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LNG氣罐型式及在某大型耙吸挖泥船上的布置研究

文檔作者：張英捷1 李志壘2 于再紅1 文檔來源： 1. 中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 2. 海洋石油工程股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月07日
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船 舶 張英捷，等：LNG氣罐型式及在某大型耙吸挖泥船上的布置研究 LNG 氣罐型式及在某大型耙吸挖泥船上的布置研究
張英捷1 李志壘2 于再紅1
（1. 中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011 ；2. 海洋石油工程股份有限公司 天津300461）
［摘 要］ 液化天然氣（LNG）燃料具有清潔、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，大型挖泥船工作于港口、沿海區(qū)域，使用LNG 燃料將大大降低
其排放污染，對改善沿岸大氣環(huán)境有重要意義。文中整理了LNG 燃料船舶的相關(guān)規(guī)范，闡述國內(nèi)外LNG 燃料船舶發(fā)展現(xiàn)狀，
比較不同型式LNG 氣罐的特點(diǎn)，并基于某LNG 雙燃料大型耙吸挖泥船提出適用的氣罐型式和布置。
［關(guān)鍵詞］液化天然氣；雙燃料；挖泥船；LNG 氣罐
［中圖分類號］ U674.31 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］1001-9855（2017）02-0054-05
On type of LNG tank and its arrangement on large trailing
suction hopper dredger
ZHANG Ying-jie1 LI Zhi-Iei2 YU Zai-hong1
(1. Marine Design &amp;amp; Research Institute of China, Shanghai 200011, China;
2. Offshore OiI Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China)
Abstract: As large dredgers mainly work in the harbor and coastal regions, the application of LNG fuel, which
is clean and economic, will greatly reduce the exhaust pollution. It is of great significance to improve the
atmospheric environment along the coast. This paper summarizes the rules relevant to LNG vessels, presents
the state-of-art of LNG vessels both at home and abroad, and compares the characteristics of the different types
of LNG tank. It finally proposes the suitable LNG tank type and the arrangement for the dual-fuel large trailing
suction hopper dredger.
Keywords: liquefied natural gas(LNG); dual fuel; dredger; LNG tank
收稿日期：2016-07-06 ；修回日期：2016-08-15
作者簡介：張英捷（1986-），男，工程師。研究方向：船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)研究。
李志壘（1976-），男，碩士，工程師。研究方向：工程船舶和海洋平臺(tái)電氣設(shè)備研發(fā)。
于再紅（1976-），女，研究員。研究方向：船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)研究。
DOI ：10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.054
引 言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球氣候不斷惡
化，大氣污染問題越來越突出，成為危害人類健康
及制約文明發(fā)展的一個(gè)重要因素。目前傳統(tǒng)石化燃
料的大規(guī)模使用是造成大氣污染及氣候惡化的主要
原因之一，船舶大氣污染特別是在港口、海峽和一
些航線密集、船舶流量大的海區(qū)，已成為該地區(qū)的
主要污染源。與此同時(shí)，隨著全球?qū)ξ廴疚锱欧?
要求的日益嚴(yán)格，特別是船舶航行在排放控制區(qū)
（Emission Controlled Area，ECA）、加勒比海和加
利福尼亞區(qū)域，強(qiáng)制要求船舶有更低的NOx 和SOx
排放［1］。另外，有關(guān)NOx 的IMO Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)
已在北美排放控制區(qū)實(shí)施，其他排放控制區(qū)也會(huì)陸
萬方數(shù)據(jù)
船舶動(dòng)力裝置
2017年第2期 總第165期
55
續(xù)跟進(jìn)，這無疑使如何降低船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排
放成為一大研究課題。采用傳統(tǒng)的燃油，僅靠柴油
機(jī)自身無法滿足IMO Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，需在外部
系統(tǒng)增加反應(yīng)裝置還原排氣中的氮氧化物，因此尋
找和推廣更環(huán)保的替代能源迫在眉睫。
LNG 能源不僅清潔，而且儲(chǔ)量充沛，甚至比
石油的儲(chǔ)量還要豐富，是解決大氣污染的理想能
源。相關(guān)研究表明，在相同的功率輸出下，設(shè)計(jì)先
進(jìn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其二氧化碳排放比柴油機(jī)約減
少20%，氮氧化物排放約減少80%，硫氧化物和
顆粒排放幾乎減少100%［1］。雙燃料柴油機(jī)在使用
LNG 燃料時(shí)，可以輕而易舉地滿足IMO Tier Ⅲ的
排放標(biāo)準(zhǔn)。
挖泥船作為在港口、沿海航道甚至城市周邊河
道疏浚作業(yè)的船舶，其排放對城市大氣環(huán)境影響巨
大。因此，開發(fā)使用LNG 能源的綠色挖泥船，將
成為建設(shè)綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展城市的趨勢。
當(dāng)前，阻礙LNG 實(shí)船應(yīng)用的因素中，很重要
的一項(xiàng)是其續(xù)航能力弱，原因是LNG 儲(chǔ)存罐系統(tǒng)
復(fù)雜、要求繁多、布局困難。因此，對于以LNG
為燃料的船舶設(shè)計(jì)而言，其布置方面的研究是重中
之重。目前，投入運(yùn)行的LNG 動(dòng)力船舶為數(shù)不少，
但尚未有投入運(yùn)行的LNG 燃料大型耙吸挖泥船。
如何為其選擇合適的LNG 氣罐類型，設(shè)置合理的
布置位置需要我們進(jìn)行進(jìn)一步研究。
1 相關(guān)規(guī)范規(guī)則
1.1 CCS船級社規(guī)范規(guī)則
在CCS 船級社《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》［2］
中，對LNG 氣罐及其附件的布置要求如表1 所示。
表1 CCS《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》對LNG氣罐的布置要求
船 型開敞甲板上存儲(chǔ)圍蔽處所內(nèi)存儲(chǔ)半圍蔽處所內(nèi)存儲(chǔ)
海 船距舷側(cè)不小于B/5和0.8 m
距舷側(cè)不小于B/5或11.5 m，取小者；距船底不小于
B/15或2 m，取小者；在任何位置或方向，距船體
外板不小于0.8 m
距舷側(cè)不小于B/5和0.8 m
內(nèi)河船距舷側(cè)不小于B/10和0.8 m
距舷側(cè)不小于B/10或1.0 m，取小者；距船底不小于
B/15或0.8 m，取小者；在任何位置或方向，距船體
外板不小于0.8 m
距舷側(cè)不小于B/10和0.8 m
另外，針對氣罐處所，規(guī)范中還作出了如下
規(guī)定：
（1）氣罐處所系指由船舶結(jié)構(gòu)所圍蔽、其內(nèi)部
設(shè)有燃料維護(hù)系統(tǒng)的處所。燃料圍護(hù)系統(tǒng)系指用于
儲(chǔ)存燃料的裝置（含接頭），包括主屏壁和次屏壁
（如設(shè)有）以及附屬的絕熱層和屏壁間空間，包括
必要時(shí)用于支持這些構(gòu)件的鄰接結(jié)構(gòu)。若次屏壁是
船體結(jié)構(gòu)的一部分，則它可以是氣罐處所的邊界。
（2）氣罐處所內(nèi)不應(yīng)安裝可能導(dǎo)致火災(zāi)危險(xiǎn)的
機(jī)器和設(shè)備。
（3）氣罐連接處所內(nèi)的設(shè)備應(yīng)能承受低溫液體
的泄漏，而不導(dǎo)致其功能喪失。
（4）氣罐包括次屏壁（如設(shè)有），氣罐連接處
所不應(yīng)與機(jī)器處所和具有較大失火危險(xiǎn)的其他處所
相鄰。如果通過隔離艙進(jìn)行隔離，則隔離艙的寬度
應(yīng)至少為900 mm。對于真空絕熱C 型氣罐，若氣
罐外殼距艙壁不小于900 mm，則氣罐處所可以作
為隔離艙，但氣罐布置在機(jī)器處所和其他可能產(chǎn)生
火災(zāi)的危險(xiǎn)區(qū)域上方的情況除外。
1.2 DNV船級社規(guī)范規(guī)則
DNV 船級社規(guī)范［3］中關(guān)于氣罐布置的要求與
CCS 有所不同，它增加了根據(jù)氣罐的容積大小規(guī)定
的甲板上LNG 氣罐與船體的最小距離，與即將生
效的IGF Code 相同，因而比CCS 船級社規(guī)范更為
嚴(yán)格。
DNV 規(guī)范規(guī)定，開敞甲板布置的氣罐及其附
件應(yīng)布置在距離舷側(cè)不少于B/5 的位置，對除客船
萬方數(shù)據(jù)
56
船 舶 張英捷，等：LNG氣罐型式及在某大型耙吸挖泥船上的布置研究 以外的船舶，氣罐距離舷側(cè)可小于B/5 的要求。氣
罐邊界與船體邊界的最小距離在任何情況下不得小
于最小距離d 的限制，d 的定義如下：
（1）Vc ≤ 1 000 m3 時(shí)，d = 0.80 m ；
（2）1 000 m3 ≤ Vc < 5 000 m3 時(shí)，
d = 0.75+Vc×0.20 / 4 000 ；
（3）5 000 m3 ≤ Vc < 30 000 m3 時(shí)，
d = 0.8 + Vc /25 000 ；
（4）Vc ≥ 30 000 m3 時(shí)，d = 2 m。
Vc 為20℃時(shí)獨(dú)立氣罐的總設(shè)計(jì)體積，包括附件。
對于布置在圍蔽處所的氣罐，增加的最小距離
d 的定義與上述定義相同，其余要求與CCS 規(guī)范相
同。圖1 為DNV 船級社規(guī)范對LNG 氣罐布置位置
要求的示意圖。
圖1 DNV船級社規(guī)范對LNG氣罐布置位置要求的示意圖
2 液罐型式及特點(diǎn)
LNG 燃料的儲(chǔ)存可采用薄膜型氣罐和獨(dú)立氣
罐。薄膜型氣罐為非自身支持的氣罐，它由鄰接的
船體結(jié)構(gòu)通過絕熱層支持的一層薄膜組成。獨(dú)立氣
罐為自身支持的氣罐，它不構(gòu)成船體結(jié)構(gòu)的一部分，
對船體強(qiáng)度不是必需的。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)方式和符
合標(biāo)準(zhǔn)，獨(dú)立氣罐共分為3 類：A 型、B 型和C 型。
A 型獨(dú)立氣罐系指應(yīng)用傳統(tǒng)船舶結(jié)構(gòu)分析程序
的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的氣罐；B 型獨(dú)立氣罐系指采
用模型試驗(yàn)、精確分析手段和分析方法確定應(yīng)力水
平、疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行設(shè)計(jì)的氣罐；C
型獨(dú)立氣罐系指符合壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的氣罐。設(shè)計(jì)蒸
汽壓力P0 是氣罐頂部的最大表壓，除C 型獨(dú)立氣
罐外，設(shè)計(jì)壓力均不超過0.07 MPa。C 型獨(dú)立氣罐
的設(shè)計(jì)應(yīng)按照《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》附錄1
中的要求進(jìn)行。
不同氣罐型式的優(yōu)缺點(diǎn)見表2。
表2 各種氣罐的優(yōu)缺點(diǎn)
型 式優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)
獨(dú)立型
A型形狀可適應(yīng)船艙形狀，可提高燃料儲(chǔ)存量
耐壓能力弱（0.07 MPa）；曾出現(xiàn)過絕熱事故，可靠
性相對較低；設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)少
B型
形狀可適應(yīng)船艙形狀，可提高燃料儲(chǔ)存量；
可適用于國際航行船舶
耐壓能力弱（0.07 MPa）；設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)少；屬于
專利技術(shù)，需繳納專利費(fèi)
C型
耐壓能力強(qiáng)；可實(shí)現(xiàn)自增壓供氣，可簡化供
氣系統(tǒng)；設(shè)計(jì)、制造成熟；安裝方便；造價(jià)
相對較低
占用艙室空間大（有測算表明，C型罐占據(jù)的空間約
為A型的1.5~2倍）
薄膜型
形狀可適應(yīng)艙型，可提高燃料儲(chǔ)存量；可適
用于國際航行船舶
耐壓能力弱（0.07 MPa）；需在船舶建成后施工，工
期長；造價(jià)較高；屬于專利技術(shù)，需繳納專利費(fèi)
液化天然氣
燃料罐
液化天然氣
燃料罐
液化天然氣
燃料罐
液化天然氣
燃料罐
液化天然氣
燃料罐
液化天然氣
燃料罐
B/15或2 m B/15或2 m
B/5或
11.5 m
d
d
B/5或
11.5 m
B/5或
11.5 m
萬方數(shù)據(jù)
船舶動(dòng)力裝置
2017年第2期 總第165期
57
3 氣罐選型及布置實(shí)例
對于LNG 燃料挖泥船而言，氣罐的選型和布
置位置除了滿足規(guī)范要求，還需要結(jié)合挖泥船的船
型特點(diǎn)，有效、合理地利用船上空間，根據(jù)船型、
布置、尺度等綜合因素來確定。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可
能節(jié)約空間或者更有效利用船上空間，擴(kuò)大氣罐容
積，提高續(xù)航力。
現(xiàn)以某大型雙燃料耙吸挖泥船為例，探討此
類船型氣罐選型及布置研究。該船泥艙艙容約為
12 000 m3，采用一拖二的驅(qū)動(dòng)形式，軸系、調(diào)距槳
和發(fā)電機(jī)由雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而泥泵則由電機(jī)驅(qū)
動(dòng)。機(jī)艙設(shè)置于船舶尾部，舵機(jī)艙前，泥艙段位于
平行舯體位置，泥泵艙則布置在泥艙之前。
3.1 氣罐選型
從氣罐的型式上來看，薄膜型和A、B 型罐可
以適應(yīng)船體的形狀，以液艙的形式布置在船上，一
般設(shè)置在平行舯體部分。這個(gè)特點(diǎn)使得它們可以更
有效地利用船體內(nèi)部空間來儲(chǔ)存LNG 燃料，但造
價(jià)也相對更高。這類氣罐在LNG 運(yùn)輸方面更具優(yōu)
勢，但若僅用作燃料儲(chǔ)存，則在布置上要求較高，
不夠靈活。C 型罐具有設(shè)計(jì)獨(dú)立、布置靈活、便于
安裝、無氣體泄漏、無需維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，但缺
點(diǎn)是需要大量空間［1］。從耙吸式挖泥船的布置特
點(diǎn)來看，在泥艙甲板頂部存在較大空間可以用于
LNG 氣罐的布置，布置空間較為充足，C 型罐的優(yōu)
勢更為明顯。因此，選擇C 型罐作為該船的LNG
氣罐。
3.2 布置實(shí)例
總布置上，主要從泥艙形式和甲板形式兩個(gè)
角度來考慮，因?yàn)檫@兩部分對甲板空間的影響最
為顯著。
泥艙形式方面，其平面幾何形狀大體呈矩形，
而橫斷面幾何形狀可以分為兩類：具有單列泥門的
V 型泥艙和具有雙排泥門的W 型泥艙。為給氣罐留
出更大的空間，采用雙列泥門W 型泥艙，將泥門油
缸和吸排泥管布置于泥艙兩側(cè)，使中部甲板空間更
為充裕。圖2 為W 型和V 型泥艙橫斷面示意圖。
甲板形式方面，適用于本船的有W 型單甲板
和全通甲板（如圖3 所示）。
圖2 W型（左）和V型泥艙橫斷面示意圖
圖3 不同甲板形式的泥艙
萬方數(shù)據(jù)
58
船 舶 張英捷，等：LNG氣罐型式及在某大型耙吸挖泥船上的布置研究 目前國內(nèi)泥艙艙容在萬方左右的船型大多為
單甲板、高泥艙圍板型式，原因有二：首先是作業(yè)
環(huán)境條件大多為港內(nèi)以及沿海，海況條件較好，甲
板上浪情況不嚴(yán)重，故干舷較??；其次是挖深較
小，多為一拖三復(fù)合驅(qū)動(dòng)，耙管大多布置在泥艙
后部，耙管易于布置。隨著一拖二驅(qū)動(dòng)型式廣泛應(yīng)
圖4 本船主甲板氣罐布置
用以及超大型耙吸挖泥應(yīng)運(yùn)而生，全通甲板形式的
船型也就脫穎而出，其優(yōu)點(diǎn)是具有較高的強(qiáng)度和剛
度。較大的干舷適用于不同的作業(yè)海況，較大的甲
板寬度便于甲板布置。這個(gè)特點(diǎn)也同樣有利于甲板
LNG 氣罐的布置。因此，本船采用全通甲板形式。
圖4 為本船主甲板氣罐布置圖。
4 結(jié) 論
本文對船用LNG 氣罐布置的船級社規(guī)范相關(guān)
要求進(jìn)行整理，并對各類氣罐的特點(diǎn)進(jìn)行分析和
歸納。在此基礎(chǔ)上，以某LNG 雙燃料大型耙吸挖
泥船為例，對LNG 氣罐型式和船舶布置進(jìn)行研究，
并提出采用C 型氣罐、雙列泥門、全通甲板、氣
罐布置于泥艙甲板中部的布置型式。希望該文能對
同類型船舶的研究有所幫助。
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