90 m LNG加注躉船的開發設計

田 杰

（上海航盛船舶設計有限公司，上海 200023）

0 引言

長期以來，內河船舶污染物排放日益嚴重，每年的排放總量約為1×106t左右，所排放的污染物主要包括碳化物、硫化物和氮化物。這不僅污染空氣，并還引起油污泄漏、污染水面等諸多問題[1-3]。隨著人們對環境問題的日益關注，傳統發動機的污染物排放逐漸成為焦點。一種替代傳統燃料的新能源在呼聲中應運而生—LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然氣）燃料，它是目前世界上公認的較理想替代柴油的燃料。

近年來，國內相關政策和規范的出臺。為了加快推進治理長江的污染，達到“綠色長江、環保長江”的目的，將現有以柴油為燃料的船舶改為以LNG為燃料的規劃（簡稱“油改氣”）正在加快推進。我國長江一帶的地形具有地貌復雜、潮汐變化大等特點。因此，如何給“油改氣”的船舶進行加注是內河加注LNG的一大難題，為了解決這一難題，上海航盛船舶設計有限公司（以下簡稱“公司”）根據船東的要求，在進行大量調研的基礎上，分析了目前國內現有試點設計及常規設計加注躉船存在的一些問題及不足之處，從而開發設計出一艘全國首制完全按照現有規范設計、同時滿足加注燃料油和加注LNG的新型LNG加注躉船。

1 船舶概況

1.1 主尺度要素

LNG加注躉船（以下簡稱“本船”）為鋼質、局部雙層底和雙舷側、單甲板船，滿足內河A級航區要求。本船的主尺度要素如表1所示。

船舶停靠在長江流域岸邊，主要用于給其它內河中小型船舶加注LNG燃料和燃油。

本船由錨鏈固定在岸邊水域，船上設有值班人員、辦公及生活設施。

表1 主尺度要素表

1.2 主要功能

LNG加注躉船的主要功能如下：

1）LNG燃料。

2）向往來船舶供給燃油。

3）預留LNG加注躉船對岸上槽車加注改造的接口。

4）預留LNG運輸船（或LNG加注船）借助LNG加注躉船對岸罐加注改造的接口。

1.3 動力配置

本船主要電源裝置包括：1臺氣體發電機（即1號輔助發電機）、1臺柴油發電機（即2號輔助發電機）、若干不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）、1組蓄電池以及1臺主照明變壓器等。

本船以岸電作為主電源，岸電應可以滿足加注躉船在對外加注、補給、制氮等工況下，所有用電設備的用電要求。

1號輔發電機在儲罐壓力高時，可以處理蒸發氣，將蒸發氣作為燃料利用，且當1號輔發電機主開關分閘后，岸電開關可自動合閘，以保證可連續供電。

本船以蓄電池為應急電源，當岸電失電后，自動轉換為蓄電池供電。另外，2號輔發電機可以在岸電和氣體發電機同時故障的情況下，滿足重要風機、照明、報警、儀表、電磁閥及無線電等設備的用電需求，以提高船舶電源的可靠性。

岸上LNG罐車卸車站也由船上電源供電，以便集中管理與控制。

2 主要特點

本船主要特點如下：

1）本船是國內首艘根據中國船級社2014年3月1日正式發布生效后的規范《液化天然氣燃料水上加注躉船入級與建造規范（2014）》進行設計建造的LNG加注躉船。

2）同時也是國內首艘采納中國船級社“全容罐”理念設計建造的LNG加注躉船。本船采用雙層不銹鋼LNG罐體、LNG下出液帶冷箱的形式。其儲罐為本質安全型式，摒棄了以往建造LNG加注躉船時采用的攔蓄區形式，大大提高了安全性和可靠性。

3）本船是國內首艘能夠同時滿足加油與加注LNG功能，且油艙容積超過2 000 m3的加注躉船。相比以往建造的缺少船舶加油能力或僅百來方油艙容積用于加油的同尺寸LNG加注躉船，其加注功能大大增強。

4）考慮將來小型進江LNG運輸船靠泊并對躉船儲罐充裝，而專門設計的LNG加注躉船。該設計方案對LNG運輸船與加注躉船的系泊形式、LNG接口布置區域及對接形式也都進行了專門系統的研究并預留了完整的改造接口。

5）考慮將來小型LNG運輸船對躉船儲罐加注后，設計出的躉船能給岸上槽車進行逆向輸送補給，從而實現LNG通過海運進江，并向內陸輸送LNG上岸的一體化運輸體系。

6）在設計過程中，摒棄了陸用儲罐的尺寸，且根據船型合理地設計出了尺寸滿足本船諸多功能的LNG真空儲罐，并對艙室布置進行了多方面優化，節省了船舶的利用空間。

7）加注躉船上配置了專門的純氣體發電機，可利用儲罐的蒸發氣作為燃料，相比柴油燃料要清潔環保，又避免了天然氣排至大氣中造成溫室效應，具有較好的經濟性。

8）躉船上僅設置1臺LNG加注臂，將液相和氣相輸送管道布置在一臺臂上，大大提高了操作靈活性、安全性及可靠性，經濟性也十分顯著。

3 主要設備和系統設計

3.1 儲罐

儲罐的選擇直接影響到船型的設計，根據CCS規范的要求，儲罐可以采用如下形式[4]：

1）上出液（最高液面以下無出液口）＋內殼不銹鋼＋外殼普通碳鋼，可不設圍堰。

2）下出液（最高液面以下有出液口）＋內、外殼不銹鋼+冷箱，可不設圍堰。

3）下出液（最高液面以下有出液口）＋內殼不銹鋼＋外殼普通碳鋼，需設圍堰。

本船選用真空絕熱C型獨立儲罐，儲罐采用下出液＋內、外殼不銹鋼＋冷箱的形式，此設計有別于其它在建或已建好的試點LNG加注躉船。此種形式的儲罐將大大提高其安全性和可靠性，而設置冷箱則可以避免LNG泄漏對船體造成的損害。

與儲罐廠家進行多次溝通后，公司對儲罐的尺寸進行了優化，最終確定將試點的注躉船上通常采用的儲罐尺寸F3.7 m×25 m改為4.3 m×18 m。同時，儲罐容積是按照規范中最大容積2×250 m3來設計的，此儲罐的設計具有如下優點：

1）便于總體布置，增加油艙容積。

2）大大提高儲罐的安全性和可靠性。

3）實現儲罐形式的多樣化，降低了儲罐成本，有利于LNG在船舶領域的應用和推廣。

3.2 LNG加注臂

LNG加注臂是船上用于裝卸LNG的特殊設備。在LNG燃料船停泊在碼頭對LNG進行裝卸時，由于風浪、水流、漲潮（或落潮）等因素的影響，LNG燃料船和碼頭之間會有相對的落差和位移。LNG加注臂就是為了適應這種工作條件的特殊連接裝置，它能自動根據LNG燃料船的漂移作出相應的位移補償，并允許LNG燃料船和碼頭之間存在在一定幅度范圍內的相對運動。本船加注臂的選擇不僅考慮需適用于各種不同的船型，同時也要關注到它使用的方便性和可靠性，并需具有良好的經濟性。以往試點的LNG加注躉船，基本都是采用2臺LNG加注臂：一臺是液相輸送加注臂；另一臺是氣相輸送加注臂。其成本比較昂貴，操作也不夠靈活。考慮到加注臂的難點主要在臂上，只要能滿足一定的環境條件和使用要求，完全可以將液相和氣相輸送管道布置在同一臺臂上，這樣加注臂作業時操作將更加靈活、可靠性，其安全性也將得到提高，同時還能夠節省船舶的成本。故提出僅設置1臺LNG加注臂的方案，且該方案也得到生產廠家的認可。

在進行LNG加注臂的選用時，應盡可能地考慮到對不同船型的適用程度，而目前主要考慮的對象為擬進行雙燃料改造的1 000 t～6 000 t的船型或1 000 t級的雙燃料貨船。綜合目前的船舶類型，儲罐一般布置在船的尾部，故將儲罐布置在尾樓，其LNG加注臂的參數選用如下（見圖1）。

1）以躉船甲板面為基準面，加注臂高度的活動范圍為-0.5 m～9.0 m。

2）船舶橫向活動范圍約2 m，外漂移范圍1 m。

3）船舶縱向活動范圍約-1 m～1 m。

3.3 控制系統

本船LNG監控系統的組成分為視頻監控系統、收費管理系統、氣體燃料發動機電控系統、LNG控制系統和全船監測報警系統。其中，由于本船具有對外加油和加注LNG這2種功能，所以收費管理系統分為發油控制系統和加注LNG控制系統。同時，由于船岸連接的棧橋坡度和強度有所限制，LNG罐車不上船，則將LNG控制系統相應分為船、岸2個部分：岸上即為LNG罐車卸車站監控系統，用于監控LNG罐車卸車站的設備和LNG罐車；而LNG加注躉船上的LNG控制系統又分為液貨監控系統、安保系統，用于監控躉船上的所有LNG設備。由于船、岸之間距離比較遠，為避免信號的衰減和干擾，船、岸LNG控制系統之間需通過光纖進行通訊連接。

3.4 定位錨泊系統

本船選用6錨進行錨泊定位，首尾各配3只定位錨，選用直徑為46 mm的錨鏈6根，錨重為4 050 kg的斯貝克錨。

定位錨泊系統由錨鏈、錨、絞盤、鑄鋼閘刀掣鏈器等組成，錨鏈連接錨與躉船。

當躉船遇到水位落差較大時，采用絞盤來調整水中錨鏈的松緊程度。

圖1 LNG加注臂作業范圍示意圖（單位：mm）

3.5 消防系統

本船根據規范及船東要求，消防系統[5]配備如下：

1）水滅火系統。機艙內消防泵從船舶兩舷的江水門吸水，供水給全船消防用水、甲板沖洗用水等。機艙內設有2個消防栓，并配備消防水龍帶箱。主甲板和居住甲板均設有一定數量的消防栓和消防水龍帶箱。

2）水霧系統。機艙內的2臺水霧泵，從江水門吸水供水至儲罐布置區域，并在儲罐上方設置了水霧噴頭，用于冷卻、防火以及船員防護。

3）細水霧系統。設置在機艙內的高壓水霧泵從淡水艙吸水，通過布置在儲罐頂部的高壓細水霧管路及細水霧噴頭，噴灑在儲罐頂部，用于冷卻、防火及除靜電。

4）水幕系統。在LNG加注區設置了水幕系統，水幕的高度至少為3 m，且不影響系纜和加注作業。

5）干粉滅火系統。在主甲板FR72及FR135區域各設置1套干粉炮，并在儲罐中間區域設置2套干粉槍，用于撲滅氣罐區、LNG加注作業區域的火災。

6）固定式CO2滅火系統。在機艙設置了一套固定式CO2滅火系統，并在主甲板單獨設置了CO2室。

7）泡沫滅火系統。在二層甲板上前端處設置2支泡沫槍，并在油艙區域設置4支泡沫槍，泡沫槍能將泡沫噴射到貨油艙甲板區域的任何地方。在主甲板上設泡沫間，且存放一只約1 m3的泡沫原液罐，用于撲滅油艙區域、油艙加油作業區域的火災。

3.6 電氣安全系統

LNG加注躉船設計的各個方面都要考慮安全問題，圖2為保證LNG加注躉安全運營所采取的一系列安全措施。每一個保護層都包括一組設備或人工的操作，保護層[6]是按照當裝置發生故障時所采取的操作順序設計的（見圖2）。

在最內層，工藝設計對自身提供了第一層保護，工藝過程本質安全設計是本船工藝設計所秉承的一個理念。

隨后兩層是由基本過程控制系統（Basic Process Control System，BPCS），以及報警和運行監控或干預組成的。產生一個報警意味著有一個測量環節超出了其特定的測量范圍，且需要進行檢查。

圖2 電氣安全系統保護示意圖

第四層是ESD（Emergency Shutdown Device，安全保護系統），是一種自動安全保護系統。它是保證正常生產和人身、設備安全的必不可少的措施，在自身和BPCS層不能處理所出現的緊急情況時，ESD能夠自動采取正確的操作。

LNG儲罐的外層設計以不銹鋼作為物理保護，以防內層泄漏對船體造成損害。當出現極其嚴重的事故時，就會啟動最后一種手段，即社會緊急情況響應，利用安全屏障和儲存泄漏液體的外層不銹鋼對緊急情況進行處理，并通知社會公眾。

多層保護系統的功能可以總結如下：本船大多數故障可以被限制在第一或者第二保護層內；中間層是防止嚴重事故的；最外一層是當發生極其嚴重的事故時，用以減輕責任的。

4 結束語

本船是國內首制完全按照中國船級社2014年3月1日正式發布生效后的《液化天然氣燃料水上加注躉船入級與建造規范（2014）》進行設計建造的LNG加注躉船。在其設計過程中，力求理論與實際相結合，盡可能地將當今新的設計理念及創新技術融合于一體，使本船具有較好的安全性、可靠性、適用性和先進性，滿足了規范和市場的實際需求。本船于2016年初建成后順利交付，運營2年多，各項性能指標完好，且達到預期效果，得到了船東的認可與贊美。