麥康策 孟浩 房玉石

（廣船國(guó)際技術(shù)中、生產(chǎn)管理中心、總裝部）

0 前言

LNG 是Liquefied Natural Gas 的縮寫，是天然氣的液態(tài)型式。天然氣的主要成分是甲烷（CH4），還有少量的乙烷（C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷（C4H10)、戊烷（C5H12）和微量的氮?dú)猓∟2）。液化天燃?xì)鉄o(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，從天然氣組成成分的化學(xué)式可以看出，充分燃燒的天然氣只會(huì)產(chǎn)生二氧化碳（CO2)和水（H2O)，因此，天然氣被公認(rèn)為世界上最干凈的化石能源。

G3020 船（下文簡(jiǎn)稱“本船”）為L(zhǎng)NG 和MDO雙燃料豪華客滾船，采用為雙機(jī)、雙槳、雙舵，入級(jí)DNV，掛瑞典旗，本船在3 甲車庫(kù)下方設(shè)置了一個(gè)LNG 儲(chǔ)存罐艙用以布置LNG 儲(chǔ)存罐及相關(guān)設(shè)備。

1 LNG 特性

液化天然氣LNG 的主要成分是甲烷，甲烷的常壓沸點(diǎn)是-161.4℃，臨界溫度為-84℃，臨界壓力為4.1Mpa 。 在 常 壓 下 ， LNG 的 密 度 約 為430-470kg/m3(因組分不同而略有差異），燃點(diǎn)約為650℃，熱值為 52MMBtu（12MMBtu=2.52×10^8cal），在空氣中的爆炸極限（體積）為5%-15%。LNG 是天然氣在經(jīng)凈化機(jī)超低溫狀態(tài)下（-162℃、常壓）冷卻液化后的產(chǎn)物，液化后的天然氣其體積大大減少，約為氣態(tài)體積的1/625，LNG 的質(zhì)量也僅為同體積水的45%左右。

2 LNG 儲(chǔ)存系統(tǒng)

LNG儲(chǔ)存系統(tǒng)包含LNG儲(chǔ)存罐和蒸發(fā)器、閥件、測(cè)量?jī)x表，見(jiàn)圖1。

圖1 LNG 儲(chǔ)存系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2 雙層真空絕熱罐

圖3 外包絕熱層的壓力儲(chǔ)罐

圖4 “B”形獨(dú)立液貨艙

圖5 LNG 儲(chǔ)存罐

圖6 液貨船開(kāi)敞甲板上的LNG 儲(chǔ)存罐

圖7 客船開(kāi)敞甲板上的LNG 儲(chǔ)存罐

2.1 LNG 儲(chǔ)存容器

客滾船上一般有三種獨(dú)立儲(chǔ)存容器方式，分別是C 型獨(dú)立壓力儲(chǔ)罐，見(jiàn)圖2 和圖3，B 型獨(dú)立儲(chǔ)艙及A 型獨(dú)立儲(chǔ)艙，見(jiàn)圖4。

根據(jù)DNV-GL 船級(jí)社PT.5 CH.5 SEC.1 和國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則（下文簡(jiǎn)稱IGC code）的描述，A 型獨(dú)立艙和B 型獨(dú)立艙都是主要由平面構(gòu)成，設(shè)計(jì)蒸汽壓力Po（罐頂最大表壓，罐體設(shè)計(jì)壓力）都小于0.7bar.C 型獨(dú)立壓力儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)蒸汽壓力Po 根據(jù)罐體材質(zhì)，夾層填充方式和儲(chǔ)罐規(guī)格大小等來(lái)計(jì)算，該壓力一般小于10bar。從能效利用和使用要求來(lái)分析，C 型獨(dú)立壓力儲(chǔ)存罐更適合本船。該LNG 儲(chǔ)存罐由內(nèi)部壓力容器和外部殼體組成，內(nèi)部壓力容器和外部殼體之間填充珍珠巖并抽真空，外殼裝備真空安全裝置，以防止夾層真空泄漏，壓力積聚。內(nèi)容器和外殼體均使用不銹鋼制作，制作后需根據(jù)IGC code, 第4 章E 部分4.23.6 的要求對(duì)裝載液化氣體壓力容器試驗(yàn)。本船所使用的LNG 儲(chǔ)存罐，見(jiàn)圖5。

2.2 主氣體蒸發(fā)器

主氣體蒸發(fā)器是為主機(jī)提供LNG 氣體燃料的重要環(huán)節(jié)，儲(chǔ)罐中的LNG 經(jīng)過(guò)加熱器進(jìn)行蒸發(fā)和被加熱升到適合主機(jī)的溫度。每當(dāng)主機(jī)使用燃?xì)鈺r(shí)，主氣體蒸發(fā)器都會(huì)自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)主氣體蒸發(fā)器有兩個(gè)進(jìn)口，主體蒸發(fā)器通常從儲(chǔ)存罐底部接收LNG，當(dāng)儲(chǔ)存罐內(nèi)部升壓過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)將允許氣態(tài)燃料從儲(chǔ)存罐頂部通過(guò)主體蒸發(fā)器供應(yīng)氣體燃料給主機(jī)。主氣體蒸發(fā)器還包含了透氣連接件，壓力安全閥，溫度監(jiān)測(cè)傳感器和壓力監(jiān)測(cè)傳感器。

2.3 增壓蒸發(fā)器

增壓蒸發(fā)器主要用于保持LNG 儲(chǔ)存罐內(nèi)部的壓力，當(dāng)儲(chǔ)存罐壓力下降得太低，增壓蒸發(fā)器將會(huì)運(yùn)行，維持儲(chǔ)存罐壓力在正常水平（6.2-6.7bar）。增壓蒸發(fā)器還包含壓力安全閥及溫度監(jiān)測(cè)傳感器。

圖8 本船LNG 儲(chǔ)存罐艙

圖9 本船LNG 儲(chǔ)存罐的布置

圖10 LNG 儲(chǔ)存罐頂周圍維修通道平臺(tái)

3 LNG 罐艙設(shè)計(jì)布置研究

3.1 規(guī)范對(duì)LNG 儲(chǔ)存罐布置的要求

LNG 儲(chǔ)存罐可布置在船上的開(kāi)敞甲板和圍閉處所。

LNG 儲(chǔ)存罐布置在開(kāi)敞甲板時(shí)，見(jiàn)圖6 和圖7，按照DNV-GL 船級(jí)社Pt.6 CH.13 Sec.3 H400 的要求，儲(chǔ)罐中心距離船舷不少于B/5, 對(duì)于客船，少于B/5也許可以接受；應(yīng)保證該位置有足夠的自然通風(fēng)，以防止泄漏氣體積聚；還應(yīng)保證當(dāng)船舶發(fā)生碰撞時(shí)，不致于對(duì)儲(chǔ)罐造成損壞；對(duì)于沒(méi)有儲(chǔ)存罐連接處所（Tank Connection Space，下文簡(jiǎn)稱TCS）的LNG 儲(chǔ)存罐，與儲(chǔ)罐相連的管路接口處存在液體泄漏的地方安裝不銹鋼承滴盤，若有TCS，該處所需要有每小時(shí)8 個(gè)換氣次數(shù)的通風(fēng)系統(tǒng)。

根據(jù)IGC code 第11 章11.3 節(jié)的要求，安裝在露天甲板上的LNG 儲(chǔ)存罐上方可增加噴淋頭進(jìn)行冷卻、防火，見(jiàn)圖7。

LNG 儲(chǔ)存罐布置在圍閉處所時(shí)，見(jiàn)圖8，按照DNV-GL 船級(jí)社 Pt.6 CH.13 Sec.3 H500 的要求，LNG儲(chǔ)存罐的最大工作的壓力不應(yīng)超過(guò)10bar，若超過(guò)，需滿足其他條件，詳見(jiàn)Pt.6 CH.13 Sec.3，H501 的要求；儲(chǔ)罐距離船舷不少于B/5 或11.5m(取小值，B值為外板型線到夏季水線中心線)，貨船若不能滿足此距離要求，可送審船檢確認(rèn)；儲(chǔ)罐距離船底板不少于 B/15 或 2m(取小值)。

3.2 本船LNG 儲(chǔ)存罐布置的研究

LNG 儲(chǔ)存罐所在的處所本船命名為L(zhǎng)NG 罐艙，該艙室位于船舶中部靠前，1 甲板上，3 甲板下，艙室縱長(zhǎng)23176mm，艙室艉部寬度為14684mm，艏寬度為12519mm，LNG 儲(chǔ)存罐的布置距離見(jiàn)圖9。經(jīng)過(guò)多番內(nèi)部研討和多次跟DNV-GL 溝通，我司終于把2 套LNG 儲(chǔ)存罐合理地布置在有限空間的LNG罐艙，并滿足了IGC code 第3 章3.5 節(jié)的要求和船級(jí)社的要求：

（1）和罐體離船體結(jié)構(gòu)（如T 型梁）最小距離為380mm；

（2）曲面罐體表面離船體壁，外板等最小距離為450mm；

（3）平直罐體表面離船體壁，外板等最小距離為600mm；在布置過(guò)程中，由于在船舯上存在三根船體支柱（450X450X15mm），罐體離船體支柱最小距離只有43mm，我司無(wú)法確定該距離是否需要滿足上述要求，經(jīng)與DNV-GL 船級(jí)社溝通后,船級(jí)社接受該布置。

圖11 LNG 罐艙艙室通風(fēng)原布置

按照規(guī)格書要求，LNG 罐艙在適當(dāng)高度需要有一層平臺(tái)通道圍繞LNG 儲(chǔ)存罐，見(jiàn)圖10。以便進(jìn)入TCS 內(nèi)部，該平臺(tái)還能通往位于2 甲板相鄰LNG 罐艙的空艙。此外，該平臺(tái)還可以對(duì)一些配備的控制箱、管路、閥件、可燃?xì)怏w探頭、消防設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備等進(jìn)行操作或維修保養(yǎng)。按照掛旗國(guó)STA 規(guī)范要求，日常通道及主通道上方凈空需滿足2.1m（見(jiàn)圖9 A-A 視圖），在有限空間的罐艙內(nèi)布置大量的LNG 雙壁管，NG 透氣管和其他管路、艙室通風(fēng)管等，除了需要考慮LNG 管的收縮應(yīng)力，還需避免布置在維修平臺(tái)上方2.1m 的范圍，經(jīng)過(guò)多番研討，我司將相關(guān)管路不斷合理優(yōu)化，終于滿足了使用要求，這也大大提高我司在這一新系統(tǒng)管系的綜合布置能力。該平臺(tái)上有一把斜梯連接到3 甲板，左右各有直梯通道通往1 甲板；該平臺(tái)亦通往罐艙左舷艉部艙壁設(shè)置的一個(gè)維修艙口蓋（尺寸為700X800），該艙口蓋通往干糧庫(kù)，用于TCS 內(nèi)的加熱交換器（尺寸為～750X500X1750）整體取出經(jīng)干糧庫(kù)吊運(yùn)到3甲板車庫(kù)后維修。

4 LNG 罐艙通風(fēng)設(shè)計(jì)

按照規(guī)格書的要求，LNG 罐艙的通風(fēng)次數(shù)為12次/hr（IGC code 要求 8 次/hr），LNG 罐艙的艙容為1720m3（該值已扣除LNG 儲(chǔ)存罐體積），根據(jù)計(jì)算公式：

Q=N*Vc

式中Q—— 通風(fēng)量m3/hr；

N—— 通風(fēng)次數(shù) 次/hr；

Vc—— 汽車車庫(kù)容積 m3；

計(jì)算得出LNG 罐艙需要的通風(fēng)量為Q=20640m3/hr=2 X 2.86 m3/s

根據(jù)上述的計(jì)算結(jié)果，LNG 罐艙的艙室通風(fēng)初始布置請(qǐng)見(jiàn)圖11，風(fēng)管將通過(guò)兩旁舷側(cè)穿過(guò)相鄰的空艙及3、5 甲車庫(kù)到達(dá)7 甲板下進(jìn)行通風(fēng)。該通風(fēng)主要為艉部機(jī)械抽風(fēng)，艏部自然進(jìn)風(fēng)。但根據(jù)船級(jí)社規(guī)范舷側(cè)B/5 破損范圍內(nèi)不建議布置管路和風(fēng)管，故該方案在和船檢再三溝通討論后只能放棄。

圖12 LNG 罐艙艙室通風(fēng)布置

既然無(wú)法從兩邊舷側(cè)布置風(fēng)管，只能另辟蹊徑，經(jīng)過(guò)多次的討論和思考，我們決定利用LNG 透氣桅，將透氣桅一分為二，一部分作為進(jìn)風(fēng)通道，一部分作為抽風(fēng)通道；為了更充分地利用艙室通風(fēng)和透氣桅的作用，也為了節(jié)省管材，減輕重量，降低重心，我們決定將0 級(jí)危險(xiǎn)氣體排放管集中放在抽風(fēng)通道，并把0 級(jí)危險(xiǎn)氣體排放管改為單壁管（按照規(guī)范要求，0 級(jí)危險(xiǎn)氣體排放管應(yīng)為雙壁管，且雙壁管間的夾層也需通風(fēng)，風(fēng)速不應(yīng)小于3m/s 或者換氣次數(shù)不應(yīng)小于30 次/小時(shí)），改為單壁管后，風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速不應(yīng)小于3m/s 或者換氣次數(shù)不應(yīng)小于30 次/小時(shí)，把1 級(jí)危險(xiǎn)氣體排放管集中放在進(jìn)風(fēng)通道，具體布置請(qǐng)見(jiàn)圖12。

如圖12，抽風(fēng)風(fēng)道的橫截面積（已扣除單壁管管路面積）為1.8 ㎡，整個(gè)抽風(fēng)風(fēng)道體積約95m3，為若要滿足風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速不應(yīng)小于3m/s 或者換氣次數(shù)不應(yīng)小于30 次/小時(shí)的要求，通風(fēng)量應(yīng)為：

Q=1.8X3=5.4m3/s

或 Q=30X95=2850 m3/hr=0.79 m3/s

根據(jù)以上計(jì)算，風(fēng)機(jī)總風(fēng)量應(yīng)為2X2.86 m3/s，方可同時(shí)滿足LNG 罐艙通風(fēng)和0 級(jí)危險(xiǎn)氣體排出管通風(fēng)的要求。由于風(fēng)機(jī)的安裝空間限制，并經(jīng)過(guò)和船東協(xié)商確認(rèn)，最后選擇了兩套2.8 m3/s 風(fēng)量的風(fēng)機(jī)。

圖13 航行中自然風(fēng)增效

圖13 中的LNG 罐艙入風(fēng)口正對(duì)船艏，排風(fēng)口背離船艏。一般情況下，船舶航行時(shí)是船艏正對(duì)航向方向的正前方，入風(fēng)口正對(duì)船艏，可以借助船舶航行時(shí)的自然風(fēng)使LNG 罐艙進(jìn)風(fēng)順暢，使得換氣效率更高。

實(shí)船檢查，在LNG 氣模態(tài)試航航行期間，該艙室通風(fēng)良好，空氣質(zhì)量讓人舒適。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)LNG 氣罐型式，性能要求，船上布置要求（含通風(fēng)透氣）的研究，我司首次在建造船舶上安裝并試驗(yàn)使用了LNG 燃料系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)。

本船LNG 罐艙的空間布局滿足了人因工程評(píng)估及可操作性、可通行性；LNG 罐艙的通風(fēng)系統(tǒng)滿足可行性，安全性；實(shí)現(xiàn)了不同系統(tǒng)間的合并利用，同向而行；達(dá)到了節(jié)能增效，減少重量，降低重心的效果。

總而言之，這次新的嘗試，填充了我司乃至全國(guó)在滾裝船上安裝應(yīng)用LNG 燃料系統(tǒng)的眾多重大技術(shù)空白，為我司日后建造類似船舶積累了不可或缺的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，更成為了我司對(duì)外競(jìng)爭(zhēng)新船訂單的嶄新名片。