停泊柴油發(fā)電機(jī)。

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

[2] 石光志，盛蘇建.中小型LNG運(yùn)輸船設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)造船，2011，52(2)：40-47.

[3] 中國(guó)船級(jí)社.內(nèi)河散裝運(yùn)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(guó)船級(jí)社.氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南(2008)[M].北京：人民交通出版社，2008.