1 200 TEU雙燃料集裝箱船設計

陳　皓，　譚　美，　尹遜濱

(1. 中國海運(集團)總公司, 上海 200080; 2. 中集船舶海洋工程設計研究院有限公司， 上海 201206)

1 200 TEU雙燃料集裝箱船設計

陳皓1，譚美2，尹遜濱2

(1. 中國海運(集團)總公司, 上海 200080; 2. 中集船舶海洋工程設計研究院有限公司， 上海 201206)

摘要:為探索雙燃料船舶的設計特點，闡述了1 200 TEU雙燃料集裝箱船的總體設計特點，詳細論述了主尺度選擇、線型優化、重量控制、結構輕量化設計和雙燃料動力系統的設計。重點研究了LNG燃料圍護系統及其關鍵技術要點，尤其是C型獨立燃料罐及連接處的設計和布置。在此基礎上，完成了一種雙燃料船型的基本設計方案，為以后設計此類船型提供參考。

關鍵詞:集裝箱船； 雙燃料； 液化天然氣； 燃料罐

0引言

20世紀末至21世紀初，隨著全球經濟高速發展，貿易量急劇上升，航運業(特別是海上集裝箱運輸業)飛速發展。集裝箱船班輪公司出于市場份額和經濟效益方面的考慮，競相訂造超大型集裝箱船。集裝箱船的持續大型化發展，促成了全球集裝箱船的運輸網絡，即超大型集裝箱船航行于各大洲的樞紐港之間，然后再由中小型集裝箱船分別輸送至目的港。然而，當前市場上中小型支線集裝箱船的船齡普遍較高，超過15 年船齡的船舶占總運力的一半以上，而短程航線的大量需求極有可能使中小型集裝箱船市場出現運力不足的情況，因此，中小型船的訂造熱度有望回升。

與此同時，隨著全球環境問題日趨嚴重，在各國政府和國際海事組織的推動下，減少船舶碳和其他污染物排放已成為海運業的重要任務之一。歐美發達國家均已劃分200 n mile的“限制排放區”(ECA)。在此區域內，港口有權對廢氣排放質量進行檢查,如不符合要求，船舶會因“燃油質量”問題而被扣留。在這種背景下，使用低硫燃油、安裝廢氣凈化器，或使用液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)成為了航運業應對限制排放的措施，其中LNG因具有成本低廉、儲量豐富和清潔環保等優良特征，成為了未來船用燃料的重點考慮對象[1,2]。

表1　1 200 TEU雙燃料集裝箱船主尺度要素

1船型概況

1 200 TEU雙燃料集裝箱船是全格柵型集裝箱船，配有低速雙燃料主機和單螺旋槳，采用球鼻艏和方尾。該船設有2層連續甲板，主甲板為干舷甲板，艏部設有艏樓，艉部升高甲板為系泊甲板。機艙位于艉部，其上方是上層建筑，上層建筑前方設有3個150 m3容量的LNG燃料罐。船上設有4個集裝箱貨艙，均為雙殼雙底結構，雙底內設有管弄。舷側雙殼和雙層底內為壓載艙，船中處邊艙為防橫傾水艙，艏尖艙為空艙。每個貨艙均可堆放2排40 ft集裝箱，艙內可裝載8列(row)5層(tier)集裝箱，標準箱和高箱可以實現無序混裝，從而提高船舶營運的靈活性和經濟性。甲板上可以堆放10列4～6層集裝箱。根據支線航運冷藏集裝箱運量的特點，在甲板上布置了116個40 ft冷藏集裝箱。1 200 TEU級雙燃料集裝箱船的主要技術參數見表1，總布置圖見圖1。

圖1　1 200 TEU雙燃料集裝箱船總布置圖

2船體設計特點

該船是以滿足公約、規則和規范為前提，在遵循安全和環保原則的基礎上進行初步設計的?？傮w設計基于市場調研結果，從滿足支線集裝箱船貨運需求出發，確定適用的主尺度和主要設備配置。

2.1主尺度選擇

集裝箱船舶是布置型船，船長的選擇主要取決于以下幾方面：

(1) 防撞艙壁位置；

(2) 貨艙長度，即集裝箱排數(Bay)，通常集裝箱船每個貨艙裝4個標箱，將其加上隔艙長度(至少1.6 m)，即可確定每個貨艙的長度；

(3) 機艙長度；

(4) 尾尖艙長。

船寬的選擇主要取決于貨艙內裝箱的列數(Row)和邊艙雙殼寬度；型深的選擇主要取決于貨艙內堆箱層數(Tier)。

在主尺度選擇時，需要特別考慮LNG燃料儲存罐布置對集裝箱箱位損失和船舶重量、重心的影響。

在參考市場已營運的主流船型技術參數信息的基礎上，確定該船的主尺度信息(見表1)。

2.2船體線型

圖2　船舶線型及橫截面積分布曲線

中遠集團設計建造的其9 200 TEU集裝箱船具有非常優秀的水動力性能，其主尺度比L/B及B/T等指標均與該1 200 TEU雙燃料集裝船相近，因此，初步考慮以9 200 TEU集裝箱船的線型為母型進行仿似變換得出該船的初步線型。在完成初步線型設計后，通過CFD計算軟件進行了水動力性能計算。計算結果顯示，初始線型在鼻艏和艏肩部存在明顯的低壓區，討論分析后認為：由于母型船的傅氏數高，方型系數較小，所以設計吃水處的艏部水線呈凹形，這樣的水線設計可以減小波浪高壓區沿水平方向的分力，從而減小興波阻力。但該船與母型船相比，傅氏數較小，方型系數較大，興波阻力在總阻力中所占的比值減小，而壓阻的比值增大，原水線的設計無法達到減小船舶阻力的目標。因此，考慮增加球艏面積、降低球艏高度、改變球艏區域的水線設計，減小艏部興波從而減小船舶總阻力(見圖2)。

通過運用CFD軟件不斷進行優化計算，反復論證其阻力性能，最終得到了一種可以滿足船東要求的設計線型。

2.3初步設計階段空船重量控制

在初步設計階段，對空船重量應有較為科學的預測，通常采用經驗公式、母型船資料和分項統計的方法估算空船重量[3-4]。此處參照船型、用途、主機功率與該船相近似的母型船，結合方案的總布置情況，初步給出各大分類(包括船體結構、舾裝、輪機、電氣等)的重量(見圖3)，總目標是將空船重量優化到國內外類似船型的優秀水平。在此基礎上開始設計工作，如果第一輪設計結果不能滿足總目標要求，需要回頭分析查找原因，采取措施優化設計方案。圖4是一種初步設計階段空船重量控制的簡易流程。

圖3　本船空船重量設計值分布

圖4　空船重量控制流程圖

在初步設計階段，結構設計是空船重量控制的重點，采取的措施有：艙口圍板采用高強度鋼，滿足規范及其他需求的同時，降低空船重量；雙層底區域強框設置時，采用兩檔設一強框的方式，縮短跨距，大大降低縱骨骨材剖面模數，在滿足總縱強度前提下，節約大量鋼材。LNG燃料罐放置位置采用半圍敝鏤空形式，既滿足《天然氣動力船規范》對系統圍護要求，又可實現在處所甲板上方堆箱和降低空船重量的目標。在設備選型方面，考慮到目前港口橋吊等設施比較完善，不考慮在甲板上方布置克令吊，但預留了后續改造時增加吊機的空間。

2.4主要結構形式

按照中國船級社規范的要求，對多個典型工況的配載情況進行計算研究。該船的最大靜水彎矩出現在壓載出港和到港狀態，是典型剖面設計的重要依據，直接影響空船重量數據，需要進行優化設計。尤其是在艏尖艙作壓載艙時，靜水彎矩增大很多，因此將該船艏尖艙作為空艙。

該船有4個貨艙，結構形式為雙層底和雙層殼舷側，且在雙層殼舷側的頂部設置有抗扭箱結構。船體結構除機艙雙層底和船艏底部為橫骨架式外，其余均為縱骨架式。

3LNG雙燃料動力系統

3.1系統組成

LNG動力系統按區域可分為：充裝站處所、燃料圍護處所、供氣管路(含附件和閥組單元GVU)、電控系統(ECU)和氣體燃料發動機機器處所。圖6為典型的LNG燃料系統組成型式。LNG燃料的特性決定著對危險氣體進行安全控制尤為重要，因此氣體燃料的安全成為整個系統設計的關鍵。目前采用的主要安全措施是氣體燃料管路采用雙壁管，嚴格通風和危險氣體探測[5-6]。

圖5　基本結構圖

圖6　LNG燃料船動力系統示意圖

3.2雙燃料主機

目前，瓦錫蘭、羅爾斯-羅伊斯、MAN、三菱重工等多家生產柴油主機的廠商已經開發出或正在開發采用氣體燃料的主機。業界定義氣體燃料噴射壓力1 MPa是高/低壓氣體燃料發動機的分界點，MAN和瓦錫蘭的雙燃料主機分別在高壓和中低壓領域占據主流市場。

該船考慮了中速機和低速機2種方案，具體比較見表2。

表2　雙燃料中速機與低速機方案比較

1) WARTSILA9L50DF，MCR 8 775 kW×514 r/min，油耗187 g/(kWh)。

2) WARTSILA 5RT-flex50DF，SMCR7 200 kW×124 r/min，油耗182.3 g/(kWh)。

方案2)的氣體燃料噴射壓力16 bar>10 bar，不算嚴格的低壓，但遠小于市場上低速高壓機型標準；方案1)的氣體燃料噴射壓力為6 bar，屬于標準的低壓氣體燃料發動機。業界較多的觀點認為，低壓燃料氣體發動力較高壓系統具有更好的安全性能，對供氣系統、通風及危險區域設計等的要求更低。

在機艙布置方面，小型集裝箱船機艙空間非常有限。中速機尺度較長，不利于機艙長度控制，且艉部線型較肥胖，尾流場水動力性能不好。而低速機長度較短，主機位置可適當前移，便于艉部去流段線型優化，降低阻力。同時，低速機具有比中速機更好的油耗指標。綜合權衡之后，采用方案2)作為該船的最終設計方案。

3.2LNG燃料圍護系統

3.2.1LNG燃料罐選型

船用LNG燃料的儲存方式由IGC規則中規定的獨立型液貨艙和薄膜型液貨艙演變而來[7]，國際上已有A型、SPB型、C型獨立燃料艙以及薄膜型燃料艙的設計方案。傳統的LNG貨艙通常采用薄膜型和球艙型(MOSS型)，主要應用于大型LNG運輸船，其建造工藝復雜，造價昂貴，不適用于小型LNG運輸船，更不適用于用作燃料的儲氣罐。C型獨立燃料罐耐壓能力高，可單獨生產制造，設計制造技術成熟，雖然占據的船舶空間相對較大，但其仍是最適合沿海和內河船舶LNG燃料儲存的艙型，故該船選擇使用C型獨立燃料罐。

3.2.2C型獨立燃料罐設計特征

該船選擇的C型獨立燃料罐的容積為150 m3，具有氣密的連接處所，為雙層圓筒狀氣罐。雙層環形真空環境可最大限度地降低熱傳遞，外層罐體殼提供壓力保護[8]。

在材料使用方面，用于制造液貨艙的耐低溫材料一般為低溫鋁鎮靜鋼、9%的鎳鋼及鉻鎳奧氏體不銹鋼(AISI304L)3種。綜合考慮材料的許用應力、最小設計壓力、材料重量、焊接性能、焊接接頭的耐蝕性和價格等因素，將AISI304L作為LNG燃料罐的設計材料。該低溫IMO type C型獨立燃料罐內外層罐體材料均為AISI304L，環形空間填充珍珠巖。珍珠巖是一種無毒不燃材料，即使環形空間真空有損壞，也能提供很好的絕熱保護。

雙層殼體采用防腐蝕材料，內部管路布置在環形空間。所有內罐上的焊接及內部管路連接均需按照船級社要求進行100% X射線檢測。

LNG最大裝載極限取決于罐體設計標準、形狀及設計參數、燃氣消耗的連續性、探測儀器精度、LNG密度和裝載溫度等，最大裝載率一般不能超過95%。參考《天然氣動力船規范》LNG氣罐技術要求，部分主要設計參數見表3。

表3　LNG燃料罐主要設計參數

3.2.3氣罐連接處所特征

氣罐連接處所含有氣罐、熱交換設備、閥件和部分管系等，能密封圍堵任何泄露的低溫燃料，控制可燃氣體擴散，具有次屏蔽的作用，其材料具有與罐體相同的設計標準。在該處所內，設備能完成LNG燃料預處理的所有程序，工作期間無需人員進入。

氣罐連接處所與外部系統的典型接口有：LNG充裝站接口；LNG氣罐之間連接；至氣體閥組單元(GVU)的供氣管路；蒸發器(介質循環，in/out)；氮氣進口；儀表氣源(干燥空氣進口)；強制通風(排風口)；自然通風(進風口)。

氣罐連接處所具有以下典型功能設備：

(1) 壓力再建單元(PBE)：維持LNG 儲氣罐的壓力穩定的蒸發器，天然氣持續消耗之后，內罐LNG 液位會下降，壓力相應降低，然后PBU 將加速氣化LNG，調整壓力；

(2) 主氣體蒸發器(MGE)：將LNG轉化為NG，并按照發動機進氣溫度要求加熱NG；

(3) 主隔離閥(LNG)：直接安裝在罐體底部，避免罐體內或環形空間管路連接的LNG泄漏溢出；

(4) 主燃氣閥(NG)，向主機供氣；

(5) 遙控閥；

(6) 手動隔離閥：出于進入處所內的安全和維修考慮而設置；

(7) 壓力釋放閥：為測試和泄放出口壓力，每個截止閥前面設置一個壓力釋放閥，所有壓力釋放閥均通向透氣桅桿；

(8) 熱控閥：控制管路內液體LNG揮發導致壓力升高；

(9) 液位測量及溢流保護；

(10) 對外連接接口：其他氣罐、充裝站、主機、乙二醇—水蒸發器、空氣控制系統、氮氣系統、風管和通風系統；

(11) 氣體探測器；

(12) 氣動閥控制柜：氣動閥啟動器設置在連接處所內部，而控制電磁閥柜安裝在處所外；

(13) 連接盒：所有處所內的開關、傳感器和傳輸器與連接盒直連接。

圖7　LNG燃料罐布置方案對比

圖8　透氣桅危險區域

3.2.4LNG燃料罐布置研究

許多設計標準決定著LNG燃料罐的裝船布置，對船舶總布置也有重要影響[9]。燃料罐型式、裝船位置、空氣環境以及燃氣加注等是燃料罐設計布置時需要考慮的重點。

LNG燃料罐布置位置只有2種可能：甲板上或船體內。罐的布置關鍵是安全性，從收集到的資料中了解到，現有集裝箱船的燃氣罐設計大多布置于主船體內，其優點是箱位損失少。但考慮到該船特點，以及中小型集裝箱船航行于沿海和內河時易發生擱淺和觸礁等海損事故，布置于主船體內有風險。若設置在甲板上方，系統的復雜性和成本都較低，且能布置較大的氣罐，續航力增強；若設置在甲板下方，則需要設有隔離區、防爆裝置、專用通風系統以及更多的控制器。此外，布置在上層建筑前面，碰撞事故引起破壞的概率較其他處所小，安全性更高，所以確定本方案將LNG燃料罐布置于上層前主甲板上。例如，美國TOTE公司3 100 TEU雙燃料集裝箱船就是采用的這種設計型式。根據《天然氣燃料動力船規范》對海船氣罐的布置要求[10]，不同方案對比見圖7。

但是，將LNG燃料罐設置在甲板上方遠離船舶橫搖和縱搖中心的位置處會產生更劇烈的晃動，且會增加結構重量。另外，其重心在船長方向的位置還需綜合考慮船上裝載的貨物。對于小型集裝箱船，穩性比較緊張，燃料罐布置在甲板上時，重心高度增加。在均值裝箱情況下，為滿足穩性要求，勢必需要在底部增加壓載水。

3.2.5危險區域劃分

IGF及船級社規范定義了3類危險區的劃分原則，雙燃料集裝箱船的危險區域主要產生于燃料充裝站、圍護系統、閥組單元GVU、雙壁管和透氣桅桿等處所。對于集裝箱船，由于甲板上堆箱的原因，危險區域設計比較困難。

(1) 氣罐連接處所的通風，一般做法是將通風出口送至透氣桅，而進口處一般遠離可能產生電火花的地方，集裝箱正常裝卸時不能排除產生電火花的危險，因此在設計時需要對其風險評估，如裝卸貨時停止LNG供應等；

(2) 透氣桅桿要求出口與上建開口、氣體安全處所空氣進出口、機器或爐裝置最近的廢氣出口距離應至少10 m，然而因裝卸貨物需要吊運，只能將透氣桅布置在艉部上建附近，可供選擇的位置為羅經甲板和系泊甲板，又因羅經甲板上電子設備較多以及雷達空間要求，布置在系泊甲板比較合理，需要注意的是，10 m范圍內，上建開口需要規避處理，窗戶氣密。該船透氣桅桿布置在右舷系泊甲板上方(見圖8)，滿足規范要求。

4結語

隨著航運界對船舶強制排放標準逐漸提高，雙燃料技術成為未來新船型開發的重點方向之一。通過對LNG燃料系統進行研究，探索其裝船使用的設計特點，最終形成了一個滿足最新的規范規則要求的雙燃料支線集裝箱船設計方案，可為以后設計該類船舶提供參考。

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收稿日期：2014-12-19

作者簡介：陳皓(1980—)，男，工程師。主要從事集裝箱船設計研究工作。

文章編號：1674-5949(2015)01-044-06

中圖分類號：U674.13+1文獻標志碼：A

Analysis and Design of 1 200 TEU Dual Fuel Container Ship

ChenHao1,TanMei2,YinXunbin2

(1.China Shipping (group) Company, Shanghai 200080, China;

2. CIMC Ocean Engineering Design and Research Institute Co., Ltd, Shanghai 201206, China)

Abstract:This paper elaborates the general design of a 1 200 TEU dual fuel container ship, including main dimension demonstration, lines optimization, lightship weight estimation, lightweight of the structure, and the dual fuel system. LNG containment system and its key technology issues are especially discussed, such as IMO Type C tank and the arrangement of its connection space. The basic design of the dual fuel container ship is presented and can be used for similar designs.

Key words:container ship; dual fuel; LNG; LNG tank