7 500车双燃料超巴拿马汽车滚装船开发设计

2019-12-16张文斌张敏健

船舶设计通讯 2019年1期

张文斌张敏健张艳

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

全球环境规则对二氧化碳（CO2）、硫氧化物（SOX）、氮氧化物（NOX）的排放要求日益苛刻。近几年及今后的主要要求有：2015年起船舶能效设计指数（EEDI）执行第 1阶段（Phase 1）要求和在硫氧化物排放控制区（SECA）内执行硫含量不超过0.1%的规定；2016年起北美和加勒比海地区实施氮氧化物排放控制区（NECA）；2017年在国际海事组织MEPC 71次会议上新增波罗的海和北海为氮氧化物排放控制区，并将在2021年1月1日强制执行；2020年起船舶能效设计指数（EEDI）执行第2阶段（Phase 2）要求。

天然气作为燃料具有相对较低的市场价格和针对降低这3类排放有显著效果的优势。WENews网站2019年1月20日报道：全球运营的天然气作为燃料的船舶已由2017年的118艘增至2018年的143艘，订单约135艘，并还有进一步增长的势头。

1 开发背景

上海船舶研究设计院为英国汽车滚装船船东SIEM CAR CARRIER开发设计了7 500车双燃料超巴拿马汽车滚装船。该船型是目前世界上最大的双燃料汽车滚装船，已被德国大众集团承租15年，用于承运其旗下的新造车辆。该航线为德国爱登至墨西哥韦拉克鲁斯，来回航程共约12 000 n mile，其中SECA区达7 020 n mile，非常适合全程LNG作为燃料。该船型已于2017年6月开始在厦门重工建造，将于2019年交付。

2 开发设计

2.1 主要参数分析

与常规6 500车级的汽车滚装船的比较研究发现：通过控制船舶总长在200 m、在传统的32.26 m船宽上增加约5.74 m的措施来保证扣除LNG货罐区所占的空间后仍然增加15%以上的载车辆以达到7 500车。表1为7 500车双燃料超巴拿马汽车滚装船的主要参数。

2.2 总体布置研究

7 500车双燃料超巴拿马汽车滚装船采用单壳设计，首尾尖舱为压载水舱，配备了1个2 000 kW的首侧推。设置了12层半车辆甲板，其中第2、4、6和8层为活动甲板，第1、3、5和7层甲板上的最大装车高度分别为4 m、4.6 m、5.4 m和4.3 m。2个巨大的1 800 m3的C型LNG储藏罐布置在2.09 m高度以上、干舷甲板以下、机舱前端壁前的左右两边，长约35 m、直径8.5 m，受5甲板向下坡道的位置约束、2个罐的型心偏左舷、距离中心线约1.8 m。

2.2.1 初始左横倾的布置研究

在该船开发中，为抵消LNG储藏罐充气后所带来的较大的初始左横倾，通过研究采取了以下布置措施：

表1 7500车双燃料超巴拿马汽车滚装船主要参数

1）将车辆舱内2排支柱设置为不对称，型心偏右舷、距离中心线约1.5 m；

2）将燃气供气设备间布置在2.09 m高度以上、第3甲板以下紧靠LNG货罐区域的右舷；

3）将蒸馏水舱布置在燃气供气设备间的右舷；

4）在第1甲板和3甲板之间设置2个容积达450 m3的较大防横倾水舱；

5）尽可能地将机舱内的滑油舱、氢氧化钠溶液舱和相关预留舱布置在右舷。

2.2.2 特定工况下无压载水平浮出港的布置研究

在该船开发中，为抵消LNG储藏罐充气后带来的较大尾倾，实现在德国爱登港8.7 m吃水、装载4 200辆（平均1.86 t）大众车型时无压载平浮出港，通过研究采取了以下布置措施：

1）线型的浮心后移至相对船中约6.9%；

2）将600 m3的船用柴油舱布置在首侧推舱后、第1甲板和第3甲板之间；

3）1对共360 m3的淡水舱布置在第1甲板下面的第1和2压载水舱之间，并用空舱与之隔离。

2.2.3 改用烧重质燃料油的油舱布置研究

考虑到大众集团15年租约结束后，如不使用天然气而改用烧重质燃料油，该船在开发中，设置了满足续航力同样为12 000 nm的3对共1 800 m3的可装载重质燃料油的空舱，其中有2对舱位于LNG货罐区域的前端、靠近船中区域、第1甲板以下、1.58 m甲板高度以上；第3对舱位于2个LNG罐的前正上方。

基于以上3方面的研究，7 500车双燃料超巴拿马汽车滚装船总布置图见图1。

图1 7 500车双燃料汽车滚装船总布置简图

2.3 EEDI分析

为减少汽车滚装船的CO2排放量，国际海事组织在2014年4月的海上环境保护委员会第66次会议上通过了汽车滚装船要求的EEDI的决议［1］。

在2016年10月的海上环境保护委员会第70次会议上通过了修订的用于计算配备了双燃料主机的新造船的EEDI得到值的决议［2］，决议中规定了当fDFgas≥0.5时，则天然气被视为“主燃料”且fDFgas取1、fDFliquid取 0。fDFgas的定义如式（1）所示。

基于以上2个国际海事组织的决议，对7 500车双燃料超巴拿马汽车滚装船进行了EEDI分析。

该船型结构吃水时载重量为17 500 t，总吨为74 000 t，则 DWT/GT=0.236＜0.3。经计算，EEDI在基线的要求值为21.486 2。

考虑该船型使用LNG作为主燃料，经计算EEDI得到值为12.507 1，EEDI得到值比基线的要求值降低约41.8%，因此该船型EEDI可达到Phase 3阶段要求。

2.4 C型LNG燃料罐布置分析

该船的开发满足2017年1月1日生效的国际使用气体或其他低闪点燃料船舶安全规则（IGF规则）［3］。根据IGF规则中5.3节的要求，燃料舱的位置可按照5.3.3.1中的确定性方法确定，也可按照5.3.4中的概率性方法来确定。

在确定性方法中规定：燃料舱与船舷的最短距离为B/5或11.5m，以较小值为准。该船型船宽38m，则燃料舱与船舷的最短距离需要求达到7.6 m。由于配置了巨大的C型LNG燃料罐，该最短距离难以满足，需按照概率性方法确定其横向位置。

概率性方法使用以下计算方法来确定燃料舱的可接受位置：

1）如下所述计算的fCN值，对于客船须小0.02，对于货船须小于0.04。

2）fCN由式（2）计算得出：

式中：fl按SOLAS公约第II-1/7-1.1.1.1条系数p公式计算得出，p公式中x1的值是从船尾端到燃料舱最后界限的距离，x2的值是从船尾端到燃料舱最前界限的距离；ft按SOLAS公约第Ⅱ-1/7-1.1.2条系数r公式计算得出；fv按 SOLAS公约第Ⅱ-1/7-2.6.1.1条系数v公式计算得出。

2个C型LNG燃料罐横向位置布置图见图2。

图2 7 500车双燃料汽车滚装船C型LNG燃料罐横向位置布置图

根据概率性方法计算了该布置的fCN值，均小于0.04，满足法规要求。

2.5 与LNG加气相关的研究

2.5.1 加气站位置研究

基于LNG供给来源，对船舶进行LNG加注主要有4种方式：岸基罐对船、槽车对船、供气船对船和便携式液罐输送［4］。4种LNG加注方式示意图见图3。

图3 4种LNG加注方式示意图

该船型由于全程LNG航行在德国和北美之间，所需LNG量大，加之欧洲和美国已有加注船/驳设施，故主要采用供气船对船的加注方式。船东已与壳牌公司（Shell）达成初步协议：在欧洲区域是采用以荷兰鹿特丹港为母港的6 500 m3LNG加注船；在北美区域采用4 000 m3LNG加注驳。6 500 m3LNG加注船和4 000 m3LNG加注驳效果图分别见图4和图5。

图4 6 500 m3LNG加注船效果图

图5 4 000 m3LNG加注驳效果图

由于LNG加注船/驳上的供气站位置和配置不一样，所以该船型在开发时，需按照壳牌公司的推荐［5］进行LNG加注船/驳的供气站位置与7 500车超巴拿马天然气汽车滚装船加气站位置的匹配研究。经研究，该船型设有左右2个LNG加气站：由于右舷靠岸，1个LNG加气站位于7甲板左舷中部，用于供气船对船加注；另1个LNG加气站位于5甲板右舷中部，用于其他方式加注。

2.5.2 系泊区域缆桩和带缆孔位置计算分析

该船型在开发中还考虑第7甲板系泊区域的缆桩和带缆孔的位置与LNG加注船的匹配问题。通过OPTIMOOR软件计算分析，以确定出合适的系泊位置。7 500车双燃料超巴拿马汽车滚装船和6 500 m3LNG加注船首首同向系泊计算模型见图6。

图6 7 500车双燃料汽车滚装船和6 500 m3LNG加注船首首同向系泊计算模型

2.6 透气桅高度风险评估

该船实际营运时需满足通过日本名古屋港附近的Tokai桥的相关高度要求，如图7所示。按此要求，该船距离基线的最大空气吃水不可超过46 m。

图7 名古屋港附近的Tokai桥的相关高度要求

然而，按照IGF规则中6.7.2.7.3节的要求，透气系统的布置须使透气桅出口的高度通常高出露天甲板不小于B/3或6 m，取其大者，并高出工作区域和步桥6 m。由于该船型船宽38 m，则透气桅出口的高度需比36.3 m高的第13甲板（露天甲板）高出约12.67m，该船的龙骨至透气桅顶的高度将达48.97m。

为满足Tokai桥的要求，透气桅高度最大只能取到9.7 m。同样根据IGF规则中6.7.2.7.3节的要求，透气桅高度可依据主管机关的特殊考虑限制至较低高度，但需风险评估。船东、船厂、船级社和设计院在该船详细设计阶段的风险评估步骤及结果见表2。风险评估结果表明：透气桅高度降低到9.7 m时，可采用在此处额外安装气体探测设备的方法和适当的管理措施来加以解决。