200 000 m3液化天然氣船總體設(shè)計(jì)綜述

熊 飛，周 南

(上海惠生海洋工程有限公司, 上海 201210)

0 引 言

近年來，隨著社會(huì)各界對(duì)環(huán)境保護(hù)問題的日益關(guān)注，液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)作為清潔能源，逐漸成為人們關(guān)注的新焦點(diǎn)。LNG運(yùn)輸和貿(mào)易是LNG產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)，大型LNG船在其中扮演著不可替代的角色。目前市場(chǎng)上主流的大型LNG船主要有170 000 m3級(jí)、220 000 m3級(jí)(Q-Flex)和260 000 m3級(jí)(Q-max)等3個(gè)級(jí)別，國內(nèi)具備大型LNG船設(shè)計(jì)和建造能力的船廠較少。本文就上海惠生海洋工程有限公司開發(fā)的新一代200 000 m3級(jí)LNG船在總體設(shè)計(jì)方面存在的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行分析和探討。

1 主尺度及要素

在對(duì)國際上主流的大型LNG船的船型資料和國際上主要的LNG碼頭、LNG運(yùn)輸路線進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)船舶的主尺度及要素進(jìn)行論證研究，研發(fā)一艘既能滿足船東需要，又能滿足規(guī)范規(guī)則和主要LNG碼頭要求的新一代200 000 m3級(jí)LNG船。該船的主尺度：總長為300.00 m；垂線間長為295.00 m；型寬為48.60 m；型深為27.00 m；設(shè)計(jì)吃水為12.00 m；結(jié)構(gòu)吃水為13.00 m；LNG貨艙艙容約200 000 m3；設(shè)計(jì)吃水載重量為95 000 t；結(jié)構(gòu)吃水載重量為108 000 t；服務(wù)航速(設(shè)計(jì)吃水)為19.5 kn；續(xù)航力(燃油模式)為18 000 n mile；主機(jī)型號(hào)為WinGD 6×72DF；主機(jī)數(shù)量為2 臺(tái)；入級(jí)船級(jí)社為挪威船級(jí)社(Det Norske Veritas,DNV)，船級(jí)符號(hào)為+1A,Tanker for Liquefied Gas,Ship Type 2G(-163 ℃, 500 kg/m3,0.025 MPa),Plus,CSA(FLS2),CMON,COAT-PSPC(B),E0,NAUT(OC),BIS,TMON(Oil Lubricated),Clean(Tier III),Recyclable,LCS,BWM(T),GF,ERS, HMON,[SmartShip(OE,PE,CME)](option)。

2 國際規(guī)范規(guī)則

該船主要根據(jù)2016版的《國際散裝液化氣體船規(guī)范》(IGC CODE 2016)設(shè)計(jì)。

該船的設(shè)計(jì)理念是綠色環(huán)保，硫氧化物(SOx)排放和氮氧化物(NOx)排放滿足《國際防止船舶污染公約》(MARPOL)的要求，其中：SOx排放滿足2020年最新限硫要求和排放控制區(qū)(Emission Control Area,ECA)要求；NOx排放滿足ECA要求(T-III)。碳氧化物排放主要滿足船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Energy Efficiency Design Index,EEDI)要求。

該船遵循的主要規(guī)則和規(guī)范有：《國際散裝液化氣體船規(guī)范》(2016)；《1974年國際海上人命安全公約》(2014綜合文本)；《1966年國際載重線公約及1988年議定書》；MARPOL 1973(附則I、IV、V和VI)、1978年議定書和1997年修正案；《國際石油公司海事論壇(OCIMF)對(duì)液化氣體船集管區(qū)要求推薦》(2018)；《國際石油公司海事論壇(OCIMF)系泊設(shè)備導(dǎo)則》(2018)；《國際石油公司海事論壇(OCIMF)船對(duì)船(液化氣體船)輸送導(dǎo)則》；《國際氣體船及終端聯(lián)合會(huì)(SIGTTO)相關(guān)推薦及導(dǎo)則》；國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)海洋研究保護(hù)委員會(huì)(Maritime Environment Protection Committee,MEPC)MEPC.203(62)、MEPC.251(66)、MEPC.245(66)、MEPC.263(68)、MEPC.281(70)、MEPC.254(67)和MEPC.261(68)對(duì)EEDI相關(guān)要求；美國海岸警衛(wèi)隊(duì)(United States Coast Guard,USCG)對(duì)掛外國旗液化氣體船相關(guān)要求。

3 總體設(shè)計(jì)方案

3.1 總布置

該船是一艘無限航區(qū)航行，貨艙艙容約為200 000 m3的LNG運(yùn)輸船。該船設(shè)置有連續(xù)上甲板、垂直球艏、雙艉鰭[1]和2個(gè)全懸掛舵，2臺(tái)雙燃料主機(jī)驅(qū)動(dòng)2個(gè)固定螺距螺旋槳。

該船適于裝載、運(yùn)輸和卸載最低溫度為-163 ℃、最大安全釋放閥壓力為0.025 MPa、最大貨品密度為500 kg/m3的LNG。該船的貨物圍護(hù)系統(tǒng)為法國GTT公司的Mark-III Flex薄膜型貨物圍護(hù)系統(tǒng)，分為4個(gè)液貨艙。

該船總布置見圖1，設(shè)置有艏尖艙(空艙)、艏部泵艙(應(yīng)急消防泵艙)、低硫油艙、液貨艙(4個(gè))、壓載水艙、機(jī)艙、舵機(jī)艙和艉尖艙等。

圖1 船舶總布置

貨艙段按IGC CODE 2016的要求設(shè)置雙底雙殼[2]，并在每個(gè)貨艙前后設(shè)置隔離空艙；機(jī)艙設(shè)置雙層底；油艙按MARPOL的要求設(shè)置雙底雙殼。

船上很多區(qū)域都是危險(xiǎn)區(qū)，在設(shè)計(jì)之初就充分考慮危險(xiǎn)區(qū)范圍，并進(jìn)行合理的總布置。圖2為該船危險(xiǎn)區(qū)劃分圖。

圖2 船舶危險(xiǎn)區(qū)劃分圖

3.2 航速油耗指標(biāo)

隨著船舶設(shè)計(jì)和建造技術(shù)的不斷發(fā)展，以及能源價(jià)格的不斷變化，航速油耗等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)[3]作為罰款指標(biāo)的一部分，逐漸成為船東關(guān)注的重點(diǎn)。

本文所述LNG船的設(shè)計(jì)航速為19.5 kn，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)吃水，21%海上裕度。該船的油耗如下：

1)燃?xì)夂牧繛?5.2 t/d，加上0.55 t/d的點(diǎn)火油；

2)燃油耗量為106.3 t/d。

該船單位海里載重噸燃料消耗為1.92×10-6t，此項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的數(shù)值與市場(chǎng)上主流的175 000 m3LNG船相比低約3.5%。

表1為該船與175 000 m3LNG船經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)比。

表1 2種LNG船經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)比

3.3 貨物圍護(hù)系統(tǒng)及艙容優(yōu)化

該船的貨物圍護(hù)系統(tǒng)采用法國GTT公司的MARK-III Flex薄膜型貨物圍護(hù)系統(tǒng)，滿載航行工況下的平均蒸發(fā)率為0.085%/d。通過與該公司確認(rèn)貨艙晃蕩、艙型尺寸及形狀和經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)，并對(duì)比170 000 m3級(jí)LNG船的4個(gè)液貨艙和220 000 m3級(jí)(Q-Flex)LNG船的5個(gè)液貨艙，設(shè)置該船的液貨艙為4個(gè)。

該船的液貨艙布置及雙底雙殼距離滿足IGC CODE 2016和GTT公司的要求。基于該船的線型，充分優(yōu)化貨艙艙容，特別是艏艉貨艙艙容，該船的貨艙艙容約為200 000 m3，貨艙形狀及布置見圖3。該船單位主尺度艙容為0.508，高于傳統(tǒng)175 000 m3LNG船的單位主尺度艙容0.498。

圖3 貨艙形狀及布置

3.4 推進(jìn)系統(tǒng)

該船的推進(jìn)系統(tǒng)[4]主要由2臺(tái)低速雙燃料主機(jī)和2個(gè)定螺距螺旋槳組成。主機(jī)采用目前市場(chǎng)上大型LNG船普遍采用的低壓主機(jī)。相對(duì)于高壓主機(jī)，低壓主機(jī)的初期投資少，維護(hù)運(yùn)營成本低，在燃?xì)饽Ｊ较聼o需廢氣處理裝置，NOx排放能滿足T-III要求，SOx排放幾乎可忽略，完全能滿足ECA的要求。

該船主機(jī)的型號(hào)為WinGD 6×72DF，最大常用持續(xù)功率為14 000 kW，轉(zhuǎn)速為69 r/min。

3.5 蒸發(fā)氣管理

該船在不同工況下的燃?xì)夂牧亢妥匀徽舭l(fā)氣量見圖4。從圖4中可看出：

圖4 船舶在不同工況下的燃?xì)夂牧亢妥匀徽舭l(fā)氣量

1)在滿載工況和壓載工況下以19.5 kn設(shè)計(jì)航速航行時(shí)，燃?xì)夂牧看笥谧匀徽舭l(fā)氣量，需運(yùn)行強(qiáng)制蒸發(fā)器，以提供足夠的蒸發(fā)氣；

2)在進(jìn)出港和低速航行等工況下會(huì)有大量剩余自然蒸發(fā)氣，為平衡貨艙內(nèi)壓力，配置1臺(tái)氣體燃燒裝置，通過燒掉多余自然蒸發(fā)氣實(shí)現(xiàn)貨艙壓力平衡。

3)裝貨和卸貨工況下產(chǎn)生的自然蒸發(fā)氣可通過回氣壓縮機(jī)，經(jīng)氣體回流管返回終端或碼頭，也可通過氣體燃燒裝置燒掉，以實(shí)現(xiàn)貨艙壓力平衡[5]。

4 結(jié) 語

目前市場(chǎng)上的大型LNG船主要是170 000 m3級(jí)LNG船和220 000 m3級(jí)LNG船，本文所述LNG船的貨艙艙容為200 000 m3，介于兩者之間，市場(chǎng)上并無此級(jí)別的實(shí)船，因此具有一定的市場(chǎng)開拓前景。

該船配有新一代推進(jìn)系統(tǒng)和貨物圍護(hù)系統(tǒng)，具有油耗低、蒸發(fā)率低、適用于主要港口碼頭和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，現(xiàn)已取得DNV頒發(fā)的原則性認(rèn)可證書。