3_600车双燃料汽车滚装船总体设计_樊红元.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 51 3 600 车双燃料汽车滚装船总体设计车双燃料汽车滚装船总体设计 樊红元，马洪猛，李 健，谢立新（上海船舶研究设计院，上海 201203）摘 要：摘 要：3 600 车双燃料汽车滚装船是国内设计建造的世界首型双燃料加电池混合动力汽车滚装船，交付后主要用于欧洲区域航线营运。该船燃气模式下的氮氧化物排放满足国际海事组织 Tier III 排放要求。着重介绍该型滚装船的主尺度选型、总布置、双燃料系统布置、车辆通风布置、完整和破舱稳性、推进系统以及节能环保措施，对绿色环保型滚装船的开发具有借鉴意义。关键词：关键词：汽车滚装船；双燃料；总体设计；完整稳性 中图分类号：中图分类号：U674.13+8 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.08 Overall Design for 3 600 CEU Dual Fuel Pure Car Truck Carrier FAN Hongyuan,MA Hongmen,LI Jian,XIE Lixin(Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute,Shanghai 201203,China)Abstract:3 600 CEU dual fuel pure car truck carrier(PCTC)is the worlds first dual fuel and battery hybrid PCTC designed and built in China.After delivery,it is mainly used for route operation in Europe.NOx emissions meet International Maritime Organization(IMO)Tier III requirement in gas mode.The PCTC design including principal particulars selection,general arrangement,dual fuel supply system arrangement,car deck ventilation arrangement,intact and damage stability,propulsion system and energy saving and environmental protection measures is mainly introduced.The research results have reference significance for the development of green PCTC.Key words:pure car truck carrier(PCTC);dual fuel;overall design;intact stability 0 引言引言 汽车滚装船（Pure Car Truck Carrier,PCTC）具有多层连续汽车甲板以及跳板、坡道、坡道盖和水/气密门等各种通道设备，是大规模海上汽车运输的专用运输船。2019 年3 月7 日，中船集团下属江南造船与国际知名汽车运输船运营商欧洲联合汽车运输公司（United European Car Carriers,UECC）在奥斯陆签订了2+1+1 艘3 600 车双燃料汽车滚装船的建造合同。该型船由中船集团旗下上海船舶研究设计院（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute,SDARI）开发设计，入级挪威船级社（Det Norske Veritas Germanischer Lloyd,DNV GL），是国内设计建造的世界首型双燃料+电池混合动力汽车滚装船，交付后将投入欧洲区域航线营运。常规动力汽车滚装船的总布置、破舱与完整稳性、车辆舱通风等关键技术研究较多1-5。国内外对滚装船二代完整稳性也有一些研究6-7。近年来国际海事组织（International Maritime Organization,IMO）持续关注航运减排与船舶安全，为船舶设计带来新的机遇与挑战。双燃料 PCTC 与传统 PCTC 相比有以下特点：1）双燃料系统，包括燃料罐、透气和通风等布置要考虑尽可能减少对船舶安全和车位损失等影响；2）二代完整稳性要求对设计的影响；3）新的节能环保措施、电池和岸电等。本文结合上述特点，对主尺度选型、总布置、双燃料系统布置、车辆通风布置、完整和破舱稳性、推进系统以及节能环保措施等展开研究探讨。1 船型概况船型概况 3 600 车双燃料 PCTC 为单机、单桨、低速双燃料柴油机驱动的无限航区 PCTC，适合于装载滚装货 收稿日期：2022-01-20；修回日期：2022-06-04 基金项目：中船自立科技研发专项（202104Z）通信作者：樊红元（1983），男，高级工程师。研究方向：船舶总体设计。船舶设计、船舶结构和性能 52 物，如小汽车、卡车、巴士和其他车辆，以及轮式和履带式建筑、农用、矿山机械等，并能在车辆舱内装载包装危险品。该船使用了 LNG 双燃料动力、电池混动、轴带发电机、高压岸电和船舶能源管理系统等技术，同时采用了多航速优化的、独特的直艏线型，还配置了可调距螺旋桨和高效舵带舵球，可大幅度降低碳排放，满足船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index,EEDI）要求。在控制氮氧化物排放方面，该船在燃气模式下可满足 IMO Tier 排放要求。该船主要参数见表1。表 1 3 600 车双燃料 PCTC 主要参数 参数 数值 总长/m 169.1 型宽/m 28 型深/m（至5 甲板）13.08 设计吃水/m 7.7 结构吃水/m 8.8 载重量/t（结构吃水）12 45 车辆甲板面积/m2 30 600 车位数（标准车 RT43-L）3 580 主机 WinGD 6RT-flex50DF合同最大功率/kW 8 640（124.0 r/min）持续服务功率/kW 6 912（124.0 r/min）服务航速/kn 17.8 该船入DNV GL 船级社，入级符号为 DNV GL+1A，Car Carrier，MCDK，BIS，E0，TMON(oil Lubricated)，LCS，NAUT(NAV)，Gas Fuelled，BWM-T，BWM-E(f)，DG-(P)，Recyclable，Battery(Safety)，Shore Power。2 总体设计总体设计 2.1 主尺度主尺度 PCTC 的船体主尺度选取方法与一般货船不同，主要考虑装车数或有效甲板面积。有效车辆甲板面积取决于船长 Lpp、型宽 B 和甲板层数。滚装船具有多层甲板，上层建筑丰满，但受限于重心高度、受风面积和空气吃水等因素影响，甲板层数也不宜太多。从车型的单元尺度来选定船中横剖面处的型深和型宽，其中型宽 B 的选择最为关键，直接影响到车辆排列数量，避免今后营运中出现宽度浪费是决定型宽的根本出发点。扣除骨架或梁材高度，并留有一定的变形余量、车辆间隙及通道宽度后，应该是标准车型或载运主要车型尺度的倍数，所以型宽的变化应该是阶梯性的。型深则要考虑主机吊缸高度、码头高度及吃水和潮差的变化，综合考虑主甲板下车辆甲板的层数和层高等综合因素的影响。船长则是在选定好型宽及型深之后，确定合理的长宽比 Lpp/B 范围与吃水范围，在满足布置的前提下，按照设计载车数（载重量）、快速性、耐波性、操纵性等因素校核修正。2.2 总布置总布置 该船采用直立隐形球艏、方艉、全悬挂舵带舵球，配备了1 台1 500 kW 的艏侧推。双层底为压载舱，货舱中部有1 对防横倾舱，其他区域为单壳结构。LNG罐舱布置在机舱前端和货舱之间。该船设置 1 层生活区和10 层车辆甲板，13 层、5 层、710 层为固定甲板，4 层和6 层为活动甲板。1 台工作负荷160 t 尾斜跳布置在5 层甲板尾部，1 台工作负荷20 t 侧跳布置在 5 层甲板右舷船中。5 层甲板向下和向上通过活动坡道和固定坡道进行车辆装卸。车辆舱内中后为双排立柱，中前为单排立柱。总布置图见图1。图1 总布置图 樊红元等，3 600 车双燃料汽车滚装船总体设计 53 2.3 双燃料系统布置双燃料系统布置 该船双燃料系统布置满足 使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则（IGF 规则）8，其对燃料舱布置距离要求如下：1）在夏季载重水线平面上，从舷侧向舷内垂直于中心线的方向量取 B/5 或11.5 m，取小者，作为燃料舱至舷侧的最小距离。其中，B 系指船舶在最大吃水（夏季载重线吃水）或其以下位置的最大型宽。2）在任何情况下，燃料舱距船壳外板或船舶后端点的距离不应小于以下数值：对于货船：（1）当Vc1 000 m3，取0.8 m；（2）当1 000 m3Vc5 000 m3，取0.75+(Vc0.2)/4 000 m；（3）当5 000 m3Vc30 000 m3，取0.8+(Vc0.2)/25 000 m；（4）当 Vc30 000 m3，取2 m。Vc为单个燃料舱在20 时的100%总设计容量。3）在中心线上自船底板型线量起，燃料舱的最低边界应至少高于 B/15 或2.0 m，取小者。4）对于货船，燃料舱应在防撞舱壁之后。5）燃料准备间应布置在开敞甲板，否则其布置应符合本规则对燃料舱接头处所的要求。6）如果燃料准备间经批准位于甲板以下，该房间应尽实际可行设有直接通往开敞甲板的独立通道。如设置通往甲板的独立通道不可行时，则应设置满足要求的气闸。该船燃料舱采用1个600 m3 单层加绝缘C型罐，由于 LNG 燃料舱及其双燃料系统的结构复杂，安全要求较高，一般将其布置在上甲板敞开空间内9。初步方案将燃料舱布置在露天甲板（11 层甲板），此方案对车位数无影响，且利于通风透气布置。但空船重心高度升高约 0.6 m，导致装载某些重型车辆时，受稳性影响最高车辆甲板无法装车，故此方案不可行。对该船，燃料舱布置在甲板以下位置越低越好。该船方形系数很小，艏艉尖瘦，不利于布置，综合考虑节约管路、机舱巡检完方便巡查燃料舱等因素，将罐舱和燃料准备间布置在机舱前端壁和货舱之间、干舷甲板以下。加注站布置在罐舱正上方，5 层甲板左右舷，尽最大可能按功能区域划分，节约管路。C 型罐距舷侧、基线等满足规范要求具体见表 2，燃料准备间设有满足规范要求的气闸。成功解决双燃料系统布置。表 2 C 型罐布置要求 C 型罐位置 要求值 达到值 状态距船舶后端点 0.80 m 40.70 m OK 距船舶舷侧 5.60 m 10.75 m OK 距基线 1.87 m 3.10 m OK 位于防撞舱壁后 是 是 OK 2.4 车辆舱通风布置车辆舱通风布置 车辆装载过程中会在封闭的车辆舱中产生大量汽车尾气，致使车辆舱空气质量变差，影响驾驶员身体健康。规范要求港口装卸货时车辆舱满足20 次换气要求，航行时车辆舱满足10 次换气要求。目前常通过以下 2 种通风方式给车辆舱提供新鲜空气，排出车辆舱汽车尾气，改善驾驶员工作环境。方式 1：机械送风，自然出风；方式2：机械抽风，自然进风。车辆舱通风风道布置主要有以下3 种方式：1）首进尾出 机械送风布置在车辆舱首部，自然出风布置在车辆舱尾部；或者机械抽风布置在车辆舱尾部，自然进风布置在车辆舱首部。整个车辆舱流场分布由首向尾，大多数空间都能得到有效通风，但车辆舱首尾端部通风效果较差。2）中进首尾出 机械送风布置在车辆舱中部，自然出风布置在车辆舱首尾部；或者机械抽风布置在车辆舱首尾部，自然进风布置在车辆舱中部。整个车辆舱流场分布由船中向首尾或者由首尾向船中，大多数空间都能得到有效通风，同样是车辆舱首尾端部通风效果较差。3）首尾进中出