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LNG燃料船的设计
发布日期:2012-7-17

    为了应对海上排放控制规则以及可能设立的美国排放控制区,瓦锡兰、罗尔斯·罗伊斯、MAN、三菱重工等许多生产柴油主机的厂商已经开发出或者正在开发采用气体燃料的主机,而且将LNG作为船用燃料的技术和操作可行性已在挪威得到验证。目前,采用LNG作为燃料的船舶不断问世,渐成时尚。

    设计及操作注意点
    对于LNG燃料船舶这项新兴的技术,挪威船级社(DNV)可谓是业界的“先锋”,早在2001年就率先制订了LNG燃料有关的船舶规范,并且截止到2010年,现役的22艘LNG燃料船舶(不包括使用LNG燃料的LNG运输船)均入级DNV。美国船级社(ABS)最近刚出版了《气体燃料船舶推进与辅助系统的指南》。过去的几年,美国海岸警卫队(USCG)在LNG运输船设计领域并没有起到什么影响。然而,USCG对于所有进入美国港口进行作业的LNG运输船的影响还是相当大的,其COTP规则中关于LNG操作的部分已在美国港口执行多年,突出的安全纪录显示了其存在的必要性。2009年6月1日,MSC通过MSC.285(86)决议,即《船上天然气燃料发动机装置安全的临时指南》。
    LNG需要低温环境贮存,且一旦泄漏会导致结构受损。为了确保管道是干燥的,应在进入卸料终端前打开LNG传输管系中3/4英寸口径的排放管,并向空管内吹入氮气。
    为使LNG储罐容量最大化,同时还要保持较低的甲板高度,通常将甲板板的设置紧邻LNG储罐绝缘层,其横向和纵向的扶强材设置于甲板的上方。
    LNG需贮存在单层或双层舱壁的低温储罐中,且作为轻质液体,其密度和粘度的特性使得LNG容易产生晃动。由于LNG储罐内并没有设置隔板,因此在LNG储罐内的晃动程度要超过其他大多数液体,晃动会向LNG传递能量,并导致温度略为上升。对于LNG,如此微小的温度变化就会产生比正常蒸发更多的气体。
    假设一艘LNG燃料船的燃料舱采用矩形储罐,并设在船的横摇和纵摇中心上方较远处,当船在恶劣天气的环境下以低速航行时,因为晃动而产生的LNG气体将超过船舶需要的用量。这部分气体可以在海上排放,但排出不能使用的气体显然是不经济的,可将这部分气体进行再液化处理,但是对于少量气体来说,再液化所消耗的能量接近于所节约的能量。目前市场上也有小型的再液化装置,但其价格非常昂贵。
    USCG LNG运输船COTP规则不允许LNG运输船在港内进行排放,因此可以推测LNG燃料船舶也将不允许在港内排放。LNG储罐中产生的蒸发气体温度较低,悬浮在液态LNG上方。微小的温度上升都会使得储罐内的压力升高。为保证储罐的安全及装卸的需要,这部分气体必须进行使用或自动排出。  
    如果LNG储罐到港时储量较低且在港内进行了补给,补给操作会将能量传递给储存的LNG,形成气体。除非槽罐车、驳或岸上储罐等LNG补给装置可以完全回收燃料中形成的气体,否则船上LNG储罐的内部压力将会升高。
    在美国,LNG运输船在船厂时必须进干船坞且要保证无气环境。这就要求LNG运输船先在海上停留几天燃尽剩余的气体,然后对LNG液舱进行惰化处理。基于此,完全有理由可以设想该标准也将应用在LNG燃料船舶上,因而在安排停运期的时候需将LNG储罐排空并将惰化的因素考虑在内。
    船上LNG燃料舱的高度要高于槽罐车的高度,可能会超出槽罐车自身的泵能力,因此可能需要设置一个临时的泵站。所以,当建造LNG补给驳或岸上设施时,应考虑要具有足够的泵能力。

    燃料舱及燃料补给位置的确定
    LNG燃料舱的位置只有两种可能性,甲板上方或下方。设置在甲板上方,复杂性和成本都较低;而设置在甲板下方,则需要设有隔离区、防爆装置、专用通风系统以及更多的控制器。LNG燃料舱不能设置在可以贮藏船用柴油(MDO)的位置(比如翼舱),并且所需的体积是贮藏船用柴油的很多倍。
    另一方面,若LNG燃料舱设置在甲板上方,远离船舶横摇和纵摇中心的位置处,则会产生更剧烈的晃动并可能会增加结构重量。另外,其在船长方向的位置还需综合考虑船上装载的货物。
    加燃料的位置是随储罐的位置而定的,如果位于底部,那么加燃料过程中的能量损失较少且具有较好的冷却性(可设冷却器),从而减少气化。燃料加注位置设在上部的优越性在于燃料补给管不易受到外部的影响而发生故障。
    另外燃料补给结束后,必须确保补给管中的LNG可以完全进入LNG燃料舱或者流回燃料站。要知道,如果留在管道中,1加仑的液态LNG可以产生600加仑的蒸气。
    由于晃动的原因,最理想的LNG储罐外形应为球形。后来演变为两端为半圆形的圆柱体(圆柱形储罐在船上通常为纵向布置),最近又出现了棱柱形的,也有非常规的LNG储罐形状,总之所有的设计都会受到其他因素的制约,从而对外形产生影响。但是,主要的目的还是为了减少晃动。
    根据现有的规则,燃料站可能不能设置在1/5船宽内,且燃料站和连接到LNG储罐的管道在加气完成时必须确保没有气体残留。当氮气和惰性气体充入LNG管道时,还不能开始操作,直到管内100%为液体时才可进行加注。惰性气体可以排出,只留下LNG在管内。
    此外,燃料站必须在集管箱的下方安装一个由低温材料制成的滴盘。该盘装满后应通过低温管线将溢出的液体排到舷外的水面上。该管路不应设置在船舶结构上。为了避免在停泊时受到损坏,有必要在入坞时对其进行调整且当吃水改变时也应做出相应的调整。

    燃料补给操作和货物转运
    COTP规则规定,LNG运输船一旦开始向岸上设施进行卸料,就不允许再装载别的货物或执行任何其他操作。LNG运输船停泊后,应在卸料设施和LNG运输船之间设立计量表并进行纪录,然后再进行卸料操作。
    从中可以想象,USCG可能也会对LNG燃料船的加注操作有所规定。以滚装船为例,如果加注管线从某层滚装甲板的上方通过,那么当进行LNG燃料加注的时候该区域内所有的货物操作都将被禁止。如果一艘集装箱船的LNG储罐安装在其尾部膳宿舱的前部,那么意味着舱前部的所有货物操作在加注LNG时都要停止;反之,如果储罐位于舱室后部,那么仅需停止后部舱口货物操作。
    每个LNG储罐装置都应配有通风装置,通风装置的出口与任何可能的着火源至少要保持10m的距离。通常在储罐上方或附近设置有桅杆式通风装置,加注管线过压安全阀与该通风桅杆连接。除非桅杆内的液体可以全部流回储罐,否则桅杆底部的液体会蒸发将剩余液体推到顶部。

    典型LNG燃料船
    不仅新造船可以采用LNG作为燃料,现役船舶也可以通过改装,使用LNG或者采用LNG/柴油双燃料主机。现有的船舶要以LNG或者LNG/柴油为燃料,通常情况下需要加装的主要系统包括LNG储罐和气体处理系统,此外还需安装一些辅助系统,如通风系统、安全系统、自控系统等。最易于改装的船型包括LPG船、成品油船/化学品船,改装难度较大的船型为客船、渡船、集装箱船,难度最大的则是大型集装箱船、散货船和VLCC等远洋船舶。改装的难点主要在于如何布置储罐以及其他气体燃料系统的子系统,以及LNG在液化、储存、运输时所带来的麻烦。

    ––世界首艘改装而成的LNG燃料集装箱船
    “Maersk Drury”号是由德国航运公司Reederei Stefan Patjens公司运营的一艘5000TEU集装箱船。该船2006年由现代重工建造,总长294.1米,65965载重吨,入级DNV。主机采用1台45760KW MAN B&W,4台2100KWMAN发电机,还有1台Aalborg辅助锅炉。该改装项目始于2010年3月,改装内容包括:将靠近发动机室的货物区改装成一间“气体技术室”(Gas Technology Room),这样不仅大大简化了燃料加注的操作,且把货物空间的损失降到最低,在甲板上还设有额外的LNG储罐,总LNG燃料容量达到240+500m3;同时还对船上4台MAN7L27/38型发电机中的两台及辅助锅炉进行改装,使其可使用双燃料操作。改造完成后,当停泊于港口期间,该船就可使用清洁燃料,同时为未来在排放控制区(ECA)运营作好了准备。该项目由DNV、马士基航运公司、MAN、TGE船用燃气公司合作进行,于2012年完成。

图1:世界首艘改装而成的LNG燃料集装箱船“Maersk Drury”号

    ––世界首艘LNG动力成品油船
    2011年11月24日,全球首艘以LNG为燃料的载重25000吨“Bit Viking”号成品油船正式投入运营。该成品油船是除LNG运输船外全球在运的最大一艘以LNG为燃料的商船。
    2010年8月,瓦锡兰集团与瑞典Tarbit航运公司签订了一份改装设计合同,将一艘于2007年交付的化学品船由柴油机推进改装成LNG主机推进的成品油船。该船原来的主机为2台使用重质燃油的直列6缸瓦锡兰6L46B型柴油机,每台主机功率为5850KW。改装后,将替换为2台5700KW的直列6缸瓦锡兰W6L50DF型双燃料主机,80%载荷时自持力为12天。甲板前部设有2个500m3的储罐,用于LNG燃料的安全储存。在GL专家的指导下,瓦锡兰集团旗下的船舶设计公司对该船进行了设备改装。
    改装完成后,经过短期运行,在减少污染排放方面,温室气体排放量减少了20%~25%,硫排放量为零,NOX减少了90%,颗粒物的排放减少了99%。改装后的“Bit Viking”号成为全球最环保、最安全的成品油船之一,将由挪威国家石油公司(Statoil)在奥斯陆与希尔科内斯之间的海岸营运。

图2:世界首艘LNG燃料成品油船“Bit Viking”号

    概念船设计方案
    ––新敞口式散货船OHBC“ECO-Ship 2020”
    位于日本长崎县西海市的著名散货船造船厂大岛造船和挪威船级社(DNV)共同开发了未来船型的概念设计项目––新敞口式散货船“ECO-Ship2020”,目前该计划的第一阶段已经顺利完成。
    “ECO-Ship2020”是提高能效、符合成本效益的概念设计项目,可帮助船东和运营商降低燃油成本,提高商业绩效。该船主要用于运输纸浆等物品,考虑到航线、船东和运营商等方面的需求,排水量定为62000载重吨。设计航速为14.5节,虽然较现有的敞口式散货船要慢,但可大幅节省燃料费用,具有较高的经济性。船首形状采用大岛船厂自主开发的“Seaworthy Bow”型船首,在浪中可有效地减少航行阻力,降低速度损耗。较宽的船底安装有空气润滑系统,船尾采用了双导流尾鳍设计,可减少船体的摩擦阻力。
    该船采用2台罗尔斯·罗伊斯公司稀薄燃烧4冲程中速LNG主机,每台功率4000KW,与2冲程的主机相比可提供更多的LNG燃料储存空间,在船尾到桥楼下部之间设有4个C型LNG储罐,总贮存量为2700m3,续航力可达17000海里。船上还有一台1400KW的辅机以及罗尔斯·罗伊斯公司最新的混合轴带发电机(HSG)PTO/PTI系统。这艘概念船还设有废热回收系统,可将产生的电力输入到PTI中作为船舶推进动力,在设计航速下该系统可节约5%的燃料。船上还安装有4台大型电动悬臂式起重机,舱口盖采用复合材料制作,重量比传统铁质舱口盖要轻50%。
    该概念设计的主要优点包括:①主机仅使用LNG作为燃料。采用单一燃料主机取代双燃料主机使得船员无需担心燃料之间切换的问题;②清洁的机舱且对主机和燃料系统的维护要求较低;③双螺旋桨推进系统以及1个艏侧推器提供了极佳的机动性,进入港口时无需拖船协助;④对压载水的要求较低。与传统船舶相比减少了约20%的压载水需求,从而提供了更大的货物空间。
    如此多的优点使得该船预计于2020年交付时定能满足当时的各项标准及排放要求,对于任何希望节约燃料成本、减少污染排放、在应对新规范要求方面领先一步的船东来说,“ECO-Ship2020”提供了一个很好的解决方案。

图3:OHBC“ECO-Ship 2020”

    ––DNV的大型LNG燃料船舶设计理念
    虽然LNG燃料在大型船舶上的应用还面临很多困难,但随着新排放标准的启用以及ECA范围的扩大,仍有许多企业正积极投身于这方面的研究,DNV就是其中的典型代表。
    DNV于2010年12月推出了一型环保VLCC船“Triarity”号的设计构想。该船总长361米,船宽70米,型深27.52米,载重量29.13万吨。DNV认为,该VLCC在20年内使用LNG燃料可以减少24%的CO2、80%的NOX、94%的SOX排放量和颗粒物。据了解,一艘VLCC在每个航程中会损失0.2%的液货,为了减少货物蒸汽的泄漏,该VLCC安装有货物蒸汽(挥发性有机化合物)回收装置,将货物蒸汽提供给辅助锅炉作为燃料,为货油泵提供蒸汽动力。2个可以储存6750m3LNG的C型压力罐设置在甲板室的货物甲板,便于操作和提高舱室的安全性,续航力达到25000海里。主机采用2台MAN Diesel&Turbo高压双燃料低速发动机,可以燃烧压力为300bar的天然气,船用汽油作为引燃燃料,辅机将采用低压双燃料发动机或气体发动机,并配有三燃料锅炉(天然气、燃油和挥发性有机气体)。燃料供应系统包括主机的高压系统、辅机和锅炉的低压系统、增压装置和潜水泵等。该船的燃料通过LNG船或燃料补给驳补给。

图4:DNV概念型VLCC“Triarity”号

    如果一艘该型概念的超大型油轮运营一年,其环保业绩如下:CO2减少25900t、NOX减少1785t、SOX减少1500t、颗粒物减少180t。全球目前共有579艘20万载重吨以上的超大型油轮在营运,假设这些船都具有“Triarity”的新概念设计,那么对减少全球排放的贡献将是非常巨大的。
    DNV还于2010年4月发布了采用LNG作为燃料的新概念集装箱船“Quantum”,该船可装载6210TEU的集装箱。之后,又于近期推出“Quantum9000”集装箱船的修订版本。新版本在能效和环保性上将更具优势,同时也代表着DNV迈出了从概念船跨向实船的重要一步。

图5:DNV新概念集装箱船“Quantum”

    “Quantum9000”的主要改进之一为主机方面。船上采用了MAN公司开发的一型ME-GI型气体燃料双冲程发动机,在经过MAN公司一些简单改良后,该型发动机具有了更高的燃料效率、燃料适应性和可靠性,可使用柴油和LNG两种燃料,因此“Quantum9000”具有全燃料适应性,并满足即将出台的ECA要求。此外,该型船还拥有废热回收系统,可进一步提高能效并减少废气排放。
    新船还采用了双岛结构,除了改善视野和增加货物装载量外,还降低了压载水需求和油耗,船上的LNG燃料储量所能支持的航行距离为东亚至美国东海岸,并且不会损失货物装载空间。
    DNV预测到2015年,以LNG为燃料的新船订单将达到500艘,到2020年将达到数千艘。

 
来源:中国船检
 

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