40 000 m3 LPG液化氣船總體設計研究

柳一點，陳 兵，胡 楠，鄭雙燕

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引言

液化石油氣（liquefied petroleum gas，簡稱：LPG）主要來源于天然油氣田和石油制品的煉制過程，是目前最清潔、高效的能源之一，LPG和其他石油衍生品主要用于工業和民用燃料及化學原料，在世界的能源結構中占有十分重要的地位，約占整個能源構成的20%～25%。隨著美國“頁巖氣革命”帶來的伴生副產品丙烷、丁烷產量的急劇上升，它也在不斷的改變著世界能源結構。世界上工業發達國家利用液化氣所占能源的比重已遠超50%。隨著我國經濟的高速發展，對液化氣的需求量也將越來越大，這些必將促進液化氣及其運輸行業的發展。

近年來中型 LPG液化氣船的老舊船舶不斷增加，據克拉克森報道，預計今年船齡超過 15年的20 000～45 000立方米級中型LPG船已達46艘，盡管明年將略微減少到40艘，但預計此后的3年數量將逐年遞增，2022年達46艘，2023年達62艘，2024年達77艘。最近3年內預計完工交付的新造中型LPG船分別為2020年3艘、2021年7艘、2022年10艘，無法滿足液化石油氣運輸的需求。

同時，隨著國際海事環保新規的不斷加速生效，考慮到全球主要航運公司圍繞提高船舶燃油利用效率展開的競爭，可以預見的是LPG船的訂單結構正在逐步發生變化，并且以LPG作為主機清潔燃料的雙燃料LPG船的批量訂單將越來越多。

正是基于大量廉價丙烷的強勁需求、老船替代和環保新規的不斷加壓的多重背景下，江南造船（集團）公司（以下簡稱：江南造船）開發了具有LPG雙燃料技術的全新一代40 000 m全冷式液化氣船（mid-sized LPG carrier，簡稱：MGC）。

1 船型方案

1.1 中型液化氣船MGC概述

這艘40 000 m全冷式液化氣船是江南造船秉承“節能、環保、智能”的設計理念，繼超大型氣體運輸船VLGC品牌江南PANDA 83P/84P/86P系列后，自主研發的全新MGC（PANDA 40P），和江南造船研制的超大型全冷式液化氣船（very large gas carrier，簡稱：VLGC）同屬一種類型，液貨艙都采用無壓力設計的A型菱形獨立液貨艙，但其主尺度較小，使用靈活便捷，主要適用于中短航程的航線上LPG（液化石油氣，主要成分為丙烷、丁烷等）、氨水、聚氯乙烯等液化氣的運輸業務。

2020年8 月，中國船舶集團有限公司旗下江南造船與日本Kumiai Senpaku公司簽訂1艘40 000 mMGC建造合同，入ABS級，掛馬紹爾群島旗。船級符號為：A1, (E), Liquefied Gas Carrier with Independent Tanks (Ship type 2G, Maximum Vapour Pressure of 0.25 bar G at sea and 0.45 bar G at harbor,Minimum Cargo Temperature of -50 ℃), SH, SHCM,RW, CRC (SC, SP), SFA (40, WWT), CPS, UWILD,BWT, TCM, IHM, NBLES, DFD-LPG, NOX-TIER III。

這艘40 000 mMGC是IMO 2G型船舶，該船采用單槳、雙燃料主機推進，船身線型采用VS-Bow專利技術、可選擇性地設置艏樓，機艙和房艙都位于艉部。該船貨艙中部設有3個A型菱形獨立液貨艙，內部設制蕩艙壁，因此可以解決部分裝載帶來的晃蕩問題，由特殊設計的支撐系統進行支撐。該液貨艙最大設計密度為0.61 t/m，最大設計壓力為0.25 bar G，對于密度大于0.61 t/m的貨物，可部分裝載。該船型的液貨兩品位設計，對于晃蕩問題沒有液貨裝載限制，可多港口掛靠。

1.2 A型獨立液貨艙設計

這艘40 000 mMGC采用A型獨立液貨艙，其結構由外殼板和內部支撐構件組成，設置制蕩艙壁以降低晃蕩載荷。由于所載運液貨的最低溫度接近-50 ℃，液貨艙結構采用具有良好低溫型能的碳-錳鋼。液貨艙位于被船體結構包裹的空間內，由類似于墩形的支撐系統支撐。利用固定在船體和液貨艙上的各種支座限制液貨艙在縱向﹑水平方向和進水情況下的垂向運動。次屏蔽由包圍液貨艙的船體結構組成。因此，液貨艙結構和其支撐船體結構都采用同樣的低溫碳-錳鋼。在液貨艙的外表面設絕緣層，通常是聚氨酯泡沫。

1.3 主尺度優選

MGC的運力范圍通常為20 000 m～40 000 m，以38 000 m～39 000 m為設計艙容的船型最為普遍，通過廣泛調研和多方船東的咨詢可知，目前比利時船東Exmar N.V.手持的MGC就可多達22艘，該船東于1996年開始建造第一批MGC船舶，一直延續至今，他的MGC船隊中艙容普遍在35 500 m～38 900 m之間，其中又以對應“180 m船長”和“38 500 m”這種標準型MGC船舶占比最多；希臘船東Thenamaris公司手持6艘MGC，新加坡船東Eastern Pacific公司手持4艘MGC，等等。就MGC整體船隊數量、運營年限以及行業內影響力而言，比利時船東Exmar N.V.無疑屬于引領者。

通過對世界主流船廠MGC船型參數列表（表1）和世界主要LPG碼頭（表2）的的分析研究，結合液化氣船市場的主要發展趨勢以及韓國先進船廠設計建造的MGC主要技術參數，基本可以總結為：在“船長不超過182 m，船寬不超過30 m，結構吃水不超過10.9 m”的主尺度包絡線下，其可以滿足世界主要LPG碼頭的限制要求。同時在商務接洽和租家信息不明朗的階段，且沒有特殊約定航線的情況下，一般會采用最具有碼頭通用性的主尺度設計，即確定了該目標船型的主尺度如下：總長

L

為180.00 m；垂線間長

L

為176.20 m；型寬

B

為30.00 m；型深

D

為18.80 m；設計吃水

T

為9.80 m；結構吃水

T

為10.90 m；液艙容積為40 000 m；定員為25人；主機型號6G50ME-C9.6-LGIP with HP SCR。

表1 世界主流船廠MGC全冷式液化氣船主尺度

表2 世界主要LPG碼頭和限制條件

表2 世界主要LPG碼頭和限制條件（續）

1.4 總布置設計

本船的總布置圖如圖1所示，為具有一層縱通甲板的平甲板船型、機艙和居住區域設在船尾部。主船體被水密或油密隔壁分成船首艙、艏深壓載艙、4個液艙區域、燃油深艙、機艙及艉艙等。各個液貨區域各設1個A型獨立菱形液貨罐。為了使液貨罐不會將其低溫傳遞給船體，不致相互傳遞產生于液貨罐和船體的應力和扭曲，將其設計成獨立于船體的結構，液貨罐外面敷設絕熱材料。

圖1 40 000 m3全冷式液化氣船總布置圖

船體橫剖面類似散貨型式，雙層底設舷側漏斗，結構設計簡潔合理。雙層底及舷側上部有壓載槽，雙層底與舷側艙之間設連通管，使上下壓載艙連成一體。

壓載艙由液貨罐區的雙層底艙、舷邊艙、艏尖艙、艏深壓載艙及艉深壓載艙組成，除壓載航行時可得到充分的吃水之外，還可以調整浮態，以適用LPG裝卸貨作業。

1號液貨艙和2號液貨艙之上設有2個500 m的甲板罐，主要作為LPG燃料供應，也可以用于換貨。

3號液貨艙和4號液貨艙之上設有合并式壓縮機房及馬達驅動間，可處理航行過程或裝卸貨時發生的蒸發液化氣。在其房間后部，設有主機燃氣閥組、LPG日用柜和高壓泵設備等，可實現將液貨艙抽出的液態LPG送入供氣系統模塊再送往主機端。

根據眾多美國碼頭終端即石油公司國際海事論壇（Oil Companies International Marine Forum，簡稱：OCIMF）液貨集管區推薦指南的要求，液貨集管區域布置按照LVVL型式；同時，由于應對船東特殊要求（滿足日本碼頭港口裝卸貨），需按照 VLLV的型式布置液貨集管區。因此，該船的液貨集管區域布置為LVVLLV型式（總計3根液貨管和3根蒸氣管）。

在機艙設計方面，采用最新 MAN 6G50ME-C9.6-LGIP with HP SCR雙燃料主機，最大輸出功率為10 320 kW×100 r/min。在機艙三平臺的尾部布置了3臺900 kW常規柴油發電機組，2臺柴油發電機并車運行可滿足日常航運及裝卸貨的正常使用。同時配備1臺1 500 kw的軸帶發電機，該軸帶發電機工作時可完全替代2臺發電機，經濟節能。裝有1臺輔鍋爐及1臺排氣預熱器，作為蒸汽發生裝置，日常航運時，所需蒸汽全部由排氣預熱器提供。

居住區域的船員房間全部為單人間，并設有高級船員餐廳、船員公共餐廳、健身房、娛樂室、吸煙室、圖書館和辦公室等，該房艙的設計兼顧船東的使用要求和海事勞工公約的規范要求。

1.5 系泊設計

系泊設計布置很大程度上影響著船舶的甲板布置、碼頭使用和結構設計，所以一個有效的系泊系統能保證船舶、船員、碼頭和環境的安全性。本項目通過船東對實船運營的反饋以及市場上韓國現代同類船型的數據研究，開展兼容性更好、性價比和效率更高的系泊布置優化研究，使本船能夠滿足最新的規范要求。主要系泊設計參數如下：

1）設計規范。參考船級社規范、系泊設備指南規范MEG4、船東終端碼頭要求；

2）船舶設計最小破斷負荷（船舶設計

MBL

）。船舶設計

MBL

是核心參數，船舶系泊系統的所有其他組件均根據該參數進行尺寸設計。根據船級社規范要求，舾裝數計算為2 700～2 870檔位，因此對應的本船設計

MBL

為50 t；根據系泊設備指南規范 MEG4，綜合計算環境力所得的船舶設計

MBL

為60 t；根據Bioko終端碼頭要求，即“該船型的系泊絞車剎車力至少為40 t，同時在第一層纜繩上的剎車握持負荷設置為船舶設計

MBL

的60%”，推算出船舶設計

MBL

為67 t。最終選取67 t作為本船的設計最小破斷負荷。3）系泊絞車。首部組合式錨絞車2臺，貨艙前部系泊絞車2臺，貨艙后部系泊絞車1臺，尾部系泊絞車 3臺。絞車設計負荷不高于船舶設計

MBL

的33%，不低于船舶設計

MBL

的22%，同時保證該值足夠抵抗環境的作用力和避免對纜繩造成應力過度，因此選型設計負荷為15 t的系泊絞車。

4）系泊模式。本船選用首纜6根、中部橫纜4根、尾纜6根，整船總計16根纜繩。系泊纜繩布置考慮多種方向的環境和船舶系泊系統的設計，可有效抵抗來自復雜環境帶來的任何方向的環境力。

5）系泊纜繩材料。本船纜繩配置材料為直徑32 mm高分子合成纜繩HMPE，碼頭適用性強。

1.6 線型設計及水動力性能優化

液化氣船屬于布置地位型船舶，其主尺度和船型系數的選取和分艙劃分取決于液貨艙的布置、載重量、完整穩性和破艙穩性等要求，同時，由于液化氣船船型的特殊性，給船舶的型線設計帶來一定困難，因此其線型設計工作需要重點考慮以下核心技術點：

1）線型和液貨艙形狀之間的匹配關系。液貨艙以典型菱形端面沿著船首尾部縱向方向不斷延伸收縮，它和線型之間的匹配將是一個循環往復的迭代過程，在主尺度限制條件下平行中體盡可能地長和瘦削，以獲取最大的液貨艙容和良好的快速性。

2）全冷式液化氣船所載運的貨種中丙烷、丁烷等密度較小，為滿足船舶滿載時的縱傾要求，在線型設計前期選擇合理的浮心位置尤為重要；

3）該船型是尾機型船舶，同時液化氣船的機艙內設備多、容量大，因此尾部型線要確保各種機電設備的布置，同時又要兼顧快速性的要求，這是型線設計重點和難點之一。

本船線型通過多次嘗試，反復修改、匹配、優化，為保證項目研發進度，借助計算機進行大量細致的線型計算和分析工作。針對線型變換、設計和優化，項目利用計算流體力學（CFD）軟件系統對多個方案的線型進行計算分析（圖2），結合總布置和各方面的綜合需求進行平衡、選優，得出最優的線型。最后通過船模實驗結果來驗證線型性能，確定最終的線型方案。

圖2 40 000 m3全冷式液化氣船線型優化前后的波形分布圖對比

1.7 安全舒適度研究

船舶在海上航行時，會產生不同程度的振動。船體振動及由此引起的噪聲常會導致船員及乘客的居住舒適性下降，引起船員身體不適，甚至損害到身體健康。

本項目將振動分析融入結構的初始設計中，通過有限元軟件建立整船三維振動分析模型（圖3），結合滿載和壓載多種工況，采用分塊蘭索斯法進行模態分析，提取前六階振動模態，保證覆蓋船體結構主要的振動特性，從而對全船的自振特性和動力響應性能進行全面的評估和預報控制。

圖3 滿載工況下的全船動力響應

1.8 穩性研究

MGC的完整穩性和破艙穩性需要滿足的相關規范和公約有“1966年國際載重線公約1988年議定書”，“IMO完整穩性規則2008”，“國際載運散裝液化氣船規則（IGC）”及其最新修訂。經過核算，MGC的完整穩性都可以滿足完整穩性衡準要求并且富有一定余量。因為MGC載運貨品的密度較大，艙容突破40 000 m但船寬受限的情況下，滿足破艙穩性是一大挑戰。因此，本文將重點介紹該船型的破艙穩性特點。

液化氣船破損后殘存能力主要包含以下衡準：

1）在浸水階段，計及下沉﹑橫傾和縱傾后的水線應低于可能發生浸水的任何開口下緣；

2）不對稱浸水引起的最大橫傾角應不超過30°；

3）在浸水后的平衡狀態，復原力臂曲線超過平衡位置應有1個20°的最小范圍；

4）在上述20°范圍內最大剩余復原力臂至少為0.1 m；

5）在上述20°范圍內靜穩性曲線下的面積應不小于 0.017 5 m·rad。

在NAPA軟件中建立本船的破損方案，該船型研究對象的破損工況計算超過了580種，為了更加有針對性地了解該船型的破艙穩性特點，本文將其分成“裝貨工況”和“壓載工況”2大類別，將每個衡準所對應的最危險工況篩選出來，如表3和表4所示。

表3 破艙穩性最危險工況匯總表，裝貨工況

表4 破艙穩性最危險工況匯總表，壓載工況

由表3和表4的計算結果對比可知，在壓載工況下，IGC規則破艙穩性的3條衡準要求“非水密開口距平衡水線”、“最大橫傾角”、“最小范圍”將會顯著變差；在裝貨工況下，IGC規則破艙穩性的 5條衡準都可以滿足并且富有余量。因此對于MGC船型，改善破艙穩性和分艙劃分的側重點是在壓載工況上。

2 排放控制

2.1 船舶能效設計指數（EEDI）三階段

對于船舶能效設計指數（energy efficiency design index，簡稱：EEDI）三階段提前到來（MEPC 75），需有應對措施，即溫室氣體控制。EEDI是衡量船舶能效水平的一個指標，即EEDI公式是根據CO排放量和貨運能力的比值來表示船舶的能效。根據MEPC 63會議上通過的《2012年新造船達到的能效設計指數（EEDI）計算方法導則》中給出的計算公式計算出該船型在燃油模式和燃氣模式下的EEDI值。

國際海事組織（International Maritime Organization，簡稱：IMO）在2020年11月召開的環境保護委員會第75屆（MEPC 75）會議上提出了新的議程法案，預計該提案將于2021年6月在環境保護委員會第76屆（MEPC 76）會議上被正式采納，并于2023年1月1日正式生效。該提案提出：EEDI第三階段的啟動日期將從2025年1月1日提前到2022年4月1日，適用于集裝箱船、大型氣體運輸船（＞15 000 DWT）、普通貨船、LNG運輸船和具有非傳統推進裝置的郵輪客輪。由于上訴若干船型的設計能效指數三階段的提前到來，對應的壓力肯定會傳導到設計端。正是基于這樣的背景，江南造船一直思考如何開發出滿足EEDI第三階段的MGC船型。

本項目針對40 000 mMGC，由表5的對比可以看出LPG的

C

（無量綱轉化系數，基于含碳量將燃料的消耗量轉化為CO的排放量）明顯小于燃油的

C

，這意味著如果燃油的單位消耗量與 LPG的單位消耗量相同時，用LPG作燃料的能效指數要明顯優于使用燃油。

表5 不同燃料所對應的CF值

通過表6的實際計算對比發現：該船型在燃油模式下的EEDI指標為26%，僅滿足EEDI第二階段的要求；在燃氣模式情況下的EEDI指標為33%，可滿足EEDI第三階段的要求。本船設計采用液態燃氣噴射丙烷（liquefied gas injection for propane，簡稱：LGIP）雙燃料主機推進，并且在主甲板配置有2個500 m的甲板罐，其可滿足單航程約10 000 n mile的需求，在船舶返程時候，需要從液貨艙中抽出1 000 m液化氣來補充已經空載的甲板罐，因此本船可以核定燃氣模式作為主要運營工況，設計完全滿足EEDI第三階段的要求。

表6 EEDI計算結果MGC

2.2 硫氧化物和氮氧化物排放控制

MARPOL 73/78公約附則VI、歐盟及加州法令等要求，2020年1月1日以后，全世界范圍內船用燃料硫含量不超過0.5%。同時，針對NO排放，IMO MARPOL73/78公約附則VI“防止船舶造成空氣污染規則”第13條制定了3個排放階段。相對于第一階段標準，第二階段NO排放量需下降約20%，第三階段NO排放量需下降約80%。IMO規定，2011年1月1日及以后建造的船舶，航行于非NO排放控制區內時，柴油機（＞130 kW）NO排放需滿足第二階段（Tier II）要求；2016年1月1日或以后建造的船上的柴油機在NO排放控制區內運行時，NO排放量應滿足第三階段（Tier III）要求。

目前減少船舶排放的主要措施見表7。

表7 減少船舶排放的措施

本船型40 000 mMGC針對MAN的LPG雙燃料主機開展在本型船上的應用研究，搭載1套燃氣系統（包含1個LPG甲板燃料罐、2臺LPG燃料供給泵、2臺LPG燃料增壓泵、1臺LPG燃料加熱器等）和1套安全輔助系統（包含氮氣吹掃/密性測試系統、雙壁管通風、氣體探測系統等），形成 1套完整的LPG雙燃料技術方案。該船型同時配置超低硫油燃油和LPG清潔能源雙燃料方案，可以完全應對最新的NO和SO排放的要求，極大提高了該型船的市場競爭力。通過選用配置的軸帶發電機進行搭配，該軸帶發電機工作時可完全替代 2臺發電機，因此在海上航行時幾乎可以使SO的排放降為0。

綜上，幾種技術方案的控制效果、運營成本、技術成熟性都有不同特點，選取方案需要結合多重因素，更重要的是匹配船型的特點和船東的運營要求。該船東在考慮船舶能效指數的日益嚴苛，以及雙燃料技術的日益成熟高效，選用了配置超低硫油燃油和LPG清潔能源雙燃料方案，達到了實現“優異的 EEDI/EEXI指標和排放控制相結合”一箭雙雕的目標。

3 結論

全新一代40 000 m全冷式液化氣船（MGC）無論從世界能源結構轉變或市場需求預測，都是一款有發展前景的高附加值船型。本文通過對主尺度優選、總布置設計、線型開發優化、舒適性、穩性等方面的研究，對該船型的開發和總體設計工作有了一個比較完整的認識，積累了豐富的經驗，為快速響應市場需求，搶占訂單打下了堅實的基礎。

同時，隨著國際海事環保新規的不斷加速生效、“碳中和”的目標已逐步在航運界形成共識，該船型通過線型優化、最新的清潔能源LPG雙燃料、軸帶發電機為船舶輔助電站等先進技術手段，有效降低了船舶碳、硫排放。

40000 m全冷式液化氣船MGC的研制不但向大型化邁出堅實的一步，而且還具有承上啟下的重要意義，使江南在研究大型全冷式液化氣船時具有更加豐富的經驗積累，并且完整了“中國江南型”全系列LPG船舶產品。