特别关注｜大型LNG燃料船布置与设计要点
LNG燃料舱类型及特点
按照是否构成船体结构的一部分进行划分，LNG燃料舱可分为薄膜型舱和独立舱。其中独立型燃料舱又可分为A型、B型和C型。除A型舱外，其他三种舱型都已在在实船项目中进行了应用。但随着A型舱技术日趋成熟，以及其可靠度得到验证，目前已有项目拟采用A型舱，并申请了CCS的AIP认可。
由于薄膜型、A型和B型燃料舱的设计特点，需利用船体结构对其进行支撑。因此这三种舱型通常只能布置在主甲板以下，从而占用了货舱容积，并造成船舶载货量的减少。但对于C型舱，其安装位置的选择则比较灵活。尤其是对于甲板开敞面积较大的液货船，可将C型舱布置在货舱区域甲板上，这样就避免了载货量损失。此外，由于薄膜舱不能提前预制，需在主船体结构完工后才能施工，因此相对于独立舱而言，采用薄膜舱会大幅延长施工周期，这一点在燃料舱选型时也成为船东和船厂的关注点之一。
LNG燃料舱布置方案分析
1、大型油轮LNG燃料舱布置方案
对于大型油轮，如VLCC，货油区甲板面比较宽敞，因此最常见的设计方案就是在货舱区靠近机舱的甲板面两侧各布置1个C型燃料舱，如图1所示。此种布置方案除了需要考虑燃料舱布置对总强度、相关船体结构局部强度的影响外， 还需要考虑驾驶室视线、甲板通道布置、信号灯布置、系泊设备布置、舷梯布置、 LNG加注站布置、透气桅布置以及舾装数影响等因素。另外，由于燃料舱本身及其鞍座的设计还应考虑恶劣天气下甲板上浪对其造成的影响。
图1 大型油轮LNG燃料舱典型布置
2、大型集装箱船LNG燃料舱布置方案
由于大型集装箱船的货舱和甲板上均需堆叠大量集装箱，因此LNG燃料舱通常布置在最底层。因此，在LNG燃料舱类型选择上比较灵活，薄膜型和独立型舱均可以使用。图2为采用薄膜型、A型或者B型中任一舱型的LNG燃料舱典型布置图；图3为采用C型LNG燃料舱的典型布置图。根据燃料舱布置位置，最常见的有两种方案。方案1是将LNG燃料舱布置在靠尾部机舱前端的货舱底部；方案2是将LNG燃料舱布置在生活楼下部货舱底部区域。
方案1中LNG燃料舱靠近机舱布置，低温管路较短，从而降低了双壁管路的制造成本和由于船体变形或货物操作造成的管路泄漏风险。方案2的优点在于充分利用了生活楼下方的空间，损失的箱位较少，但也大幅增加了低温管路的长度和气体泄漏风险。
图2 大型集装箱船薄膜型/A型/B型LNG燃料舱典型布置
图3 大型集装箱船C型LNG燃料舱典型布置
3、超大型矿砂船LNG燃料舱布置方案
超大型矿砂船最典型的设计方案是将LNG燃料舱布置在机舱前端和艉部货舱之间，如图4所示。这种布置方案可采用薄膜型、A型或者B型中任一舱型的LNG燃料舱。如用A型或B型舱，燃料舱的建造可与船体结构建造同时进行，互不影响，通过整体吊装的方式进行安装。但如果选用薄膜型舱，则燃料舱的建造需等到船体结构建造完成以后才来开始，因此在建造周期上会大幅延长。
图4 超大型矿砂船薄膜型LNG燃料舱布置方案
4、大型散货船LNG燃料舱布置方案
对于大型散货船来说，LNG燃料舱的常见布置也有两种方案，见图5和图6。图5方案是将C型LNG燃料舱布置在机舱上方的生活楼两侧区域。这种布置方案不占用货舱空间，因此对载货量影响较小。但受尾部现行和生活楼空间的影响，所以对LNG燃料舱的舱容会有一定的限制。图6方案将LNG燃料舱布置在船中两个货舱之间。这种布置方案可以根据燃料舱舱容大小选用任何一种燃料舱类型，而且能大幅降低船舶的总纵弯矩和重心。但这种方案占用了货舱空间，使得低温管路制造成本大幅增加，且LNG加注站和管路布置容易受装卸设备的影响。
图5 大型散货船LNG燃料舱典型布置(船尾)
图6 大型散货船LNG燃料舱典型布置(船中)
LNG燃料舱舱容选取
上述LNG燃料舱的布置方案很多情况下是受燃料舱的舱容影响的。而确定燃料舱的舱容需要考虑的因素较多，主要应从以下几个方面综合考虑。
1、燃气装置类型及装机功率
除船舶主机外，辅发电机和辅锅炉是否也选用双燃料型式，需根据船舶类型、航线、初始投资成本以及船上布置空间等综合考虑。目前新造项目，从长远的节能减排要求考虑，基本上均采用了双燃料主机、辅机和锅炉。但部分改装项目，考虑其航线和改装成本及空间限制的原因，可能仅将主机改装成双燃料型，并增设独立的小功率燃气锅炉或者燃气单元(GCU)。
2、航程及LNG加注次数
首先需根据船舶的航线，确定其航程及可利用的LNG加注站点及港口。然后再考虑是基于每个航次只加注一次，还是往返各加注一次进行舱容计算。每航次加注次数将直接影响LNG燃料舱的容积会不会加倍。此外，两次加注还会增加额外时间成本。
在计算每个航次LNG燃料消耗量时，对于新造船舶，由于缺少详细的营运数据，通常是按照船舶的设计参数，如设计航速、燃气装置额定功率等进行计算。但对于改装项目，则可根据船舶前期的营运统计数据进行反推的方式计算每个航次所需的LNG燃料，即将每个航次的燃油消耗量转换成热值，再根据热值计算出所需的LNG量。因为，船舶实际营运时的主机和辅机运行功率，以及实际营运航速与设计参数往往差别会很大。
3、燃料舱蒸发率及BOG管理的方式
按照IGF规则对燃料舱压力和温度控制的相关要求，除设计成在最高设计环境温度条件下能承受燃料的最大蒸汽表压力的LNG燃料舱外，LNG燃料舱的压力和温度应通过主管机关接受的方式保持在设计范围内，如安装蒸汽再液化装置、蒸汽热氧化、压力积聚和液化气体燃料冷却等。无论采用何种方式，应使得燃料舱在正常工作压力以及船舶在闲置状态下将其压力维持在燃料舱压力释放阀的调定压力之下，并持续至少15天。因此，在计算LNG燃料舱舱容时应考虑不同类型燃料舱的蒸发率，以及采取何种方式控制BOG。
目前，除LNG运输船以外的其他LNG燃料动力船舶,基本上采用的都是蒸汽热氧化和压力积聚相结合的方式来控制燃料舱内的压力维持在安全阀释放压力以下。部分项目在设计时考虑使用“Sub-cooler”的方案，也就是通过对LNG或者BOG进行冷却，通过降低温度来控制燃料舱的压力。但是“Sub-cooler”与蒸汽再液化装置一样，由于设备成本很高，因此，实船项目中应用的并不多。
4、燃料舱保冷要求
为了保证LNG燃料舱内能够维持低温环境，以及对于装有潜液式LNG燃料泵的项目，在确定LNG燃料舱舱容时，应在保证船舶航行所需燃料量基础上增加燃料舱保冷和保证潜液泵浸没所需的额外LNG量。
LNG加注站及透气桅布置
1、加注站布置要点
LNG加注站应尽量布置在露天甲板。但对于某些需在甲板上载货的船型，如集装箱船、甲板运输船等，为了避免货物操作时对加注管路造成破坏，其加注站通常布置在了围蔽或半围蔽处所内。此时，加注站的布置应考虑与其他区域的隔离和危险区域划分要求，并设置机械通风固定式气体探测系统以及闭路电视(CCTV)监控系统。按照IGF规则要求，加注站如布置在围蔽或半围蔽处所内时应进行风险评估，并提交船级社批准。
从防火和灭火要求方面考虑，加注站的位置应该尽量远离A类机器处所/重要机器处所、起居处所、控制站和较大失火危险处所，上述处所面向加注站的限界面应采用“A-60”级防火分隔。此外，加注站还应设置水雾灭火系统和固定式干粉灭火系统。
此外，加注站的布置位置和高度还应考虑后期船舶营运中拟采用的LNG加注型式，如槽车加注、码头岸站加注或是加注(趸)船加注。还应特别考虑采用不同加注型式所需的系泊、软管吊等设备的配置要求。
2、透气桅布置要点
从燃料舱、燃气管路和燃气装置上引出的透气管路应位于开敞甲板的安全位置。透气桅的布置应满足以下要求：
1) 透气桅的设计应能是气体释放不受任何阻碍，并保证释放出的气体尽快消散且不会发生积聚；
2) 透气管出口的高度应高出露天甲板不小于B/3或6m，取其大者，并高出工作区域和走道6m；且透气出口应距离通向起居处所、服务处所和控制站或其他非危险区域的空气进口、出口或开口，以及机器设备的废气出口至少10m；
3) 透气管出口型式应能防止雨雪进入透气管路，其出口端应装设网孔不大于13×13mm的防护网以防异物进入。
如透气桅的布置位置和高度存在困难且不能满足上述要求时，应根据实际操作中可能遇到的最大气体释放工况，进行CFD模拟计算，以验证透气桅的实际布置与规范要求具有同等安全水平，并得到船级社和主管机关的认可。此外，对于大型集装箱船，由于甲板上集装箱堆叠高度很高，透气桅的布置位置和高度还应考虑释放出的气体是否会被集装箱遮挡从而影响其消散速度。因此，在集装箱配载时，建议尽量不要在透气桅附近装载非防爆型冷藏集装箱。
辅助系统设计要点
船舶使用LNG作为燃料，除了燃料储存和加注系统外，还需要增加其他辅助系统。为保证LNG燃料船在上应用的安全可靠，各辅助系统在设计时应重点考虑以下方面。
1、氮气系统
氮气系统主要用于LNG燃料相关管路、用气设备的吹扫和惰化。制氮装置的选取应满足所需的氮气含氧量、纯净度以及露点的要求。氮气管路与LNG或燃气系统管路之间应设置满足规范要求的两个止回装置。如果氮气发生器或氮气储存设施安装在单独舱室内，该舱室应设置1个独立的机械抽吸式通风系统，并设置1个低氧 警装置。
2、消防系统
除常规船舶配备的水消防系统外，LNG燃料动力船舶还应设置水雾系统。水雾系统应覆盖位于甲板上方的燃料舱的暴露部分，以及面向燃料舱的上层建筑、压缩机室、泵舱、货物控制室、加注装控制站、加注站和其他通常有人的甲板室的限界面，但当这些限界面与燃料舱的距离大于或等于10m时，可不必覆盖。
LNG加注站应设置固定式干粉灭火系统，其应覆盖所有可能的泄漏点。此外，在加注站、LNG燃料舱所在处所、气体燃料发动机及其所在机器处所出入口附近，和燃料准备间内还应配置手提式干粉灭火器。
3、ESD系统
ESD系统即紧急关闭系统，主要用于紧急关闭LNG加注管路上的速闭阀、防止LNG燃料舱溢流和超压以及供气系统的安全保护。如果检测到异常情况，ESD系统能够以安全可控的方式终断LNG燃料加注和燃气供应。通常ESD系统设计时会根据风险的严重性以及影响范围设置为两个等级。ESD系统不同等级触发的安全保护动作应与风险分析中识别出的风险和控制措施相匹配。
4、探火和失火 警系统
除规范要求的位于甲板下方的燃料舱处所和用于燃料围护系统的通风围阱内应设置固定式探火和失火 警系统外，其他可能发生火灾的气体燃料系统相关舱室内设置固定式探火和失火 警系统。LNG加注站、燃气准备间、燃料舱接头处所(如设有)通常由连接到压缩空气系统的易熔塞进行监控。当这些处所发生火灾后易熔塞会融化，系统检测到压缩空气压力下降从而触发火灾 警和ESD系统。
5、可燃气体探测系统
应根据危险区域划分以及风险评估对所有可能存在气体泄漏的舱室或处所设置固定式气体探测系统。气体探测传感器的布置位置应考虑气体泄漏以后受通风系统影响的扩散路径，以便在最短时间内检测出泄露事件。
