长江船舶设计院 王娟 张成桥 程少江
摘要：本文简要地说明了内河LNG船的发展背景及前景，并针对几种主要的LNG船型，包括LNG运输船、LNG燃料船、LNG加气趸船等，阐述了其设计中的几个要点和研究方向。
关键词：绿色环保 节能减排 LNG船
一、前言
近几年，全球变暖、气候异常等话题已逐渐成为人们关注的焦点，绿色环保、节能减排也已成为全世界大多数国家的共识。在这样的大环境下，随着全球航运业的发展，船舶所造成的污染也越来越引起国际社会的关注。据统计，目前全球航运业所造成的温室气体排放量约是航空业的2倍。全球海运船舶二氧化碳量年排放量超过了12亿吨，占全球二氧化碳年总排放量的6%。如果不尽快改变现有的减排局面，全球都有可能陷入灾难的境地。
我国作为世界上的第三造船大国，陆续提出了一系列的节能减排措施。在国务院总理温家宝主持召开的国务院常务会议上，研究部署长江等内河水运发展工作，指出“力争用10年左右时间，建成畅通、高效、平安、绿色的现代化内河水运体系。”2011年，交通运输部通过了“十二五”水运节能减排实施方案，到2015年，与2005年相比较，要达到港口生产单位吞吐量综合能耗下降8%以上，二氧化碳排放量下降10%以上；营运船舶单位运输周转量能耗下降15%以上，二氧化碳排放量下降16%以上。
在绿色低碳、节能减排的大趋势下，如何运用新的能源，如何运用新的设备和技术，譬如优化的船型设计、高效的推进系统等，来减少对环境的污染，实现真正意义上的绿色船舶，成为当前亟待解决的问题。特别是内河流域，水利资源丰富，航运交通繁忙，人口居住密集，对节能减排的要求更高也更为迫切。
LNG运输船、LNG燃料船，由于其具备良好的社会效益和经济效益，又符合国家发展低碳绿色经济、节能减排、实现可持续发展的能源发展战略，使其大力发展具备了天时和地利，并显示出较强劲的发展势头。
二、液化天然气（LNG）的特性
LNG船能够成为造船业的新宠，与液化天然气（LNG）自身的特性是分不开的。LNG是Liquefied Natural Gas的英文简写，是以碳氢化合物为主的气体混合物，无味、无色、无毒、无腐蚀性，主要成分以甲烷为主，其气态比重为0.70~0.75 kg/Nm3，液态比重为430~470 kg/m3。与柴油、LPG等其它燃料相比较，具有以下几大优点。
1. 清洁环保。
液化天然气（LNG）是世界上公认的清洁能源之一，号称绿色能源。与使用常规燃油的发动机相比，以LNG为燃料的发动机的减排效果明显。据有关资料，完全以LNG为燃料的发动机，其氮氧化物的排放量约为柴油发动机的25％，碳氢化合物的排放量约为30％，碳氧化合物的排放量约为12％，颗粒物的排放量几乎为零，可以大大减少空气的污染。
2. 安全可靠。
通常在液化天然气（LNG）加入特殊嗅剂，一旦发生泄漏，可以及时被发现。即使发生泄漏事故，由于LNG属于低温液体，也会很快自然气化。且其密度比空气轻，在发生泄漏后会自动向上溢开，不会对水体或土壤造成污染。另外，LNG的燃点比汽柴油或LPG都要高，瞬间着火比油慢，不易达到爆炸极限。因此，从使用安全性上来讲，LNG要好很多。
3. 产量丰富，经济性好。
世界天然气资源是十分丰富的，而且资源探明程度较低。据资料显示，目前世界天然气资源量估计约4192亿吨油当量，略高于石油资源量，截至2008年底，天然气累积探明可采储量近2695.4亿吨油当量。
而在价格方面，按当前的船用柴油和LNG价格计算，对于相同功率的发动机，船舶使用LNG燃料比使用柴油每年可节省燃料费用约20％-30%，极大幅度地降低了船舶运输企业的营运成本。这正是大多数船舶运输企业所最为关注的，即使初始投资大一点，从长远利益来看，还是经济合算的。
三、内河LNG船的发展前景
2010年8月，我国首艘内河双燃料改造试验船——3000吨级“苏宿货1260”号正式交付船东使用，转入常态运行。
2010年8月3日，我国内河第一艘由燃油主机改造而成的LNG柴油双燃料拖轮“武拖302”在武汉成功试航，实现了我国内河航运清洁能源船舶“零”的突破。使用混合燃料，LNG和柴油的比例为7∶3。二氧化碳排放量比改造前减少约20%，氮氧化物排放量减少约90%，硫排放量可降至零，可节能25%。
2011年3月，长航凤凰属下的2500吨散货船——“长迅三号”双燃料系统改装完毕，燃料系统平均替代率达到70%以上。
2012年5月，《南京日报》2版登载：今年底，南京八卦洲海企重工船厂有望建成中国第一个LNG（液化天然气）水上加气站，并试运行。并计划在未来几年，将在长江江苏段投资建设10个LPG水上加气站。
……
从以上简单的数据，不难看出这两年内河LNG船发展的迅速。就连造船业内普遍认为的LNG船的瓶颈问题：加气网点少、加气困难等，也即将会在未来几年内得以解决和改善。预计几年内，将会有400多艘LNG双燃料船建成，将会成为航运市场的热点。
当然，要想进一步推动LNG在内河船舶中的应用，形成规模化、产业化，国家、船级社、海事部门等还需要制定相关的政策、标准和规范。目前，CCS已经相继出台了《双燃料发动机系统及设计安装指南》（2007）、《气体燃料动力船检验指南》（2008/2011）、《双燃料动力船检验验船师须知》（2011）、《LNG燃料动力试点船舶技术要求》（2012）、以及《LNG燃料动力试点船舶关键设备技术要求》（2012）等。对LNG的适用范围、相关的材料和布置、气体管路设计、系统布置、气体燃料储存、气体燃料分配和充装、通风、消防、电气设备、控制监测和安全系统、气体燃料发动机、操作与培训要求等都进行了明确的规定，使得柴油-LNG混合动力船舶的行业标准问题有望得到解决。
另外，国家能燃结构的调整，节能减排减免税政策扶持等，也为LNG燃料在船舶上大规模应用推波助燃。采用了环保燃料，有较好的社会效益，又可以得到国家经济政策的扶持，对于大多数航运企业来说，何乐而不为呢？
因此，大力发展内河LNG船，是大势所趋，将会大有作为。抢先掌握内河LNG船的市场，是顺应国家发展、市场经济、节能环保的多方面需求，是决定企业今后生存和发展的重要一步。当国家对气体排放的要求越来越高，石油资源越来越少，节能的呼声越来越大时，对LNG船的需求只会越来越多。
面对市场机遇，抢占LNG船的先机，设计和研发真正适合于内河的LNG船型，将是至关重要的。由于LNG船的附加值高，技术难点多，尚有很多方面需要进一步研究和探讨。在以下的章节，仅对内河主要LNG船型的设计要点作简要的阐述，供交流和学习。
四、内河LNG运输船的船型研究
LNG运输船是主要载运液化天然气（LNG）的交通运输船。
当前，国际上主流的LNG运输船，多为10~20万m3的大型船舶。而内河LNG运输船，由于受到航道水深、桥梁高度等条件的限制，多为1~2万m3左右的小型LNG运输船。因此，在设计上，有其独特之处。
1. 船型
在船型的选取上，大多采用单甲板（设凸形甲板）、单底、双舷、全电焊钢质结构，设有首、尾楼，尾楼上设3至4层甲板室，中部为液货区，设LNG液货储运罐2只，分别布置于2个液货舱内。
这样的总体布置，一方面，可以尽可能地增加液货舱的长度，从而增加液货罐的长度乃至液货罐的容积，提高船舶的载货能力和舱容利用系数。另一方面，生活区和工作区相对集中，并且具有较好的驾驶室视野。
其典型船舶外形如图二所示。
图二：典型船舶外形图
2. 液货舱的型式
目前世界上的LNG运输船的液货舱型式有独立型和薄膜型两种：独立型液货舱又分为Conch型、SPB（IHI）型和MOSS型。薄膜型液货舱有GT型和TGZ型等。但这些都仅仅在大型的LNG运输船上使用。
对于内河LNG运输船，由于液货罐的容积不大，一般不会超过1万m3，且为短途运输，所以多采用压力式的C型独立液货舱。C型独立液货舱又大多采用卧式圆筒型压力容器，如：圆柱形或双联圆柱形。双联圆柱形液货罐组成的货物围护系统比圆柱形液货罐组成的系统造价要高一些，但也有其优势，可以降低液货罐的高度，对船舶的稳性有利。早期（上世纪80年代）选用这种罐型的船较多，但随着造船技术的发展和规范的日趋严格，双联圆柱形液货罐的船已经较少出现。现在新建的船舶大多选用圆柱形液货罐。
液货罐的设计工作温度一般取为-163℃。罐体材料有9%镍钢、奥氏体钢（不锈钢）、铝合金、奥氏体铁-镍合金等。其中9%镍钢的应用较为广泛，具有强度高、低温韧性好、焊接性能可靠等优点，且该钢冶炼工艺容易，质量稳定。在液货罐外敷设聚氨酯泡沫或聚苯乙烯绝缘板，用于绝缘隔热。
每个液货罐主要由前后两个鞍座来进行支撑，并在适当处设置止浮和防摇装置。
其典型的液货舱横剖面如图一所示。
这种液货罐的造价相对较为便宜，焊接施工较为容易，虽然在输运过程中存在一定的货物蒸发，但对于内河短途运输应无大的问题。
图一：液货舱典型横剖面图
3. 线型及性能的优化
快速性是衡量船舶设计优劣的重要性能指标之一。
长江船舶设计院常年致力于内河船舶线型、螺旋桨的研发。球鼻首、双尾、双尾鳍等优秀线型，已广泛运用于实船中，取得了较好的经济效益。并且，针对不同船型的设计特点，提出最为适合的线型方案，努力提高船舶的快速性。
内河LNG运输船的佛氏数Fr一般在0.21~0.23，属于中速船的范畴。对于中速货船的首部，一般采用球鼻首，来降低兴波阻力。采用了球鼻首后，球鼻首的兴波与主船体的首横波形成有利干扰，从而使兴波阻力有较大的降低。成功的球鼻首设计可以使总阻力减小10％～15％。
另一方面，根据《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》对液货舱的布置要求，“其任何部位距外板都应不小于760mm。”因此，在绘制首部线型时，必须格外予以注意，尤其是罐体端部位置（大约16~17站附近）的线型处理。
对于内河LNG运输船，由于航道吃水的限制，宜采用双尾或双尾鳍线型。该尾型具有较大的有效平均伴流；同时由于外侧水流以较小夹角流向螺旋桨，内侧水流沿纵剖线向尾流动，减少了斜流和延迟尾流分离，有效地降低阻力和提高船身效率。
图三：典型双尾鳍线型图
4. 推进系统
目前，一种新型的双燃料电力推进系统正在得到广泛的应用。
电力推进系统由数台双燃料中速柴油机，以燃气（LNG挥发气）或燃油为燃料，带动中压发电机产生电能，再由电站、电网系统进行全船电力分配。用于推进的电力经过推进变压器、变频器等的处理，输送到推进电动机，经减速齿轮箱的减速，通过轴系驱动螺旋桨推动船舶的航行。
五、内河LNG燃料船的设计研究
内河LNG燃料船是指采用LNG燃料发动机或双燃料发动机的船的统称。理论上，几乎所有的船型都可以建成或改造成LNG燃料船。但事实上，由于种种客观条件的限制，内河LNG燃料船的设计要充分考虑内河航运的特点。
首先，LNG燃料必须用低温压力容器（LNG低温储罐）来储存，且LNG的密度较低，需要船上提供一定的储存空间。除此之外，LNG储罐及其燃料系统等，还需要必要的保温隔热和安全隔离，也需要一定的空间。因此，对于内河船，由于航程较短，所需的储罐容积不大，是最为适宜采用LNG燃料发动机或双燃料发动机。特别是散货船、化学品船、液化气船等，本身具有一定的甲板面积，较为便于布置LNG储罐。至于LNG运输船，还可以利用货物的蒸气作为发动机的燃料，将是今后发展的主流。对布置紧凑型的船舶，如想采用LNG燃料，则应多方面论证其布置的合理性和经济性。
其次，在储罐的设计上，应尽可能采用圆形或圆柱形。由于LNG是以低温液体的形式储存，其密度和粘度的特性使得LNG容易产生晃动，而且储罐内一般没有设置隔板，因此在LNG储罐内的晃动程度要超过其它大多数液体。如采用矩形储罐，这种晃动将更为剧烈。晃动的结果就是会导致LNG气体的大量蒸发，如果不及时排出或再次液化，将会存在很大的安全隐患。由于再液化设备的价格昂贵，大多数LNG船不会配备；而将LNG蒸气直接排出，又会造成浪费。因此，大多数LNG储罐采用圆柱形。且为了降低重心高度，通常会紧邻甲板布置。
再次，对于LNG燃料发动机或双燃料发动机的选用上，应结合船舶运输企业的实际情况。完全LNG燃料发动机的优点是燃烧效率高，氮氧化物、碳氢化合物等排放量低，颗粒物的排放量几乎为零，比双燃料发动机更为环保。且调速特性好，可以和可调螺距桨或定螺距桨配合使用。其缺点是价格较高，且要求航线沿岸设有一定数量的LNG加气点。相对而言，双燃料发动机的价格较为便宜。由于可以同时使用柴油，不用受限于LNG加气点的限制，因此，得到大多数船舶运输企业的青睐。它的缺点是在燃气模式下动态响应迟缓，调速特性差，最好和可调螺距桨配合使用，这样也会导致初始成本有所增加。
总之，在内河LNG燃料船的设计初始，应充分做好经济论证工作，采用适合的推进方式和推进设备，才能够真正发挥LNG燃料船的长处。
六、内河LNG加气船
从上文可知，内河LNG船的进一步发展，很大程度上依靠于沿线LNG加气网点的建设。因此，近来，LNG加气趸船也成为建造的热点。
图五：加气趸船布置图
加气趸船是一种特殊要求的趸船，一般将LNG液货罐布置于半舱内，四周敷设绝缘隔热材料，上面设有天棚。
在消防、防火等方面，加气趸船有更高的要求，一般参照《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》来配备。比方说设备应尽可能布置于危险区域以外，危险区域以内的设备应考虑防爆等要求；居住处所和服务处所的开口应满足规范要求；应为船员配备一定数量的保护设备、安全设备和应急设备等。
七、结束语
对于内河LNG船，还有许多值得思考和探讨的地方。如何优化船型、提高LNG船的利用率，实现“建成畅通、高效、平安、绿色的现代化内河水运体系”的目标，将有待今后的进一步深化研究。
参考文献：
（1）中国船级社.《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》（2005）、《内河散装运输液化气体船舶构造与设备规范》（2008）.
（2）《船舶设计实用手册（总体分册）》.
（3）《液化气运输船实用手册》[日]惠美洋彦 编著 黄胜 马鉴恩 刘英贵 周凤智 雷电 刘国英 编译.
作者简介：
王娟，长江船舶设计院，1975年12月出生，高级工程师；
张成桥，长江船舶设计院，1957年09月出生，高级工程师；
程少江，长江船舶设计院，1957年08月出生，高级工程师.
