CCS上海規(guī)范研究所 付喜華

新一代LNG船杰出代表“泛亞”號揭秘

CCS上海規(guī)范研究所 付喜華

液化天然氣(LNG)以其綠色、環(huán)保及高效的特點正以每年約10%以上的速度增長，成為全球發(fā)展最快的能源行業(yè)之一。我國天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃明確指出，加快天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高天然氣在一次能源消費中的比重，是我國加快建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系的必由之路，也是化解環(huán)境約束、改善大氣質(zhì)量，實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的有效途徑，同時對推動節(jié)能減排、穩(wěn)增長惠民生促發(fā)展具有重要意義。到2020年國內(nèi)天然氣綜合保供能力達到3600億立方米以上，成為我國能源發(fā)展戰(zhàn)略中的一個亮點和綠色能源支柱之一。交通運輸方面，目前國內(nèi)沿海LNG項目布局正逐步完善，越來越多的LNG終端接收站將建成投入營運，LNG進口將進入高速增長階段。作為LNG進口的海上運輸工具，自2008年4月我國建造的第一艘薄膜型LNG運輸船交付營運以來，我國液化天然氣船（LNG船）的設(shè)計與建造迎來了一個快速的發(fā)展時期。而2017年10月13日，國內(nèi)最大最先進的LNG（液化天然氣）運輸船“泛亞”號成功交付，則向業(yè)界充分展示了中國向這一領(lǐng)域挺進的速度和能力。那么，世界LNG運輸船發(fā)展經(jīng)歷了怎樣的一段歷程？這艘被譽為集中了當(dāng)今中國造船最高科技成果的經(jīng)典船型有哪些主要看點？

薄膜艙型LNG運輸船的發(fā)展歷程

由于LNG超低溫運輸?shù)奶攸c，LNG船具有特別高的相關(guān)設(shè)計要求，是目前世界上建造難度大、要求高的貨物運輸船舶之一。其發(fā)展大致經(jīng)歷了如下幾個重要歷史節(jié)點：

● 1817年，法拉第(Michael Faraday) 在實驗室第一次制作出LNG；

● 1914年，第一個LNG輸運領(lǐng)域的專利在美國申請通過；

● 1917年，第一個商用LNG液化工廠在美國西佛吉尼亞州建成；

● 1959年，第一次船舶運輸LNG，航線為美國到英國。

20世紀(jì)50年代～60年代，美國開始研究LNG運輸船， 并率先投入規(guī)?；奶烊粴庖夯秃Ｉ螸NG商業(yè)貿(mào)易運輸，后來其他的少數(shù)發(fā)達國家逐漸掌握了LNG船的建造技術(shù)，并發(fā)展至大規(guī)模使用階段。據(jù)來自克拉克森的最新統(tǒng)計，目前超過14萬方以上薄膜型LNG 船全球共有270余艘，在建訂單100余艘。主要建造船廠為韓國大宇重工(DSME)、韓國現(xiàn)代重工(Hyundai HI)、韓國三星重工(Samsung HI)、滬東中華造船集團有限公司等。

隨著LNG需求的增長，從運輸效率及成本角度考慮，大型薄膜型LNG運輸船的需求也越來越大，薄膜型LNG運輸船的主要裝載容量有逐漸增大的趨勢。圖1為14萬方以上大型薄膜型LNG運輸裝載量占比分布圖。

我國自2008年4月成功建造交付國內(nèi)首艘薄膜型LNG運輸船——“大鵬昊”以來，已經(jīng)順利建造并交付大型薄膜型LNG運輸船15艘，擁有大型薄膜型LNG運輸船訂單11艘，其中處于建造階段的5艘，處于設(shè)計階段6艘，在全球LNG運輸船建造市場具有舉足輕重的地位。

近年來，我國參與大型薄膜型LNG船建造業(yè)務(wù)的能力也在逐年提高，目前具有薄膜型LNG運輸船實船建造能力的有滬東中華造船（集團）有限公司。具有薄膜艙模擬艙建造能力并取得法國GTT公司認(rèn)證的有大連新船重工有限責(zé)任公司、江南造船（集團）有限公司、外高橋造船有限公司、中遠川崎船舶工程有限公司等。

“泛亞”號(PAN ASIA)主要看點

2017年10月13日， 滬 東 中華交付國內(nèi)最大最先進LNG（液化天然氣）運輸船“泛亞”號?！胺簛啞碧柺前拇罄麃喛频偎挂夯烊粴忭椖渴字拼?。入級中國船級社（CCS）和美國船級社（ABS）。該船總長290米，型寬46.95米，型深26.25米，設(shè)計吃水11.5米，共計4個采用GTT NO96型貨物圍護系統(tǒng)的薄膜型液貨艙。該船采用雙燃料電力推進技術(shù)（DFDE），同時配備再液化系統(tǒng)，船舶設(shè)計航速為19.5節(jié)。這也是國內(nèi)首例同時具有雙燃料電力推進和再液化功能的LNG運輸船。

“泛亞”號這艘綠色環(huán)保、高效節(jié)能的高技術(shù)LNG船，為滬東中華自主設(shè)計，集中了當(dāng)今中國造船最高科技成果，采用了雙軸系傾斜布置、短球艏、低轉(zhuǎn)速、雙艉線型優(yōu)化、全氣模式運行等一系列新設(shè)計理念；應(yīng)用的雙燃料電力推進系統(tǒng)與再液化裝置組合，在17萬立方米級液化氣體運輸船上尚屬全球首次；同時具有貨艙揮發(fā)氣最優(yōu)化處理、降低貨損率等能力，設(shè)計日蒸發(fā)率降低了多達1%，為典型的高附加值、高技術(shù)含量船舶。該輪申請了CCS雙燃料發(fā)動機動力裝置DFD和綠色護照GpR等附加標(biāo)志，滿足最新的國際壓載水公約技術(shù)要求。

1、船舶布置

該系列船為2G型液化氣體運輸船，采用尾機尾樓形式，尾樓在主甲板以上設(shè)有七層甲板室結(jié)構(gòu)，貨艙區(qū)域為凸型甲板、雙層底、雙殼結(jié)構(gòu)。雙層底及舷側(cè)邊艙設(shè)有壓載艙，船中雙層底設(shè)置管弄結(jié)構(gòu)，凸型甲板為雙層隔離結(jié)構(gòu)。通往船首的步橋位于凸型甲板頂部，船舶首尾端設(shè)有應(yīng)急拖帶裝置。

中間貨艙區(qū)域設(shè)有4個薄膜型液貨艙，第Ⅰ艙配合型線，貨艙端部收縮，其余3艙為規(guī)整的八棱柱形。液貨艙最大蒸汽壓力為0.025Mpa，最低溫度為-163℃，液貨艙總?cè)莘e為174000m3。尾部液貨艙與機艙之間、首部液貨艙與首部燃油艙之間，以及相鄰液貨艙之間均設(shè)有隔離空艙。液貨艙雙殼寬度和雙層底高度均滿足最新IGC規(guī)則對2G型船舶的要求。液貨裝卸區(qū)域位于船舶中部，在通岸接頭區(qū)域設(shè)有水幕，在貨物駁運時用以保護舷側(cè)船體結(jié)構(gòu)。貨物壓縮機艙位于貨艙區(qū)域尾部凸型甲板頂部，與液貨艙之間設(shè)有空艙隔離。在貨艙區(qū)折角，凸形甲板前后端肘板等關(guān)鍵區(qū)域，進行了局部加強。

該系列船采用雙燃料主機，首部燃油艙及機艙區(qū)域燃油艙均設(shè)有雙底雙殼保護，滿足MARpOL公約對燃油艙保護的要求。

2、高效雙軸系外傾布置

高效雙軸系外傾布置，是在設(shè)計船體線型時，將雙軸系設(shè)計成具有一定的傾斜角度，使得螺旋槳盤面進水較平行軸系更加平滑，尤其是在螺旋槳船舯側(cè)（右側(cè)）進水得到極大改善，伴流系數(shù)達到0.4，與先前的0.1左右相比有著可觀的量變；螺旋槳頂部（近船艉底部）伴流系數(shù)為0.6左右，較平行軸系設(shè)計該處伴流系數(shù)0.8相比明顯降低。上述措施使艉部伴流場更加均勻，并增加了螺旋槳盤面處來流，具有提高推進效率的作用。同時，水流從螺旋槳盤面甩出，沖擊到的船艉底部的水流流速減弱，能夠有效降低船舶艉部結(jié)構(gòu)受到的水流沖擊力，進而能夠在一定程度上改善船舶艉部，以及機艙區(qū)域的船體振動。該方案經(jīng)瑞典水池（SSpA）航模試驗證實可以提高約1.5%的推進效率，降低推進功率約370千瓦，日均可節(jié)省燃油1.7噸，船舶能耗達到了國際先進水平。同時，該方案也使得關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計負(fù)荷降低（如電推系統(tǒng)、齒輪箱等），有利于優(yōu)化齒輪箱基座設(shè)計，降低超厚鋼板（65mm）的使用量，節(jié)約了船舶建造成本。

雙軸系外傾布置的設(shè)計不僅能滿足大型船舶高服務(wù)航速所需的動力要求，優(yōu)化螺旋槳效率，提高船舶的推進效率和經(jīng)濟性，還可以提高船舶推進系統(tǒng)的冗余度、安全性和滿足許多港口的吃水限制。

3、雙燃料發(fā)電機、電力推進系統(tǒng)

從滬東中華造船廠第一批交付的14.7萬方薄膜型LNG運輸船采用蒸汽輪機推進，到后來的17.2萬方LNG運輸船采用的低速柴油機推進，“泛亞號”LNG運輸船采用的則是更經(jīng)濟、更環(huán)保、更高效的雙燃料發(fā)電機電氣推進系統(tǒng)，同時解決了LNG貨艙壓力和蒸發(fā)氣處理問題以及廢氣中NOX和SOX的排放問題。

滿載航行時的蒸發(fā)氣體與正常海上航行時的所需的燃油量非常接近。當(dāng)蒸發(fā)氣不夠時，則一臺或多臺發(fā)動機可切換至使用燃油。船舶在空載時，或氣候狀況要求慢速行駛時，蒸發(fā)氣的量將超過需求，則通過本船裝配的再液化裝置將蒸發(fā)器再次液化。

4、配備再液化裝置

對于全冷式LNG運輸船，液貨是在遠低于環(huán)境溫度下運輸?shù)?。由于艙?nèi)外溫差大，外部的熱量不可避免地經(jīng)過絕熱材料或裝卸過程傳入液貨艙內(nèi)，同時，船舶航行時會發(fā)生搖晃，引起液體晃動而產(chǎn)生熱量，這些熱量會使液貨不斷蒸發(fā)，如果蒸發(fā)的氣體聚集，那么艙內(nèi)壓力就會升高。為保持液貨艙內(nèi)的壓力低于釋放閥的最大允許調(diào)定值，按照規(guī)范規(guī)則要求，需要對蒸發(fā)氣體（簡稱BOG Boil Off Gas）進行處理。

該船處理BOG的方法有二種，一種是作為船舶的燃料消耗掉，如將BOG作為雙燃料發(fā)動機的燃料；第二種是裝設(shè)再液化裝置，將超壓的BOG重新冷凝液化后再回流到液貨艙中。正常航行時BOG是通過燃氣壓縮機供給四臺低壓雙燃料發(fā)動機。在燃氣消耗高于自然蒸發(fā)時，強制蒸發(fā)氣體作為補充燃料。當(dāng)燃氣消耗低于自然蒸發(fā)時，包括發(fā)電機組在低負(fù)荷狀態(tài)下運行、船舶停港期間，則使用再液化裝置來保持液貨艙內(nèi)的壓力低于釋放閥的最大允許調(diào)定值。

再液化裝置是制冷技術(shù)在液化船上的特殊應(yīng)用。再液化裝置使用氮氣作為逆布雷頓循環(huán)的冷卻介質(zhì)，可有效地達到深冷制冷要求，其中全部再液化裝置以其節(jié)省空間、布置緊湊，其設(shè)備可按照兩個循環(huán)而分別布置在貨物機械室和貨物馬達室的特點，確保了運轉(zhuǎn)的可靠性和安全性。在當(dāng)前全球船市持續(xù)低迷的狀況下，LNG運輸船作為高附加值的船舶已經(jīng)被國內(nèi)較多的船企關(guān)注，而LNG運輸船在采用揮發(fā)氣再液化后不僅減少了貨損，增加了運輸能力，而且再液化裝置裝船后具有很好的投資成本優(yōu)勢和良好的營運經(jīng)濟性，可以預(yù)見越來越多的LNG運輸船將選擇安裝再液化裝置。

國內(nèi)薄膜艙型LNG運輸船標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的發(fā)展

近幾年，隨著國內(nèi)LNG運輸船建造設(shè)計能力的快速發(fā)展，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面，也同樣獲得了長足發(fā)展。中國船級社（CCS）在此船建造中提供的各種技術(shù)服務(wù)，就是有力的體現(xiàn)。

1、CCS薄膜艙型LNG運輸船領(lǐng)域技術(shù)服務(wù)能力

規(guī)范體系：最新發(fā)布的CCS《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》2016，以及2015年6月以新版指南形式發(fā)布—《薄膜型液化天然氣運輸船檢驗指南》，反映了CCS在薄膜艙型、A型獨立艙、B型棱形獨立艙和C型獨立艙液化氣體船方面的新研究成果和技術(shù)，包括船體結(jié)構(gòu)、液貨艙結(jié)構(gòu)以及支承結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸和直接計算要求，以及必要時進行溫度場分析和液貨艙支撐結(jié)構(gòu)及其附件的熱應(yīng)力分析的要求等。

規(guī)范校核及艙段有限元分析：對薄膜型LNG船船體結(jié)構(gòu)的各項分析，CCS都已開發(fā)了相應(yīng)的軟件，并投入到實際審圖和科研工作中。軟件包括規(guī)范計算、艙段有限元分析、疲勞分析（含名義應(yīng)力及熱點應(yīng)力）、晃蕩分析、溫度場、整船分析、疲勞譜分析等。相應(yīng)軟件基于通用平臺開發(fā)，需求設(shè)計完善，功能設(shè)計合理，適用性強，自動化程度高，界面友好。

晃蕩載荷及泵塔強度評估：CCS基于模型試驗和數(shù)值模擬等研究手段，建立了完善的晃蕩規(guī)范體系，并開發(fā)了基于VOF法的二維晃蕩載荷直接預(yù)報程序，應(yīng)用于薄膜型LNG運輸船船體結(jié)構(gòu)和泵塔結(jié)構(gòu)在晃蕩載荷作用下的強度評估，為薄膜型LNG運輸船液艙結(jié)構(gòu)的制蕩設(shè)計、審圖、及裝載營運提供指導(dǎo)。

整船分析及疲勞譜分析：對于薄膜型LNG船，中國船級社發(fā)布了整船分析的指南和配套軟件，并采用該指南和軟件開展了多型薄膜型LNG船的整船分析工作。整船分析中，根據(jù)實船外形及裝載進行水動力計算，得到船舶的運動和波浪載荷，其載荷比經(jīng)驗公式更加準(zhǔn)確。全船有限元模型可以更真實地反映貨艙受到的前后結(jié)構(gòu)的約束，消除了邊界條件的影響，并可以分析首尾貨艙的端部過渡結(jié)構(gòu)、甲板室結(jié)構(gòu)等。

根據(jù)整船分析的結(jié)果，對于關(guān)鍵區(qū)域，進一步開展細化分析。范圍包括貨艙內(nèi)的折角（如底邊艙上下折角、底縱桁和橫艙壁垂直桁的連接處等）、凸形甲板的前后端肘板、甲板室開口角隅、壓縮機室和凸形甲板的連接等。

疲勞譜分析考慮了船舶的實際裝載，并可以考慮實際的營運環(huán)境，根據(jù)客戶的需要，對船體結(jié)構(gòu)開展疲勞強度評估。中國船級社針對薄膜型LNG船開展了疲勞譜分析工作，并發(fā)布了指南和軟件。根據(jù)CCS的指南進行疲勞譜分析，并滿足要求后，可取得相應(yīng)的附加標(biāo)志。

CCS的疲勞譜分析軟件可將根據(jù)結(jié)構(gòu)有限元模型輸出水動力計算所需的水動力模型，并自動讀入水動力載荷，計算并加載貨物載荷。加載后可自動分批提交結(jié)構(gòu)分析并讀入結(jié)構(gòu)分析結(jié)果?？蓪Ω鞣N節(jié)點進行疲勞譜分析，分析中還可以自動定義海況、設(shè)計壽命、S-N曲線等參數(shù)。

殷瓦鋼的焊接工藝：CCS編制了的《LNG船殷瓦合金檢驗指南》用于實際生產(chǎn)質(zhì)量檢驗，并與滬東中華、寶鋼特鋼在殷瓦鋼國產(chǎn)化領(lǐng)域開展積極合作，通過現(xiàn)場檢驗，為寶鋼特鋼頒發(fā)了CCS LNG船用殷瓦合金板帶認(rèn)證通過證書。

2、實船入級服務(wù)

CCS薄膜型LNG運輸船船隊：來自10月末Clarksons的統(tǒng)計，入級CCS的薄膜艙型LNG運輸船及在建訂單達24艘；其中，在所有的船級社中，入級CCS的大型薄膜艙型LNG運輸船(14萬方以上)的交船份額為5%，在建項目訂單份額為10%，呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。

CCS與法國GTT的良好合作：法國GTT公司為一家專注于研究液化天然氣低溫儲運技術(shù)的工程公司，在LNG儲存艙薄膜密封系統(tǒng)制造方面已有60多年的歷史，并擁有薄膜型液貨船艙的多項專利技術(shù)，如NO96系列、MARK III系列及CS1等圍護系統(tǒng)技術(shù)。

CCS與薄膜艙專利技術(shù)公司——法國GTT公司，保持著良好的合作，近年來，在薄膜型液貨艙及LNG燃料艙等領(lǐng)域積累了豐碩的合作成果：

● NO96、MARK III 、NO96-L03Aip；

● 小型薄膜艙型LNG運輸船Aip認(rèn)可；

● NO96-E2、MARK III &MARK III FLEX Aip (多氣體運輸)；

● 最新貨物圍護系統(tǒng)技術(shù)NO96-L03+ Aip；

● 薄膜艙LNG燃料艙技術(shù)。

3、CCS薄膜型LNG運輸船檢驗技術(shù)

隨著國內(nèi)多型薄膜型LNG運輸船建造檢驗的順利實施，CCS已具備獨立的建造檢驗?zāi)芰Γ▽ω浳飮o系統(tǒng)和貨物操作系統(tǒng)的檢驗：

● 對貨物圍護系統(tǒng)的零部件制造檢驗和安裝檢驗；

● 貨物操作系統(tǒng)中主要液貨設(shè)備的安裝檢驗；

● 低溫管系的焊接和安裝檢驗；

● 各系統(tǒng)的功能和效用試驗等；

CCS完成了《薄膜型LNG運輸船建造檢驗指南》的編制，為薄膜型液化天然氣運輸船的船體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和制造工藝，典型貨物圍護系統(tǒng)如NO96貨物圍護系統(tǒng)、Mark III貨物圍護系統(tǒng)等，以及氣體試航和第一次裝卸貨等方面提供了建造檢驗指導(dǎo)。

近年來，CCS通過項目大大提升了大型薄膜型LNG運輸船建造檢驗服務(wù)能力和水平，建立了CCS大型薄膜型LNG運輸船建造檢驗隊伍，掌握了大型薄膜型LNG運輸船建造檢驗關(guān)鍵技術(shù)。

未來展望

天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃表明，隨著我國加快推動能源生產(chǎn)和消費革命，新型城鎮(zhèn)化進程不斷提速和油氣體制改革有力推進，LNG產(chǎn)業(yè)、LNG航運以及LNG運輸船建造產(chǎn)業(yè)正迎來新的發(fā)展機遇。

隨著近年來我國建造交付的大型LNG運輸船的數(shù)量不斷增加，我國積累了豐富的大型薄膜型LNG運輸船建造經(jīng)驗，同時，大型LNG運輸船的相關(guān)設(shè)計能力、檢驗?zāi)芰σ膊粩嗵岣?，我國在全球大型薄膜型LNG運輸船建造市場上的話語權(quán)也將不斷增強。

我國LNG運輸船隊是伴隨著我國進口LNG項目而逐步建立和發(fā)展起來的。伴隨著我國LNG進口量的穩(wěn)定增長，LNG作為我國主要能源的地位也將日益提升，當(dāng)前及未來數(shù)年內(nèi)我國LNG運輸船隊運力難以滿足“國貨國運”的要求，我國LNG運輸船隊規(guī)模和運力還有較大增長空間。