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新一代LNG船杰出代表“泛亚”号揭秘

新闻来源:中国船检    浏览量:766 付喜华 2018-01-02
        液化天然气(LNG)以其绿色、环保及高效的特点正以每年约10%以上的速度增长,成为全球发展最快的能源行业之一。我国天然气发展“十三五”规划明确指出,加快天然气产业发展,提高天然气在一次能源消费中的比重,是我国加快建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系的必由之路,也是化解环境约束、改善大气质量,实现绿色低碳发展的有效途径,同时对推动节能减排、稳增长惠民生促发展具有重要意义。到2020年国内天然气综合保供能力达到3600亿立方米以上,成为我国能源发展战略中的一个亮点和绿色能源支柱之一。交通运输方面,目前国内沿海LNG项目布局正逐步完善,越来越多的LNG终端接收站将建成投入营运,LNG进口将进入高速增长阶段。作为LNG进口的海上运输工具,自2008年4月我国建造的第一艘薄膜型LNG运输船交付营运以来,我国液化天然气船(LNG船)的设计与建造迎来了一个快速的发展时期。而2017年10月13日,国内最大最先进的LNG(液化天然气)运输船“泛亚”号成功交付,则向业界充分展示了中国向这一领域挺进的速度和能力。那么,世界LNG运输船发展经历了怎样的一段历程?这艘被誉为集中了当今中国造船最高科技成果的经典船型有哪些主要看点?
        薄膜舱型LNG运输船的发展历程
        由于LNG超低温运输的特点,LNG船具有特别高的相关设计要求,是目前世界上建造难度大、要求高的货物运输船舶之一。其发展大致经历了如下几个重要历史节点:
        ● 1817年,法拉第(Michael Faraday) 在实验室第一次制作出LNG ;
        ● 1914年,第一个LNG输运领域的专利在美国申请通过;
        ● 1917年,第一个商用LNG液化工厂在美国西佛吉尼亚州建成;
        ● 1959年,第一次船舶运输LNG,航线为美国到英国。
        20世纪50年代~60年代,美国开始研究LNG运输船, 并率先投入规模化的天然气液化和海上LNG商业贸易运输,后来其他的少数发达国家逐渐掌握了LNG船的建造技术,并发展至大规模使用阶段。据来自克拉克森的最新统计,目前超过14万方以上薄膜型LNG船全球共有270余艘,在建订单100余艘。主要建造船厂为韩国大宇重工(DSME)、韩国现代重工(Hyundai HI)、韩国三星重工(Samsung HI)、沪东中华造船集团有限公司等。
        随着LNG需求的增长,从运输效率及成本角度考虑,大型薄膜型LNG运输船的需求也越来越大,薄膜型LNG运输船的主要装载容量有逐渐增大的趋势。图1为14万方以上大型薄膜型LNG运输装载量占比分布图。
        我国自2008年4月成功建造交付国内首艘薄膜型LNG运输船——“大鹏昊”以来,已经顺利建造并交付大型薄膜型LNG运输船15艘,拥有大型薄膜型LNG运输船订单11艘,其中处于建造阶段的5艘,处于设计阶段6艘,在全球LNG运输船建造市场具有举足轻重的地位。
        近年来,我国参与大型薄膜型LNG船建造业务的能力也在逐年提高,目前具有薄膜型LNG运输船实船建造能力的有沪东中华造船(集团)有限公司。具有薄膜舱模拟舱建造能力并取得法国GTT公司认证的有大连新船重工有限责任公司、江南造船(集团)有限公司、外高桥造船有限公司、中远川崎船舶工程有限公司等。
       “泛亚”号(PAN ASIA)主要看点
        2017年10月13日,沪东中华交付国内最大最先进LNG(液化天然气)运输船“泛亚”号。“泛亚”号是澳大利亚科蒂斯液化天然气项目首制船。入级中国船级社(CCS)和美国船级社(ABS)。该船总长290米,型宽46.95米,型深26.25米,设计吃水11.5米,共计4个采用GTT NO96型货物围护系统的薄膜型液货舱。该船采用双燃料电力推进技术(DFDE),同时配备再液化系统,船舶设计航速为19.5节。这也是国内首例同时具有双燃料电力推进和再液化功能的LNG 运输船。
       “泛亚”号这艘绿色环保、高效节能的高技术LNG船,为沪东中华自主设计,集中了当今中国造船最高科技成果,采用了双轴系倾斜布置、短球艏、低转速、双艉线型优化、全气模式运行等一系列新设计理念;应用的双燃料电力推进系统与再液化装置组合,在17万立方米级液化气体运输船上尚属全球首次;同时具有货舱挥发气最优化处理、降低货损率等能力,设计日蒸发率降低了多达1%,为典型的高附加值、高技术含量船舶。该轮申请了CCS双燃料发动机动力装置DFD和绿色护照GPR等附加标志,满足最新的国际压载水公约技术要求。
        1、船舶布置
        该系列船为2G型液化气体运输船,采用尾机尾楼形式,尾楼在主甲板以上设有七层甲板室结构,货舱区域为凸型甲板、双层底、双壳结构。双层底及舷侧边舱设有压载舱,船中双层底设置管弄结构,凸型甲板为双层隔离结构。通往船首的步桥位于凸型甲板顶部,船舶首尾端设有应急拖带装置。
        中间货舱区域设有4个薄膜型液货舱,第Ⅰ舱配合型线,货舱端部收缩,其余3舱为规整的八棱柱形。液货舱最大蒸汽压力为0.025MPa,最低温度为-163℃,液货舱总容积为174000m3。尾部液货舱与机舱之间、首部液货舱与首部燃油舱之间,以及相邻液货舱之间均设有隔离空舱。液货舱双壳宽度和双层底高度均满足最新IGC规则对2G型船舶的要求。液货装卸区域位于船舶中部,在通岸接头区域设有水幕,在货物驳运时用以保护舷侧船体结构。货物压缩机舱位于货舱区域尾部凸型甲板顶部,与液货舱之间设有空舱隔离。在货舱区折角,凸形甲板前后端肘板等关键区域,进行了局部加强。
        该系列船采用双燃料主机,首部燃油舱及机舱区域燃油舱均设有双底双壳保护,满足MARPOL公约对燃油舱保护的要求。
        2、高效双轴系外倾布置
        高效双轴系外倾布置,是在设计船体线型时,将双轴系设计成具有一定的倾斜角度,使得螺旋桨盘面进水较平行轴系更加平滑,尤其是在螺旋桨船舯侧(右侧)进水得到极大改善,伴流系数达到0.4,与先前的0.1左右相比有着可观的量变;螺旋桨顶部(近船艉底部)伴流系数为0.6左右,较平行轴系设计该处伴流系数0.8相比明显降低。上述措施使艉部伴流场更加均匀,并增加了螺旋桨盘面处来流,具有提高推进效率的作用。同时,水流从螺旋桨盘面甩出,冲击到的船艉底部的水流流速减弱,能够有效降低船舶艉部结构受到的水流冲击力,进而能够在一定程度上改善船舶艉部, 以及机舱区域的船体振动。该方案经瑞典水池(SSPA)航模试验证实可以提高约1.5%的推进效率,降低推进功率约370千瓦,日均可节省燃油1.7吨,船舶能耗达到了国际先进水平。同时,该方案也使得关键设备设计负荷降低(如电推系统、齿轮箱等),有利于优化齿轮箱基座设计,降低超厚钢板(65mm)的使用量,节约了船舶建造成本。
双轴系外倾布置的设计不仅能满足大型船舶高服务航速所需的动力要求,优化螺旋桨效率,提高船舶的推进效率和经济性,还可以提高船舶推进系统的冗余度、安全性和满足许多港口的吃水限制。
        3、双燃料发电机、电力推进系统
        从沪东中华造船厂第一批交付的14.7万方薄膜型LNG运输船采用蒸汽轮机推进,到后来的17.2万方LNG运输船采用的低速柴油机推进,“泛亚号”LNG运输船采用的则是更经济、更环保、更高效的双燃料发电机电气推进系统,同时解决了LNG货舱压力和蒸发气处理问题以及废气中NOX和SOX的排放问题。
        满载航行时的蒸发气体与正常海上航行时的所需的燃油量非常接近。当蒸发气不够时,则一台或多台发动机可切换至使用燃油。船舶在空载时,或气候状况要求慢速行驶时,蒸发气的量将超过需求,则通过本船装配的再液化装置将蒸发器再次液化。
        4、配备再液化装置
        对于全冷式LNG运输船,液货是在远低于环境温度下运输的。由于舱内外温差大,外部的热量不可避免地经过绝热材料或装卸过程传入液货舱内,同时,船舶航行时会发生摇晃,引起液体晃动而产生热量,这些热量会使液货不断蒸发,如果蒸发的气体聚集,那么舱内压力就会升高。为保持液货舱内的压力低于释放阀的最大允许调定值,按照规范规则要求,需要对蒸发气体(简称BOG Boil Off Gas)进行处理。
        该船处理BOG的方法有二种,一种是作为船舶的燃料消耗掉,如将BOG作为双燃料发动机的燃料;第二种是装设再液化装置,将超压的BOG重新冷凝液化后再回流到液货舱中。正常航行时BOG是通过燃气压缩机供给四台低压双燃料发动机。在燃气消耗高于自然蒸发时,强制蒸发气体作为补充燃料。当燃气消耗低于自然蒸发时,包括发电机组在低负荷状态下运行、船舶停港期间,则使用再液化装置来保持液货舱内的压力低于释放阀的最大允许调定值。
        再液化装置是制冷技术在液化船上的特殊应用。再液化装置使用氮气作为逆布雷顿循环的冷却介质,可有效地达到深冷制冷要求,其中全部再液化装置以其节省空间、布置紧凑,其设备可按照两个循环而分别布置在货物机械室和货物马达室的特点,确保了运转的可靠性和安全性。在当前全球船市持续低迷的状况下,LNG运输船作为高附加值的船舶已经被国内较多的船企关注,而LNG运输船在采用挥发气再液化后不仅减少了货损,增加了运输能力,而且再液化装置装船后具有很好的投资成本优势和良好的营运经济性,可以预见越来越多的LNG运输船将选择安装再液化装置。
        国内薄膜舱型LNG运输船标准规范的发展
        近几年,随着国内LNG运输船建造设计能力的快速发展,在标准规范方面,也同样获得了长足发展。中国船级社(CCS)在此船建造中提供的各种技术服务,就是有力的体现。
        1、 CCS 薄膜舱型LNG运输船领域技术服务能力
        规范体系:最新发布的CCS《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》2016,以及2015年6月以新版指南形式发布—《薄膜型液化天然气运输船检验指南》,反映了CCS在薄膜舱型、A型独立舱、B型棱形独立舱和C型独立舱液化气体船方面的新研究成果和技术,包括船体结构、液货舱结构以及支承结构的构件尺寸和直接计算要求,以及必要时进行温度场分析和液货舱支撑结构及其附件的热应力分析的要求等。
        规范校核及舱段有限元分析:对薄膜型LNG船船体结构的各项分析,CCS都已开发了相应的软件,并投入到实际审图和科研工作中。软件包括规范计算、舱段有限元分析、疲劳分析(含名义应力及热点应力)、晃荡分析、温度场、整船分析、疲劳谱分析等。相应软件基于通用平台开发,需求设计完善,功能设计合理,适用性强,自动化程度高,界面友好。
        晃荡载荷及泵塔强度评估:CCS基于模型试验和数值模拟等研究手段,建立了完善的晃荡规范体系,并开发了基于VOF法的二维晃荡载荷直接预报程序,应用于薄膜型LNG运输船船体结构和泵塔结构在晃荡载荷作用下的强度评估,为薄膜型LNG运输船液舱结构的制荡设计、审图、及装载营运提供指导。
        整船分析及疲劳谱分析:对于薄膜型LNG船,中国船级社发布了整船分析的指南和配套软件,并采用该指南和软件开展了多型薄膜型LNG船的整船分析工作。整船分析中,根据实船外形及装载进行水动力计算,得到船舶的运动和波浪载荷,其载荷比经验公式更加准确。全船有限元模型可以更真实地反映货舱受到的前后结构的约束,消除了边界条件的影响,并可以分析首尾货舱的端部过渡结构、甲板室结构等。
        根据整船分析的结果,对于关键区域,进一步开展细化分析。范围包括货舱内的折角(如底边舱上下折角、底纵桁和横舱壁垂直桁的连接处等)、凸形甲板的前后端肘板、甲板室开口角隅、压缩机室和凸形甲板的连接等。
        疲劳谱分析考虑了船舶的实际装载,并可以考虑实际的营运环境,根据客户的需要,对船体结构开展疲劳强度评估。中国船级社针对薄膜型LNG船开展了疲劳谱分析工作,并发布了指南和软件。根据CCS的指南进行疲劳谱分析,并满足要求后,可取得相应的附加标志。
        CCS的疲劳谱分析软件可将根据结构有限元模型输出水动力计算所需的水动力模型,并自动读入水动力载荷,计算并加载货物载荷。加载后可自动分批提交结构分析并读入结构分析结果。可对各种节点进行疲劳谱分析,分析中还可以自动定义海况、设计寿命、S-N曲线等参数。
        殷瓦钢的焊接工艺:CCS编制了的《LNG船殷瓦合金检验指南》用于实际生产质量检验,并与沪东中华、宝钢特钢在殷瓦钢国产化领域开展积极合作,通过现场检验,为宝钢特钢颁发了CCS LNG船用殷瓦合金板带认证通过证书。
        2、实船入级服务
        CCS薄膜型LNG运输船船队:来自10月末Clarksons的统计,入级CCS的薄膜舱型LNG 运输船及在建订单达24艘;其中,在所有的船级社中,入级CCS的大型薄膜舱型LNG运输船(14万方以上) 的交船份额为5%,在建项目订单份额为10%,呈现出逐渐增加的趋势。
        CCS与法国GTT的良好合作:法国GTT公司为一家专注于研究液化天然气低温储运技术的工程公司,在LNG储存舱薄膜密封系统制造方面已有60多年的历史,并拥有薄膜型液货船舱的多项专利技术,如NO96系列、MARK III系列及CS1等围护系统技术。
        CCS与薄膜舱专利技术公司——法国GTT公司,保持着良好的合作,近年来,在薄膜型液货舱及LNG燃料舱等领域积累了丰硕的合作成果:
        ● NO 96 、MARK III 、NO96-L03AiP;
        ● 小型薄膜舱型LNG运输船AiP认可;
        ● NO96-E2、MARK III&MARK III FLEX AiP ( 多气体运输) ;
        ● 最新货物围护系统技术NO96-L03+AiP;
        ● 薄膜舱LNG 燃料舱技术。
        3、CCS薄膜型LNG运输船检验技术
        随着国内多型薄膜型LNG运输船建造检验的顺利实施,CCS已具备独立的建造检验能力,包括对货物围护系统和货物操作系统的检验:
        ● 对货物围护系统的零部件制造检验和安装检验;
        ● 货物操作系统中主要液货设备的安装检验;
        ● 低温管系的焊接和安装检验;
        ● 各系统的功能和效用试验等;
        CCS完成了《薄膜型LNG运输船建造检验指南》的编制,为薄膜型液化天然气运输船的船体关键结构和制造工艺,典型货物围护系统如NO96货物围护系统、Mark III货物围护系统等,以及气体试航和第一次装卸货等方面提供了建造检验指导。
        近年来,CCS通过项目大大提升了大型薄膜型LNG运输船建造检验服务能力和水平,建立了CCS大型薄膜型LNG运输船建造检验队伍,掌握了大型薄膜型LNG运输船建造检验关键技术。
        未来展望
        天然气发展“十三五”规划表明,随着我国加快推动能源生产和消费革命,新型城镇化进程不断提速和油气体制改革有力推进,LNG产业、LNG航运以及LNG运输船建造产业正迎来新的发展机遇。
        随着近年来我国建造交付的大型LNG运输船的数量不断增加,我国积累了丰富的大型薄膜型LNG运输船建造经验,同时,大型LNG运输船的相关设计能力、检验能力也不断提高,我国在全球大型薄膜型LNG运输船建造市场上的话语权也将不断增强。
        我国LNG运输船队是伴随着我国进口LNG项目而逐步建立和发展起来的。伴随着我国LNG进口量的稳定增长,LNG作为我国主要能源的地位也将日益提升,当前及未来数年内我国LNG运输船队运力难以满足“国货国运”的要求,我国LNG运输船队规模和运力还有较大增长空间。
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