小型薄膜LNG運輸船總體設計分析

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(湖北海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430043)

目前，國內市場上已出現(xiàn)14 000、28 000、30 000 m3等規(guī)模的小型LNG運輸船，均采用C型艙。近年來，薄膜型液貨維護系統(tǒng)已經成為新造大型LNG運輸船的主流技術，且在國外已有小型LNG船舶成功應用的案例，而國內尚無小型薄膜LNG運輸船的實船應用。為此，考慮結合薄膜型液貨維護系統(tǒng)的結構型式和特點，探討小型薄膜LNG運輸船主尺度選擇、型線設計、液貨艙設計、雙燃料動力系統(tǒng)設計等總體設計技術，為此類船舶設計提供參考。

1 薄膜型液貨維護系統(tǒng)基本型式

薄膜型液貨維護系統(tǒng)是法國GTT公司的專利技術，早在1964年，即成功應用于實船上。迄今為止，該專利技術已成功應用于400余艘大型LNG運輸船，在大型LNG運輸船船市場占有率超過80%，是大型LNG運輸船上應用最多的液貨維護系統(tǒng)。

GTT的薄膜型液貨維護系統(tǒng)主要包括NO96型和MKⅢ型兩種基本型式，并衍生出相關改進型，如NO96 GW、NO96 L03、NO96 L03+、NO96 MAX、MKⅢ Flex等[1]。

NO96貨物維護系統(tǒng)由液貨艙的10個面構成。每個面由主次兩層屏蔽層構成，每個屏蔽層都由殷瓦合金薄膜及填充有珍珠巖或剛性絕緣的絕緣箱組成，見圖1。液貨艙兩個面交界處由殷瓦管或復合梁連接，三個面的交界處由三面體連接。每個液貨艙的屏蔽層使用了殷瓦板、不銹鋼板條、絕緣箱、三面體、殷瓦管、剛性和柔性絕緣材料、連接螺栓、溫度感應器等零件組成。

MKⅢ型貨物維護系統(tǒng)(見圖2)主屏蔽為帶有縱橫方向槽型的1.2 mm不銹鋼板(304L)，次屏蔽為兩層玻璃纖維布及一層鋁箔的三合一片材，其典型結構見圖2。

為保證液貨艙安全，傳統(tǒng)大型薄膜LNG船對貨艙的裝載液位高度有嚴格的限制，LNG裝載的上限不低于貨艙凈高H的70%，裝載的下限不高于貨艙凈高H的10%。而對于小型薄膜LNG運輸船，隨著技術不斷改進，為適應更靈活的營運需求，則不存在此限制條件。

2 總體設計

以16 500 m3薄膜型LNG運輸船為研究對象。該型LNG運輸船在國內沿海、沿江以及東南亞等地區(qū)均有良好的市場需求。

目前市場上小型薄膜LNG運輸船數量非常有限，缺乏相應的統(tǒng)計數據，因此，其主尺度的確定要以主要參數選擇的基本原則為基礎，綜合考慮航速、機器布置、液貨艙設計、碼頭尺度、吃水限制、規(guī)范要求等多方面限制條件，制定滿足要求的設計方案。

對薄膜型LNG運輸船來說，LNG液貨艙設計是核心工作。LNG貨艙數量、尺度的確定除了考慮液貨艙本身的設計要素外，還需要結合船舶布置、型線設計、分艙及破艙穩(wěn)性等多種因素綜合考慮。在設計中既要滿足IGC規(guī)則對貨艙位置的要求，又要符合GTT許可文件的限制條件。

本船要求液貨艙艙容為16 500 m3，考慮布置2個相同尺寸的液貨艙，以獲得艙容最大化并簡化艙型設計和建造，單個液貨艙艙容為8 250 m3。

對于薄膜型液貨艙而言，較大的型寬可以有效減小液貨艙長度和深度，從而減小液貨艙所承受的載荷。

確定船舶型深時，除滿足液貨艙設計要求外，還要與LNG裝卸站的設計結合起來，統(tǒng)籌考慮。

根據中國船級社《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規(guī)范》(簡稱《IGC規(guī)則》)對LNG運輸船破損假定和液貨艙位置的要求，液貨艙在舷內位置應在中心線上距船底板型線不小于規(guī)定的垂向破損范圍內(B/15或2 m，取小者)，其余任何部位都應不小于“d”(本船d=1.13 m)[2]，船舶的型寬和型深選取時要予以考慮。

為滿足液貨艙設計要求，本船的方形系數要達到0.78以上，需結合排水量、船長、船寬及快速性要求等綜合考慮。

在選擇尺度時還要考慮是否對船長、吃水、凈空高(桅頂距水線距離)等有特殊的限制要求。

綜合考慮各種因素后，確定本船主尺度為

垂線間長Lpp=126.0 m；型寬B=28.0 m；

型深D=11.7 m；設計吃水Td=4.9 m。

一般來說，與采用C型液貨艙的小型LNG船舶相比，小型薄膜LNG運輸船船長更短，型寬、方形系數更大，吃水要小。

薄膜型LNG船線型受到貨艙形狀的約束，被稱之為“帶型值控制點”的線型。本船由于營運要求，吃水較小，船寬吃水比達到5.7，為淺吃水船舶，故采用雙槳推進[3-4]。

在充分考慮了貨艙區(qū)前后端壁處的線型約束條件的前提下，結合肥大型淺吃水船型的特點，后體設計成雙內旋鰭艉線型(見圖3)。雙內旋鰭艉線型非常適用于淺吃水環(huán)境，其明顯的優(yōu)勢是可以采用大徑深比螺旋槳(經模型試驗驗證徑深比可達1.2)，在吃水受限的情況下，可以有效增大螺旋槳直徑，從而提高推進效率，尤其適合具有單向運輸特點的LNG運輸船在空放狀態(tài)的營運。

由LNG運輸船的特點可知，其在卸貨前后，吃水變化較大，在空放狀態(tài)時，為保證足夠的螺旋槳吃水，滿足操縱性要求，常常需要大量的壓載水，而采用本船型，可以在空放狀態(tài)下減少甚至取消壓載水，仍能滿足螺旋槳浸沒要求。

經過型線CFD優(yōu)化，快速性水池試驗表明，本船設計航速達到了14.0 kn，滿足設計要求。

由于采用雙內旋鰭尾，在卸載貨物后，船舶平均吃水比采用常規(guī)船型(軸支架)少1 m左右，即可以減少壓載水約2 800 t，航速為14 kn時，可以節(jié)能約9.7%，節(jié)能效果明顯，見表1。

表1 2種船型方案空放狀態(tài)對比

2.1 液貨維護系統(tǒng)設計

本船采用MKⅢ Flex型圍護系統(tǒng)。

液貨艙橫剖面的各條邊尺寸是相互關聯(lián)的，任何一條邊的尺寸變化都會對其他邊的尺寸產生影響。選擇各條邊的尺寸時要考慮到槽型304L不銹鋼的標準尺寸(3 m×1 m)，盡量選擇標準尺寸的整數倍，以簡化建造和采購，當然根據設計需要也可以采用非整數倍標準尺寸。MKⅢ Flex絕緣系統(tǒng)基本尺寸和詳細尺寸見表2、3和圖4。

表2 MKⅢ Flex絕緣系統(tǒng)基本尺寸 mm

表3 MKⅢ Flex絕緣系統(tǒng)詳細尺寸

計算得到本設計方案蒸發(fā)率為0.185%。蒸發(fā)率的確定為主機選型和航速確定提供了基礎。

2.2 推進系統(tǒng)設計

對于薄膜型LNG運輸船，由于其液貨艙不能承壓，其蒸發(fā)氣一般要供給主機、輔機作為燃料，以保持液貨艙始終在安全壓力以下，因此，本船推進系統(tǒng)的設計還要特別考慮處理航行中產生的蒸發(fā)氣，使得動力裝置的選配更加復雜。如何在航速、主機選型及蒸發(fā)氣量之間取得平衡，是衡量薄膜型LNG運輸船動力系統(tǒng)成功與否的關鍵[5]。

LNG運輸船一般都采用雙燃料主機，既能保證正常營運情況下的蒸發(fā)氣有效利用，也可為LNG船在特殊情況下的安全營運提供更多的安全保障。從實際使用情況來看，市場上使用最多的雙燃料主機主要為MAN和瓦錫蘭公司的產品，而MAN公司主要為低速雙燃料主機，在大型LNG運輸船上使用廣泛；但其中速機功率覆蓋范圍非常小，可選型號有限，應用較少。而瓦錫蘭公司的中速和高速的雙燃料主機功率覆蓋范圍非常廣，可選型號多，在小LNG運輸船上應用廣泛；其低速機目前也逐步應用于大型LNG運輸船上。根據本船的航速和主機功率范圍要求，選擇瓦錫蘭公司的雙燃料主機。不同推進方案比較見表4。

表4 不同推進方案比較

注：①輔機暫按1 000 kW計算，續(xù)航力按3 000 n mile計算；②計算工況為85%MCR，15%SM；③方案3為推進電機直接推進，采用三臺發(fā)電機組8L20DF×3，在航行中為推進電機供電并提供全船日常用電。

1)方案1采用中速機，由于轉速不受限制，螺旋槳槳徑較大，推進效率較高，航速較高，但是主機功率較大，單次航程主機總的耗氣量遠大于天然氣蒸發(fā)量，且總量最多，即LNG貨損最多。

2)方案2和方案3航速較低，但耗氣量與其自然蒸發(fā)量基本平衡，基本不需額外強制蒸發(fā)，單個航程耗氣量較少，即LNG貨損較少。

3)由于方案2為高速機直接推進，螺旋槳轉速高，槳徑受限，故其推進效率較方案3低；方案3為推進電機直接推進，螺旋槳轉速不受限制，推進效率較高，但其整個動力系統(tǒng)比方案2稍復雜。

初步確定本船推進系統(tǒng)采用方案1，采用雙機雙槳直接推進方案。其推進系統(tǒng)原理圖見圖5。

2.3 總布置設計

LNG船被用于海上遠程運輸液態(tài)天然氣，其具有貨品單一、航線固定、建造成本大、運輸風險高等特點，故在LNG船布置過程中,保證船舶及人員安全是首要任務。

本船為雙槳雙舵、雙燃料主機直接推進、無限航區(qū)的LNG船舶。設傾斜首柱帶球鼻、內旋鰭尾、半懸掛舵；中部為LNG液貨艙；機艙、起居處所和駕駛室布置在艉部[6]。

主船體被水密橫艙壁劃分為艏尖艙、艏部燃油艙、液貨艙、機艙和艉尖艙。

艏尖艙為壓載水艙。除此之外，在艏部另設有一對艏壓載深艙和一對艏部燃油深艙。貨艙區(qū)分為2個液貨艙，貨艙之間以及貨艙與艏部燃油艙和機艙之間都設有隔離空艙，為了確保艙壁溫度不低于5 ℃以及便于設備布置和人員進出，隔離空艙內設有加熱系統(tǒng)。貨艙區(qū)雙底雙殼作為壓載水艙。專用電機室和貨物壓縮機室布置在貨艙區(qū)露天甲板的后部。生活樓布置在尾部的機艙之上，由于干舷大、帶有凸形甲板、淺吃水等特點，本船設有4層甲板，以滿足艙室布置需要，并兼顧駕駛室視線要求和船舶過橋時凈空高的要求。

2.4 船舶穩(wěn)性校核

LNG運輸船完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性需滿足《IGC規(guī)則》的要求。

根據規(guī)范要求，對以下典型運營工況進行了完整穩(wěn)性校核。典型計算工況如下。

1)空船工況。

2)進塢工況。

3)常用壓載工況，出港和到港。

4)設計吃水工況，貨艙滿載狀態(tài)(LNG密度取0.46 t/m3)，出港和到港(部分引燃油)。

5)結構吃水工況，貨艙滿載狀態(tài)(LNG密度取0.50 t/m3)，最大油、水裝載，出港和到港。

6)任一貨艙空艙工況，出港和到港。

對于船舶破艙穩(wěn)性，按照IGC規(guī)則要求假定在其船長范圍內的任何部位任一艙壁均能經受破損，但不包括鄰接于尾機型機艙邊界壁；結合典型運營工況，計算其破損生存能力；計算結果均滿足規(guī)范要求。

3 結論

LNG液貨艙是船舶設計的關鍵點，在設計中既要滿足《IGC規(guī)則》對貨艙位置的要求，又要符合GTT許可文件的限制條件。同時還要結合船舶快速性、耐波性、分艙及穩(wěn)性要求等綜合考慮設計對船舶主尺度的決定性影響。

小型薄膜LNG運輸船推進方案的選擇要綜合評估，除了要滿足主機功率、航速與天然氣蒸發(fā)量之間的平衡外，還要結合船東對貨損、航速、初始投資、推進系統(tǒng)維護等的要求綜合考慮。

[1] 李波，姜得志，田天,等.大型薄膜型LNG船總體設計研究[J].中國造船,2015(1)：161-165.

[2] 中國船級社.散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2016.

[3] 宋吉衛(wèi).大型LNG船船型設計研究[J].中國造船,2012(4)：164-170.

[4] 宋吉衛(wèi),陳紅梅.22萬m3LNG船雙尾鰭線型設計研究[J].船舶,2011(6)：9-13.

[5] 何金平.中小型LNG運輸船推進系統(tǒng)選型分析[J].船海工程,2014(5)：142-144.

[6] 時光志,張志軍.某液化天然氣運輸船總布置優(yōu)化研究[J].船海工程,2014(5)：155-160.