LNG气罐型式及在某大型耙吸挖泥船上的布置研究

张英捷李志垒于再红

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

船舶动力装置

LNG气罐型式及在某大型耙吸挖泥船上的布置研究

张英捷1李志垒2于再红1

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

液化天然气（LNG）燃料具有清洁、经济的优点，大型挖泥船工作于港口、沿海区域，使用LNG燃料将大大降低其排放污染，对改善沿岸大气环境有重要意义。文中整理了LNG燃料船舶的相关规范，阐述国内外LNG燃料船舶发展现状，比较不同型式LNG气罐的特点，并基于某LNG双燃料大型耙吸挖泥船提出适用的气罐型式和布置。

液化天然气；双燃料；挖泥船；LNG气罐

引 言

随着社会经济的快速发展，全球气候不断恶化，大气污染问题越来越突出，成为危害人类健康及制约文明发展的一个重要因素。目前传统石化燃料的大规模使用是造成大气污染及气候恶化的主要原因之一，船舶大气污染特别是在港口、海峡和一些航线密集、船舶流量大的海区，已成为该地区的主要污染源。与此同时，随着全球对污染物排放要求的日益严格，特别是船舶航行在排放控制区（Emission Controlled Area，ECA）、加勒比海和加利福尼亚区域，强制要求船舶有更低的NOx和SOx排放［1］。另外，有关NOx的IMO TierⅢ排放标准已在北美排放控制区实施，其他排放控制区也会陆续跟进，这无疑使如何降低船舶发动机的污染物排放成为一大研究课题。采用传统的燃油，仅靠柴油机自身无法满足IMO TierⅢ排放标准，需在外部系统增加反应装置还原排气中的氮氧化物，因此寻找和推广更环保的替代能源迫在眉睫。

LNG能源不仅清洁，而且储量充沛，甚至比石油的储量还要丰富，是解决大气污染的理想能源。相关研究表明，在相同的功率输出下，设计先进的天然气发动机，其二氧化碳排放比柴油机约减少20%，氮氧化物排放约减少80%，硫氧化物和颗粒排放几乎减少100%［1］。双燃料柴油机在使用LNG燃料时，可以轻而易举地满足IMO TierⅢ的排放标准。

挖泥船作为在港口、沿海航道甚至城市周边河道疏浚作业的船舶，其排放对城市大气环境影响巨大。因此，开发使用LNG能源的绿色挖泥船，将成为建设绿色环保可持续发展城市的趋势。

当前，阻碍LNG实船应用的因素中，很重要的一项是其续航能力弱，原因是LNG储存罐系统复杂、要求繁多、布局困难。因此，对于以LNG为燃料的船舶设计而言，其布置方面的研究是重中之重。目前，投入运行的LNG动力船舶为数不少，但尚未有投入运行的LNG燃料大型耙吸挖泥船。如何为其选择合适的LNG气罐类型，设置合理的布置位置需要我们进行进一步研究。

1 相关规范规则

1.1 CCS船级社规范规则

在CCS船级社《天然气燃料动力船舶规范》［2］中，对LNG气罐及其附件的布置要求如表1所示。

表1 CCS《天然气燃料动力船舶规范》对LNG气罐的布置要求

另外，针对气罐处所，规范中还作出了如下规定：

（1）气罐处所系指由船舶结构所围蔽、其内部设有燃料维护系统的处所。燃料围护系统系指用于储存燃料的装置（含接头），包括主屏壁和次屏壁（如设有）以及附属的绝热层和屏壁间空间，包括必要时用于支持这些构件的邻接结构。若次屏壁是船体结构的一部分，则它可以是气罐处所的边界。

（2）气罐处所内不应安装可能导致火灾危险的机器和设备。

（3）气罐连接处所内的设备应能承受低温液体的泄漏，而不导致其功能丧失。

（4）气罐包括次屏壁（如设有），气罐连接处所不应与机器处所和具有较大失火危险的其他处所相邻。如果通过隔离舱进行隔离，则隔离舱的宽度应至少为900 mm。对于真空绝热C型气罐，若气罐外壳距舱壁不小于900 mm，则气罐处所可以作为隔离舱，但气罐布置在机器处所和其他可能产生火灾的危险区域上方的情况除外。

1.2 DNV船级社规范规则

DNV船级社规范［3］中关于气罐布置的要求与CCS有所不同，它增加了根据气罐的容积大小规定的甲板上LNG气罐与船体的最小距离，与即将生效的IGF Code相同，因而比CCS船级社规范更为严格。

DNV规范规定，开敞甲板布置的气罐及其附件应布置在距离舷侧不少于B/5的位置，对除客船以外的船舶，气罐距离舷侧可小于B/5的要求。气罐边界与船体边界的最小距离在任何情况下不得小于最小距离d的限制，d的定义如下：

（1）Vc≤1 000 m3时，d = 0.80 m；

（2）1 000 m3≤Vc<5000 m3时，d = 0.75+Vc×0.20 /4000；

（3）5 000 m3≤Vc< 30 000 m3时，d = 0.8 + Vc/25 000；

（4）Vc≥30 000 m3时，d =2m。

Vc为20℃时独立气罐的总设计体积，包括附件。

对于布置在围蔽处所的气罐，增加的最小距离d的定义与上述定义相同，其余要求与CCS规范相同。图1为DNV船级社规范对LNG气罐布置位置要求的示意图。

图1 DNV船级社规范对LNG气罐布置位置要求的示意图

2 液罐型式及特点

LNG燃料的储存可采用薄膜型气罐和独立气罐。薄膜型气罐为非自身支持的气罐，它由邻接的船体结构通过绝热层支持的一层薄膜组成。独立气罐为自身支持的气罐，它不构成船体结构的一部分，对船体强度不是必需的。根据不同的设计方式和符合标准，独立气罐共分为3类：A型、B型和C型。

A型独立气罐系指应用传统船舶结构分析程序的公认标准进行设计的气罐；B型独立气罐系指采用模型试验、精确分析手段和分析方法确定应力水平、疲劳寿命和裂纹扩展特性进行设计的气罐；C型独立气罐系指符合压力容器标准的气罐。设计蒸汽压力P0是气罐顶部的最大表压，除C型独立气罐外，设计压力均不超过0.07 MPa。C型独立气罐的设计应按照《天然气燃料动力船舶规范》附录1中的要求进行。

不同气罐型式的优缺点见表2。

表2 各种气罐的优缺点

3 气罐选型及布置实例

对于LNG燃料挖泥船而言，气罐的选型和布置位置除了满足规范要求，还需要结合挖泥船的船型特点，有效、合理地利用船上空间，根据船型、布置、尺度等综合因素来确定。设计过程中应尽可能节约空间或者更有效利用船上空间，扩大气罐容积，提高续航力。

现以某大型双燃料耙吸挖泥船为例，探讨此类船型气罐选型及布置研究。该船泥舱舱容约为12 000 m3，采用一拖二的驱动形式，轴系、调距桨和发电机由双燃料发动机驱动，而泥泵则由电机驱动。机舱设置于船舶尾部，舵机舱前，泥舱段位于平行舯体位置，泥泵舱则布置在泥舱之前。

3.1 气罐选型

从气罐的型式上来看，薄膜型和A、B型罐可以适应船体的形状，以液舱的形式布置在船上，一般设置在平行舯体部分。这个特点使得它们可以更有效地利用船体内部空间来储存LNG燃料，但造价也相对更高。这类气罐在LNG运输方面更具优势，但若仅用作燃料储存，则在布置上要求较高，不够灵活。C 型罐具有设计独立、布置灵活、便于安装、无气体泄漏、无需维护费用等优点，但缺点是需要大量空间［1］。从耙吸式挖泥船的布置特点来看，在泥舱甲板顶部存在较大空间可以用于LNG气罐的布置，布置空间较为充足，C型罐的优势更为明显。因此，选择C型罐作为该船的LNG气罐。

3.2 布置实例

总布置上，主要从泥舱形式和甲板形式两个角度来考虑，因为这两部分对甲板空间的影响最为显著。

泥舱形式方面，其平面几何形状大体呈矩形，而横断面几何形状可以分为两类：具有单列泥门的V型泥舱和具有双排泥门的W型泥舱。为给气罐留出更大的空间，采用双列泥门W型泥舱，将泥门油缸和吸排泥管布置于泥舱两侧，使中部甲板空间更为充裕。图2为W型和V型泥舱横断面示意图。

甲板形式方面，适用于本船的有W型单甲板和全通甲板（如图3所示）。

图2 W型（左）和V型泥舱横断面示意图

图3 不同甲板形式的泥舱

目前国内泥舱舱容在万方左右的船型大多为单甲板、高泥舱围板型式，原因有二：首先是作业环境条件大多为港内以及沿海，海况条件较好，甲板上浪情况不严重，故干舷较小；其次是挖深较小，多为一拖三复合驱动，耙管大多布置在泥舱后部，耙管易于布置。随着一拖二驱动型式广泛应用以及超大型耙吸挖泥应运而生，全通甲板形式的船型也就脱颖而出，其优点是具有较高的强度和刚度。较大的干舷适用于不同的作业海况，较大的甲板宽度便于甲板布置。这个特点也同样有利于甲板LNG气罐的布置。因此，本船采用全通甲板形式。图4为本船主甲板气罐布置图。

图4 本船主甲板气罐布置

4 结 论

本文对船用LNG气罐布置的船级社规范相关要求进行整理，并对各类气罐的特点进行分析和归纳。在此基础上，以某LNG双燃料大型耙吸挖泥船为例，对LNG气罐型式和船舶布置进行研究，并提出采用C型气罐、双列泥门、全通甲板、气罐布置于泥舱甲板中部的布置型式。希望该文能对同类型船舶的研究有所帮助。

［1］ 周志贤，杨令康，吴海荣. LNG双燃料动力船舶设计探讨［J］. 船海工程，2014 （2）：154-156.

［2］ 中国船级社. 天然气燃料动力船舶规范［S］. 2013.

［3］ DNV. Rules for Classification of Ships / High Speed， Light Craft and Naval Surface Craft， Part 6， Chapter 13， Gas Fuelled Ship Installations ［S］. 2014.

［4］ 顾俊，王凡超，刘奕谦.6500 m3液化气运输船鞍座结构强度分析［J］.船舶，2015 （4）：77-83.

On type of LNG tank and its arrangement on large trailing suction hopper dredger

ZHANG Ying-jie1LI Zhi-lei2YU Zai-hong1
(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China)

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 diff erent types of LNG tank. It fi nally proposes the suitable LNG tank type and the arrangement for the dual-fuel large trailing suction hopper dredger.

liquefi ed natural gas(LNG); dual fuel; dredger; LNG tank

U674.31

A

1001-9855（2017）02-0054-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.054

2016-07-06；

2016-08-15

张英捷（1986-），男，工程师。研究方向：船舶轮机设计研究。李志垒（1976-），男，硕士，工程师。研究方向：工程船舶和海洋平台电气设备研发。于再红（1976-），女，研究员。研究方向：船舶轮机设计研究。