3_600车双燃料汽车滚装船总体设计_樊红元

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SHIPENGINEERING船舶工程Vol.45No.12023总第45卷，2023年第1期3600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：3600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TierIII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：汽车滚装船；双燃料；总体设计；完整稳性+中图分类号：U674.138文献标志码：A【DOI】10.13788/j.cnki.cbgc.2023.01.08OverallDesignfor3600CEUDualFuelPureCarTruckCarrierFANHongyuan,MAHongmen,LIJian,XIELixin(ShanghaiMerchantShipDesignandResearchInstitute,Shanghai201203,China)Abstract:3600CEUdualfuelpurecartruckcarrier(PCTC)istheworld'sfirstdualfuelandbatteryhybridPCTCdesignedandbuiltinChina.Afterdelivery,itismainlyusedforrouteoperationinEurope.NOxemissionsmeetInternationalMaritimeOrganization(IMO)TierIIIrequirementingasmode.ThePCTCdesignincludingprincipalparticularsselection,generalarrangement,dualfuelsupplysystemarrangement,cardeckventilationarrangement,intactanddamagestability,propulsionsystemandenergysavingandenvironmentalprotectionmeasuresismainlyintroduced.TheresearchresultshavereferencesignificanceforthedevelopmentofgreenPCTC.Keywords:purecartruckcarrier(PCTC);dualfuel;overalldesign;intactstability[1-5]0引言车辆舱通风等关键技术研究较多。国内外对滚装船[6-7]汽车滚装船（PureCarTruckCarrier,PCTC）具有二代完整稳性也有一些研究。近年来国际海事组织多层连续汽车甲板以及跳板、坡道、坡道盖和水/气密（InternationalMaritimeOrganization,IMO）持续关注航门等各种通道设备，是大规模海上汽车运输的专用运运减排与船舶安全，为船舶设计带来新的机遇与挑战。输船。2019年3月7日，中船集团下属江南造船与国双燃料PCTC与传统PCTC相比有以下特点：1）际知名汽车运输船运营商——欧洲联合汽车运输公司双燃料系统，包括燃料罐、透气和通风等布置要考虑（UnitedEuropeanCarCarriers,UECC）在奥斯陆签订尽可能减少对船舶安全和车位损失等影响；2）二代完了2+1+1艘3600车双燃料汽车滚装船的建造合同。整稳性要求对设计的影响；3）新的节能环保措施、电该型船由中船集团旗下上海船舶研究设计院池和岸电等。本文结合上述特点，对主尺度选型、总（ShanghaiMerchantShipDesignandResearchInstitute,布置、双燃料系统布置、车辆通风布置、完整和破舱SDARI）开发设计，入级挪威船级社（DetNorske稳性、推进系统以及节能环保措施等展开研究探讨。VeritasGermanischerLloyd,DNVGL），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1船型概况付后将投入欧洲区域航线营运。3600车双燃料PCTC为单机、单桨、低速双燃常规动力汽车滚装船的总布置、破舱与完整稳性、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。—51—

1船舶设计、船舶结构和性能物，如小汽车、卡车、巴士和其他车辆，以及轮式和2总体设计履带式建筑、农用、矿山机械等，并能在车辆舱内装2.1主尺度载包装危险品。该船使用了LNG双燃料动力、电池PCTC的船体主尺度选取方法与一般货船不同，混动、轴带发电机、高压岸电和船舶能源管理系统等主要考虑装车数或有效甲板面积。有效车辆甲板面积技术，同时采用了多航速优化的、独特的直艏线型，取决于船长Lpp、型宽B和甲板层数。滚装船具有多还配置了可调距螺旋桨和高效舵带舵球，可大幅度降层甲板，上层建筑丰满，但受限于重心高度、受风面低碳排放，满足船舶能效设计指数（EnergyEfficiency积和空气吃水等因素影响，甲板层数也不宜太多。DesignIndex,EEDI）要求。在控制氮氧化物排放方面，从车型的单元尺度来选定船中横剖面处的型深和该船在燃气模式下可满足IMOTierⅢ排放要求。该型宽，其中型宽B的选择最为关键，直接影响到车辆船主要参数见表1。排列数量，避免今后营运中出现宽度浪费是决定型宽表13600车双燃料PCTC主要参数的根本出发点。扣除骨架或梁材高度，并留有一定的参数数值变形余量、车辆间隙及通道宽度后，应该是标准车型总长/m169.1或载运主要车型尺度的倍数，所以型宽的变化应该是型宽/m28阶梯性的。型深则要考虑主机吊缸高度、码头高度及型深/m（至5甲板）13.08吃水和潮差的变化，综合考虑主甲板下车辆甲板的层设计吃水/m7.7数和层高等综合因素的影响。结构吃水/m8.8船长则是在选定好型宽及型深之后，确定合理的载重量/t（结构吃水）1245长宽比Lpp/B范围与吃水范围，在满足布置的前提下，车辆甲板面积/m230600按照设计载车数（载重量）、快速性、耐波性、操纵性车位数（标准车RT43-L）3580等因素校核修正。主机WinGD6RT-flex50DF2.2总布置合同最大功率/kW8640（124.0r/min）该船采用直立隐形球艏、方艉、全悬挂舵带舵球，持续服务功率/kW6912（124.0r/min）配备了1台1500kW的艏侧推。双层底为压载舱，货服务航速/kn17.8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层生活该船入DNVGL船级社，入级符号为DNVGL区和10层车辆甲板，1～3层、5层、7～10层为固定+1A，CarCarrier，MCDK，BIS，E0，TMON(oil甲板，4层和6层为活动甲板。1台工作负荷160t尾Lubricated)，LCS，NAUT(NAV)，GasFuelled，BWM-T，斜跳布置在5层甲板尾部，1台工作负荷20t侧跳布BWM-E(f)，DG-(P)，Recyclable，Battery(Safety)，Shore置在5层甲板右舷船中。5层甲板向下和向上通过活Power。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—52—

2樊红元等，3600车双燃料汽车滚装船总体设计2.3双燃料系统布置汽车尾气，致使车辆舱空气质量变差，影响驾驶员身该船双燃料系统布置满足《使用气体或其他低闪体健康。规范要求港口装卸货时车辆舱满足20次换气[8]点燃料船舶国际安全规则》（IGF规则），其对燃料要求，航行时车辆舱满足10次换气要求。目前常通过舱布置距离要求如下：以下2种通风方式给车辆舱提供新鲜空气，排出车辆1）在夏季载重水线平面上，从舷侧向舷内垂直舱汽车尾气，改善驾驶员工作环境。方式1：机械送于中心线的方向量取B/5或11.5m，取小者，作为燃风，自然出风；方式2：机械抽风，自然进风。料舱至舷侧的最小距离。其中，B系指船舶在最大吃车辆舱通风风道布置主要有以下3种方式：水（夏季载重线吃水）或其以下位置的最大型宽。1）首进尾出2）在任何情况下，燃料舱距船壳外板或船舶后机械送风布置在车辆舱首部，自然出风布置在车端点的距离不应小于以下数值：辆舱尾部；或者机械抽风布置在车辆舱尾部，自然进3对于货船：（1）当Vc≤1000m，取0.8m；（2）当风布置在车辆舱首部。整个车辆舱流场分布由首向尾，331000m＜Vc＜5000m，取0.75+(Vc×0.2)/4000m；（3）大多数空间都能得到有效通风，但车辆舱首尾端部通33当5000m≤Vc＜30000m，取0.8+(Vc×0.2)/25000m；风效果较差。3（4）当Vc≥30000m，取2m。Vc为单个燃料舱在2）中进首尾出20℃时的100%总设计容量。机械送风布置在车辆舱中部，自然出风布置在车3）在中心线上自船底板型线量起，燃料舱的最辆舱首尾部；或者机械抽风布置在车辆舱首尾部，自低边界应至少高于B/15或2.0m，取小者。然进风布置在车辆舱中部。整个车辆舱流场分布由船4）对于货船，燃料舱应在防撞舱壁之后。中向首尾或者由首尾向船中，大多数空间都能得到有5）燃料准备间应布置在开敞甲板，否则其布置效通风，同样是车辆舱首尾端部通风效果较差。应符合本规则对燃料舱接头处所的要求。3）首尾进中出6）如果燃料准备间经批准位于甲板以下，该房机械送风布置在车辆舱首尾部，自然出风布置在间应尽实际可行设有直接通往开敞甲板的独立通道。车辆舱中部；或者机械抽风布置在车辆舱中部，自然如设置通往甲板的独立通道不可行时，则应设置满足进风布置在车辆舱首尾部。整个车辆舱流场分布由首要求的气闸。尾向船中，并可兼顾首尾端部，整个车辆舱通风效果3该船燃料舱采用1个600m单层加绝缘C型罐，较好。由于LNG燃料舱及其双燃料系统的结构复杂，安全该船LNG系统通风集中布置在顶甲板燃料舱和[9]要求较高，一般将其布置在上甲板敞开空间内。初机舱对应区域，结合顶甲板布置空间，选择整个车辆步方案将燃料舱布置在露天甲板（11层甲板），此方舱通风效果较好的首尾进中出的方案，CFD模拟通风案对车位数无影响，且利于通风透气布置。但空船重计算结果良好，见图2。心高度升高约0.6m，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、干舷甲图2车辆舱通风速度场分布图板以下。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型罐距舷风道设计应尽可能减小风道阻力、减小风机、减侧、基线等满足规范要求具体见表2，燃料准备间设少能耗、节能减排。风道穿过甲板时，需要开孔，为有满足规范要求的气闸。成功解决双燃料系统布置。了减少风道总阻力，建议在满足结构强度的前提下，[10]表2C型罐布置要求甲板开孔尽可能大。C型罐位置要求值达到值状态距船舶后端点＞0.80m40.70mOK3完整和破舱稳性距船舶舷侧＞5.60m10.75mOKPCTC上层建筑丰满，空船重心高度高，且货物距基线＞1.87m3.10mOK重心也高，故对完整稳性要求高。车辆舱从首到尾是位于防撞舱壁后是是OK大通舱，发生破损后，车辆舱进水量非常大，这对概[11]率破舱稳性提出了很高的要求。2.4车辆舱通风布置该船主要采取了以下3条措施提高破舱稳性：车辆装载过程中会在封闭的车辆舱中产生大量1）合理分配主甲板以下分舱，减小破损后不对称进—53—

3船舶设计、船舶结构和性能水；2）较大的横稳心高，提高破损后生存概率；3）PCTC线型特点是方形系数小、横摇阻尼小、吃根据破损平衡水线，精确控制破损开口高度。该船破水附近线型变化剧烈以及上层建筑丰满。在纵向大幅舱稳性计算结果满足SOLAS破舱稳性要求。波浪（迎浪或随浪）中，复原力臂GZ曲线变化幅度该船除了需要满足2008ISCODE对完整稳性的大，且具有周期性，容易发生参数横摇，故对该船典要求外，还需要满足以下3条船东特别提出的完整稳型工况进行了参数横摇衡准校核，校核基于IMO[13]性要求：1）经自由液面修正的初稳心高应不小于SDC2WP4附录2的2.11.2.1和2.11.2.2，按船东要1.10m；2）在横倾角到达50°之前，复原力臂曲线斜求取衡准值Rpr=1.6，波浪高度h=4m。率应大于0；3）复原力臂曲线在0°～30°之间的斜率该船主要采取了以下几条措施提高完整稳性：1）不小于0.3倍经自由液面修正的初稳心高。采用舭部抬高设计，把排水量较多分布到设计吃水水该船所有航行工况计算结果满足以上船东对完整线附近，有利于提高横稳心高，增加稳性；2）在满足稳性衡准的额外要求。装车净高要求情况下，充分考虑建造误差、绝缘包覆2008ISCODE完整稳性衡准及船东特殊要求衡和航行时甲板变形，控制总型深；3）控制设备质量，准基于静力学理论，仅考虑瘫船稳性失效模式，对其优化主甲板以上结构、设备和绝缘等质量，控制空船他会导致船舶倾覆或人员伤害、货物损害的稳性失效质量重心高度；4）尽量做大舭龙骨，增加船舶横摇[12]模式没有涉及。因此IMO组织制定了第二代完整阻尼；5）增加底部压载舱水量，增大航行工况的初稳性衡准，包含了纯稳性丧失、参数横摇、骑浪/横甩、稳心高。瘫船和过度加速度等5种失效模式。参数横摇衡准校核结果见表3。表3典型工况参数横摇衡准校核结果参数横摇衡准编号装载工况描述状态要求值达到值L03压载出港1.60.69OKL04压载到港1.60.76OKL053637辆RT43，出港1.61.01OKL063637辆RT43，到港1.61.27OKL072851辆S-Cars，出港1.61.05OKL082851辆S-Cars，到港1.61.33OKL091999辆H-Cars，出港1.60.97OKL101999辆H-Cars，到港1.61.20OKL11856辆H-Suv+2069辆RT43，出港1.61.06OKL12856辆H-Suv+2069辆RT43，到港1.61.34OKL131756辆S-Cars+73辆MobileCrane，出港1.60.87OKL141756辆S-Cars+73辆MobileCrane，到港1.61.06OKL1568辆Rolltrailer30ft，出港1.60.80OKL1668辆Rolltrailer30ft，到港1.60.94OKL1764辆Rolltrailer40ft-110t+1356辆S-cars，出港1.60.88OKL1864辆Rolltrailer40ft-110t+1356辆S-cars，到港1.61.03OKL19115辆Rolltrailer40ft-60t+789辆H-cars，出港1.60.72OKL20115辆Rolltrailer40ft-60t+789辆H-cars，到港1.60.84OKL2162辆REACHSTACKER+1748辆S-cars，出港1.60.92OKL2262辆REACHSTACKER+1748辆S-cars，到港1.61.09OKL2377辆WheelLoader-50t+1112辆H-Cars，出港1.60.91OKL2477辆WheelLoader-50t+1112辆H-Cars，到港1.61.10OKL2527辆WheelLoader-100t+2146辆S-Cars，出港1.60.95OKL2627辆WheelLoader-100t+2146辆S-Cars，到港1.61.15OKL2791辆DumpTruck-35t+1112辆H-Cars，出港1.60.93OKL2891辆DumpTruck-35t+1112辆H-Cars，到港1.61.13OKL2939辆DumpTruck-65t+2146辆S-Cars，出港1.60.95OKL3039辆DumpTruck-65t+2146辆S-Cars，到港1.61.15OK—54—

4樊红元等，3600车双燃料汽车滚装船总体设计4推进系统LNG双燃料动力、电池混动、轴带发电机和高压岸电该船是国内设计建造的世界首型双燃料+电池混等新技术，在降低碳排放方面取得了巨大飞跃，可在合动力汽车滚装船。配备WinGD6RT-flex50DF双燃船舶全航程航行、进出港及装卸货工况下实现真正意料主机，燃气模式下，氮氧化物排放达到TierIII要求。义的超低排放，对绿色环保低碳船舶开发具有借鉴配置抱轴式轴带发电机和变频器，航行时使用轴发，意义。提高燃油经济性，减少主发维护成本。配置可调距螺旋桨，航行时有3种模式，即定距桨模式、联合操纵参考文献：模式和联合操纵加轴发模式。[1]张敏健.中大型汽车滚装船设计[J].船舶设计通讯,以上配置优势明显，可以在联合模式下始终找到2010(3):22-26.最佳转速和匹配的螺距，提高推进效率，减少燃油消[2]谢立新.2000车位汽车滚装船设计特点[J].船舶设计通耗，拥有灵活的操船性能和高效的船舶操纵性能。讯,2010(2):3-8.电池舱位于机舱后端壁，配510kW·h锂电池，[3]张文斌,张敏健.超巴拿马大型汽车滚装船开发设计[J].主要有以下3种模式：1）航行工况作为备用电源防止船舶与海洋工程,2015,31(4):1-4.失电；2）航行工况具备削峰填谷功能，减小主机负荷[4]周玮.概率论破舱稳性新规则对汽车滚装船的影响及波动降低油耗，试航时，锁定1台主发功率，其他功对策研究[J].船舶,2009,20(1):15-18.率由轴发和电池提高，左右30°Z型操舵可以观察到[5]陈鹭清.浅谈汽车滚装船汽车滚装处所通风系统[J].机电池充放电过程，实现了削峰填谷功能；3）进出港工电技术,2016(4):75-79.况单独带1500kW侧推3C放电16min或轴发加电池[6]吴小平.大型汽车滚装船参数横摇研究[J].上海造船,带1500kW侧推。该配置具有安全、节能环保等优点。2011(3):14-18.[7]KRÜGERS,HATECKEH.TheImpactofthe2nd5节能环保措施GenerationofIntactStabilityCriteriaonRoRo-Ship1）线型设计采用上海船舶研究设计院S-bow，兼Design[C]//12thInternationalSymposiumonPractical顾波浪中的快速性能，进行了多航速工况优化设计和DesignofShipsandOtherFloatingStructures纵倾优化试验。利用CFD手段对该船型的上层建筑进(PRADS’2013).2013.行了风阻优化数值计算。针对此船型，更多地要考虑[8]IMO.使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则上层建筑的流线设计，尽可能地减少流动分离，达到（IGF规则）[S].2015.最终降低风阻的目的。[9]周兰喜,马小勇.LNG燃料技术在大型汽车运输船上2）该船有害物质清单满足香港和欧盟拆船公约要的应用[J].船舶工程,2019,41(10):111-115.求；配备压载水处理装置，还具有压载水溢流法，在[10]李邦华,张展飞,赵耀中,等.某汽车运输船货舱风道应急状态下使用。通风数值模拟及优化设计[J].船海工程,2020,49(3):3）配置高压岸电系统，可实现码头作业期间污染10-13.物零排放。[11]胡晓倩,陈兵,郑双燕,等.新的SOLAS概率破舱稳性及其在MiniCAPE型散货船上的应用研究[J].船舶工程,6结论2011,33(2):11-14.通过协调解决了双燃料系统在PCTC上的实船应[12]顾民,鲁江,王志荣.IMO第二代完整稳性衡准评估技用问题，对比不同布置方案，最大限度减小燃料罐、术进展综述[J].中国造船,2014(4):185-193.透气和通风等布置对船舶安全和车位损失等影响；提[13]IMO.DevelopmentofanE-NavigationStrategy出解决PCTC参数横摇的几条措施；创新性地集成了ImplementationPlan:NAN57/WP.6[S].2011.全球首艘智能型无人系统科考母船“珠海云”正式交付使用1月12日上午，圆满完成各项海试目标任务的全球首艘智能型无人系统科考母船“珠海云”顺利入泊母港——珠海高栏港三一海工码头，正式交付使用。该船由南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）主持制造，是全球首艘具有自主航行功能和远程遥控功能的智能型海洋科考船，获得了中国船级社颁发的首张智能船舶证书。其设计建造贯彻了“绿色智能”“无人系统科考支持”和“未来感”等设计理念，主体设备国产化率高，动力系统、推进系统、智能系统、动力定位系统以及调查作业支持系统等均为我国自主研制。“珠海云”船长88.5m，型宽14.0m，型深6.1m，设计排水量约2100t，最大航速18kn，经济航速为13kn。该船拥有宽敞的后甲板，可搭载多种不同观测仪器的空、海、潜无人系统装备，可执行海洋测绘、海洋观测、海上巡检及部分调查取样等综合性海洋调查任务。（来源：央视新闻客户端）—55—