CN111268026B - 一种利用lng罐箱作为集装箱船燃料舱的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用LNG罐箱作为集装箱船燃料舱的系统及方法，该系统主要包括：LNG罐箱、供液软管、供液支管、供液总管、增压泵、加热器，LNG罐箱放置靠近机舱上方的甲板上。本发明的方法的主要目的是在满足船舶燃料消耗的前提下，实现船舶装载LNG罐箱数量的最小化，从而最大程度减少了为船舶储存LNG燃料所占据的船舶主体或箱位空间，本发明使得对空间要求较高的集装箱船能够装载更多的集装箱，为集装箱船向大型化(即集装箱船数目多)的发展提供了极佳的技术和方案，此外，装载的LNG燃料减少也会降低船舶的能耗，大大提高了船舶的经济性，且用LNG罐箱替代装箱船LNG燃料舱，能够提升LNG燃料的加注速度。本发明可操作性非常强，无论新造船舶还是旧船改造，都能很容易实现，因此，本发明具有很大的实际应用价值。

Description

一种利用LNG罐箱作为集装箱船燃料舱的系统及方法

技术领域

本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种利用LNG罐箱作为集装箱船燃料舱的系统及方法。

背景技术

随着世界范围内对节能减排的日益重视，国际海事组织(IMO)对船舶的排放要求进一步提高。天然气是一种优质的清洁能源，作为船用燃料几乎不产生硫化物和颗粒物，也可大幅度减少氮氧化物的排放，因此，越来越多的船舶选择用天然气作为燃料，即以液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称“LNG”)为动力的船舶也就是LNG动力船的数目越来越多。

LNG动力船集装箱船的LNG燃料舱通常采用薄膜型舱，由于LNG燃料易燃易爆的特性，LNG燃料舱不能像传统的燃油舱一样设置在船舶的双层底、隔舱或边舱等一些较为狭窄的位置，LNG动力船集装箱船需要在船舶主体空间来设置LNG燃料舱。LNG密度较小，大约是传统燃油密度的一半左右，因此其体积比较大。另外，由于LNG是-163℃的低温液体，LNG燃料舱还需要设有较厚的保温层，这样导致LNG燃料舱的体积更大，一般来说，以LNG为动力的船舶的燃料舱大约是采用传统燃油舱的1.6倍左右。再加之集装箱船舶动力装置功率本身就很大，燃料舱更是比一般的船舶大。集装箱船舶大型化发展要求就是在船舶有限的空间内尽可能放置更多的集装箱，这样使得无论船体内部货舱空间还是甲板上的空间都显得尤为珍贵，而LNG燃料舱较大，这样相对采用传统燃油舱就会牺牲集装箱船大量有效空间，从而一定程度上减少了很多船舶的载箱量，因此，这是集装箱船舶采用LNG燃料舱存在的一个非常突出的弊病。

在集装箱船上，有一种罐式集装箱，也称“罐箱”。装载LNG的LNG罐箱是一种创新型的载运工具，相比传统的运输方式，它在起吊、堆存、运输时十分便利，可利用现有的集装箱码头，不必建造加注船或岸基加注站。基于LNG罐箱的这些优点，可以考虑采用LNG罐箱作为船舶燃料舱。

专利号为CN 106184684 A的中国专利主要针对的是中小型内河船舶公开了一种船用自动控制可移动LNG燃料罐箱供气系统，该专利解决了小型内河船舶双燃料主机的LNG燃料的贮存和供气系统，且结合控制系统，提高了船舶的安全系数。专利号为CN 207000750U的中国专利公开了一种具有替换功能的LNG船用燃料罐箱系统，该专利提出了LNG罐箱作为LNG船用燃料罐箱的简单的想法，仅适用小型船舶或内河船舶，由于船舶是一个复杂的系统工程，其船舶类型和结构千差万别，该专利对复杂船舶或大型船舶无法应用。专利号为CN106168328 A的中国专利公开了一种可移动LNG船用燃料罐箱，该专利侧重于介绍所设计的LNG罐箱的结构，并没有解决LNG罐箱装载在船舶上后具体如何利用的问题。

集装箱装卸方便、快捷，目前，世界范围内港口的集装箱装卸货速度一般是1分钟装载20多个集装箱，最快则能达到1分钟30多个集装箱，由此采用LNG罐箱作为集装箱船的燃料舱，将会大大提升船舶的加注速度，也节省了LNG燃料在海上加注的时间。由于集装箱船的班期特别紧张，因此这种快速加注方法对集装箱船来说具有更大的现实意义。

发明内容

针对上述所提到的问题，本发明的目的是提出一种利用LNG罐箱作为集装箱船燃料舱的系统及方法。

本发明的第一个目的是提出一种利用LNG罐箱作为集装箱船燃料舱的系统，该系统包括LNG罐箱、供液软管、供液支管、供液总管、增压泵、加热器。

其中，所述供液软管与供液支管相连，而所有的供液支管与供液总管相连。

所述LNG罐箱放置甲板上一个指定区域，该区域尽可能靠近机舱，这部分区域在保证LNG罐箱优先放置的情况下，多余的箱位仍然可以放置普通的集装箱。在本系统中，LNG罐箱仅仅是一个贮存LNG燃料的容器。

所述增加泵、加热器位于船舶甲板上一个供气室内。

在该系统中，所述LNG罐箱中的LNG从供液软管出来，汇集到供液支管中，之后，再进入到供液总管中，从供液总管出来之后LNG进入增压泵，LNG在增压泵的作用下达到合适的压力，然后LNG在加热器中被缸套水加热到供船舶主动力装置燃用的温度，最终供主动力装置中燃用，为船舶的航行等提供动力。

本发明的第二个目的是基于上述系统，提出一种利用LNG罐箱作为集装箱燃料舱的方法，本方法的主要目的是最大化减少船舶携带LNG罐箱的数量。

若是集装箱船上采用上述利用LNG罐箱作为集装箱船燃料舱的系统，那么设此集装箱船的出发港为A₁港，途经港为A₂、A₃…B₁…B₂…。其中A_*港代表在该港进行罐箱装载，B_*港代表该港不进行罐箱装载。

方案一：

目的港为A_n港，集装箱船所挂靠的港口依次是A₁、A₂…B₁…B₂…B_m…A_n，其中B₁至B_m可以在A₁与A_n之间的任意顺序位置，满足A和B的下标中的1至n和1至m都是升序排列且为整数，设E为单位距离船舶消耗的LNG质量，M为每个罐箱LNG的最大容量(质量)，R为在港口时装载之前船舶上剩余LNG罐箱满箱数量，满箱指的是罐箱中的LNG燃料未使用，c是LNG燃料的富裕度系数，S_k,k+1表示船舶从A_k航行至A_k+1港的航行距离，也即相邻两个罐箱装载港口之间的航行距离，k是1至(n-1)任意一个整数，且n≥2，则在A_k港应装载的LNG罐箱的数目N为：

方案二：

目的港为B_m港，集装箱船所挂靠的港口依次是A₁、A₂…B₁…B₂…A_n…B_m，其中，A₂至A_n和B₁至B_m-1可以在A₁与B_m之间的任意顺序位置，但A和B的下标中的1至n和1至m都是升序排列且为整数，设E为单位距离船舶消耗的LNG质量，M为每个罐箱LNG的最大容量(质量)，R为在港口时装载之前船舶上剩余LNG罐箱满箱数量，满箱指的是罐箱中的LNG燃料未使用，c是LNG燃料的富裕度系数，S_k,k+1表示船舶从A_k航行至A_k+1港的航行距离，也即相邻两个罐箱装载港口之间的航行距离。

情况1：当k取1至(n-1)中任意一个整数时，且n≥2，则在A_k港应装载的LNG罐箱的数目N为：

情况2：当k取n时，也就是该集装箱船在最后一个装载港A_n时，此时应当装载的LNG罐箱数目N为：

其中，S_n,m表示船舶从A_n港到B_m港的航行距离。

方案三：

方案一指的是集装箱船从A₁港出发，目的港为A_n港，方案二指的是集装箱船从A₁港出发，目的港为B_m港，而方案三则是针对于船舶从A_n港或者从B_m港沿着原航线返回至A₁港，也即是目的港为A₁港。

情况1：沿着方案一的航线返回时，也即集装箱船所挂靠的港口依次是A_n…B_m…B₂…B₁…A₂、A₁，其中，B₁至B_m可以是A₁与A_n之间的任意顺序位置。

情况2：沿着方案二的航线返回时，也即集装箱船所挂靠的港口依次是B_m…A_n…B₂…B₁…A₂、A₁，其中，A₂至A_n和B₁至B_m-1可以是A₁与B_m之间的任意顺序位置。

上述两种情况下，A和B的下标中的n至1和m至1都是降序排列且为整数，而无论哪一条航线，集装箱船第一个装载港都是A_n，所以两种航线所使用的计算公式是相同的，与出发港是A_n还是B_m无关。

设E为单位距离船舶消耗的LNG质量，M为每个罐箱LNG的最大容量(质量)，R为在港口时装载之前船舶上剩余LNG罐箱满箱数量，满箱指的是罐箱中的LNG燃料未使用，c是LNG燃料的富裕度系数，S_k,k-1表示船舶从A_k航行至A_k-1港的航行距离，也即相邻两个罐箱装载港之间的航行距离，此时，k是2至n中任意一个整数，且n≥2，则在A_k港应装载的LNG罐箱的数目N为：

上述三个方案中，N为整数，c＞1，c的大小与船舶的航区、季节及海况等有关，一般c取1.2至1.3之间。

本发明的有益效果：

1.目前集装箱船上的LNG燃料舱容量大小是根据船舶最长航行距离时所消耗燃料的质量而设计的，因此LNG燃料舱的容量往往远远大于船舶实际燃料消耗量，这样LNG燃料舱占据太多的船舶有效空间，影响了船舶的载箱量，而本发明采用LNG罐箱作为集装箱船燃料舱的系统及方法在满足船舶燃料消耗的前提下，实现船舶装载LNG罐箱数量的最小化，从而最大程度减少了为船舶储存LNG燃料所占据的船舶主体或箱位空间。本发明使得对空间要求较高的集装箱船能够装载更多的集装箱，为集装箱船向大型化(即集装箱船数目多)的发展提供了极佳的技术和方案

2.更进一步的，装载的LNG罐箱减少，也就是装载LNG燃料重量减轻，实质上降低了船舶的载重量，也会降低船舶的能耗，所以本发明能够大大提高船舶的经济性。

3.本发明用LNG罐箱替代集装箱船的LNG燃料舱，能够提升LNG燃料的装载速度，无须建造价格昂贵的LNG加注船或者LNG岸基加注站，因此，对船舶采用“绿色”燃料——LNG具有很大的推广应用意义。

4.本发明方法可操作性非常强，只需在船舶甲板上安装简单的燃料管线，无论新造船舶还是旧船改造，很容易就可以实现，便于推广本技术和方法。

附图说明

图1是本发明的系统图

图2是X区中LNG罐箱的连接示意图

图3是本发明LNG罐箱的示意图

图4是在本发明中LNG罐箱在集装箱船上的位置示意图

图5是本发明方法中三种方案的示意图

图中：1.供液软管；2.供液支管；3.供液总管；4.增压泵；5.加热器；6.LNG罐箱；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示的一种利用LNG罐箱(6)作为集装箱船燃料舱的系统，该系统包括LNG罐箱(6)、供液软管(1)、供液支管(2)、供液总管(3)、增压泵(4)、加热器(5)。

其中，图1中Y区虚线框可位于船舶甲板上一个供气室内，所述供液软管(1)与供液支管(2)相连，供液支管(2)和供液总管(3)相连，供液支管(2)固定在绑扎桥上，以便与安装在LNG罐箱(6)上的供液软管(1)连接。

供液软管(1)中的LNG先汇入到供液支管(2)中，之后，再进入供液总管(3)中。

供液软管(1)、供液支管(2)和供液总管(3)的连接如图2所示，LNG罐箱(6)的供液软管(1)所在位置如图3所示，实际中的LNG罐箱(6)结构复杂，它不仅有液相口，而且有气相出入口，在这里，为了更清楚地表达出系统，对LNG罐箱(6)的结构进行了简化。

如图4，所述LNG罐箱(6)放置甲板上一个指定区域，指定区域可以根据船舶实际的大小而定，不仅仅只是图中所示，但为了减少所布置管线的长度，该区域应尽可能靠近机舱。此外，为方便船舶人员对LNG罐箱(6)进行管理，LNG罐箱(6)一般放在指定区域的1至3层箱位。在保证LNG罐箱(6)优先放置的情况下，这部分区域中3层以上的空间和3层及以下多余的箱位仍然可以放置普通的集装箱。

在该系统中，所述LNG罐箱(6)中的LNG从供液软管(1)出来，先汇集到供液支管(2)中，再进入供液总管(3)中，之后，LNG在增压泵(4)的作用下达到合适的压力，然后LNG在加热器(5)中被缸套水加热到供船舶主动力装置燃用的温度，最终进入主动力装置中燃用，为集装箱船的航行等提供动力。

附图中图5是本发明方法中三种方案的示意图。

若是集装箱船上采用上述利用LNG罐箱作为集装箱船燃料舱的系统，那么设此集装箱船的出发港为A₁港，途经港为A₂、A₃…B₁…B₂…。其中A_*港代表在该港必须进行罐箱装载，B_*港代表该港不进行罐箱装载，B_*港不装载的原因可能是该港没有装载条件，或者是具备装载条件但是基于LNG价格、地域、气候等原因不考虑装载等。而无论是否装载，上述提及的港口即A_*港和B_*港都是船舶必须挂靠的港口。

方案一：

目的港为A_n港，集装箱船所挂靠的港口依次是A₁、A₂…B₁…B₂…B_m…A_n，其中B₁至B_m可以在A₁与A_n之间的任意顺序位置，满足A和B的下标中的1至n和1至m都是升序排列且为整数，设E为单位距离船舶消耗的LNG质量，M为每个罐箱LNG的最大容量(质量)，R为在港口时装载之前船舶上剩余LNG罐箱满箱数量，满箱指的是罐箱中的LNG燃料未使用，c是LNG燃料的富裕度系数，S_k,k+1表示船舶从A_k航行至A_k+1港的航行距离，也即相邻两个罐箱装载港口之间的航行距离，k是1至(n-1)任意一个整数，且n≥2，则在A_k港应装载的LNG罐箱的数目N为：

方案二：

目的港为B_m港，集装箱船所挂靠的港口依次是A₁、A₂…B₁…B₂…A_n…B_m，其中，A₂至A_n和B₁至B_m-1可以在A₁与B_m之间的任意顺序位置，但A和B的下标中的1至n和1至m都是升序排列且为整数，设E为单位距离船舶消耗的LNG质量，M为每个罐箱LNG的最大容量(质量)，R为在港口时装载之前船舶上剩余LNG罐箱满箱数量，满箱指的是罐箱中的LNG燃料未使用，c是LNG燃料的富裕度系数，S_k,k+1表示船舶从A_k航行至A_k+1港的航行距离，也即相邻两个罐箱装载港口之间的航行距离。

情况1：当k取1至(n-1)中任意一个整数时，且n≥2，则在A_k港应装载的LNG罐箱的数目N为：

情况2：当k取n时，也就是该集装箱船在最后一个装载港A_n时，此时应当装载的LNG罐箱数目N为：

其中，S_n,m表示船舶从A_n港到B_m港的航行距离。

方案三：

方案一指的是集装箱船从A₁港出发，目的港为A_n港，方案二指的是集装箱船从A₁港出发，目的港为B_m港，而方案三则是针对于船舶从A_n港或者从B_m港沿原航线返回至A₁港，也即是目的港为A₁港。

情况1：沿着方案一的航线返回时，也即集装箱船所挂靠的港口依次是A_n…B_m…B₂…B₁…A₂、A₁，其中，B₁至B_m可以是A₁与A_n之间的任意顺序位置。

情况2：沿着方案二的航线返回时，也即集装箱船所挂靠的港口依次是B_m…A_n…B₂…B₁…A₂、A₁，其中，A₂至A_n和B₁至B_m-1可以是A₁与B_m之间的任意顺序位置。

上述两种情况下，A和B的下标中的n至1和m至1都是降序排列且为整数，而无论哪一条航线，集装箱船第一个装载港都是A_n，所以两种航线所使用的计算公式是相同的，与出发港是A_n还是B_m无关。

设E为单位距离船舶消耗的LNG质量，M为每个罐箱LNG的最大容量(质量)，R为在港口时装载之前船舶上剩余LNG罐箱满箱数量，满箱指的是罐箱中的LNG燃料未使用，c是LNG燃料的富裕度系数，S_k,k-1表示船舶从A_k航行至A_k-1港的航行距离，也即相邻两个罐箱装载港之间的航行距离，此时，k是2至n中任意一个数，n≥2，则在A_k港应装载的LNG罐箱的数目N为：

上述三个方案中，N为整数，c＞1，在公式中加入富裕度系数c的原因主要是考虑到在实际航行中，船舶在恶劣海况下可能会造成实际燃用的LNG比理论计算时要多，以免造成船舶LNG燃料不足。c的大小与航区、季节及海况等因素有关，一般c取1.2至1.3之间。此外，通常船舶中设有专门的燃油舱，在LNG燃料消耗殆尽时，燃油舱中的燃油仍可供主机燃用，因此，船舶管理者可根据燃油舱中燃油的多少合理选取c的大小。若是燃油足够多，此时可控制c＝1。

方案中n、m的大小根据船舶实际停靠的港口为准，上述仅提到了集装箱船按照方案一和方案二到达目的港后然后按照方案三原航线返回时的往复航线情况，应当指出，若是船舶的航行路线是环型航线，则采用方案一，此时可任意指定一个装载LNG罐箱的出发港A₁，然后按照航行先后为各个港口排序，最后按照方案一的公式计算出需要装载的LNG罐箱的数目，此时n与m可以是无穷大。

为了更好地对上述方法进行理解，下面以甲港、乙港、丙港、丁港四个港口为例，其中N为整数。

情况1：当船舶在甲港和丁港装载LNG罐箱，乙港和丙港不装载LNG罐箱，船舶依次挂靠甲港、乙港、丙港、丁港、丙港、乙港、甲港时，船舶去程时在甲港装载的LNG罐箱数量为：

式中，S_甲,丁是甲港和丁港之间的航行距离。

船舶在丁港装载的LNG罐箱数量为：

式中，S_丁,甲是甲港和丁港之间的航行距离。

情况2：当船舶在甲港和丙港装载LNG罐箱，乙港和丁港不装载LNG罐箱，船舶依次挂靠甲港、乙港、丙港、丁港、丙港、乙港、甲港时，船舶去程时在甲港装载的LNG罐箱数量为：

式中，S_甲,丙是甲港和丙港之间的航行距离。

船舶去程时在丙港装载的LNG罐箱数量为：

式中，S_丙,丁是丙港和甲港之间的航行距离。

船舶回程时在丙港装载的LNG罐箱数量为：

式中，S_丙,甲是丙港和甲港之间的航行距离。

其中，公式中的R为在港口时装载之前船舶上剩余LNG罐箱满箱数量，满箱是指罐箱中的LNG燃料未使用，对于不同的港口，R可能是不同的。

上述仅提到了船舶在甲港和丁港装载LNG罐箱，乙港和丙港不装载LNG罐箱的情况和船舶在甲港和丙港装载LNG罐箱，乙港和丙港不装载LNG罐箱的情况，也可能存在船舶在甲港、乙港和丁港装载LNG罐箱，在丙港不装载LNG罐箱等其他情况，但其他情况的计算方法都在上述两种情况中提到，在此就不一一列举。

本发明中所提及的罐箱是统一40英尺的LNG罐箱，相当于2个TEU(标准集装箱)的大小。此外，本发明中的LNG罐箱指的是为船舶提供燃料的LNG罐箱，若船舶中有货主运输的LNG罐箱(不为船舶提供燃料)，与本发明方法中的计算无关。

以上所述仅是本发明的优先实施方式，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种利用LNG罐箱作为集装箱船燃料舱的方法，其特征在于：若是集装箱船上采用利用LNG罐箱作为集装箱船燃料舱的系统，该系统包括供液软管(1)、供液支管(2)、供液总管(3)、增压泵(4)、加热器(5)、LNG罐箱(6)，且所述LNG罐箱(6)与供液软管(1)相连，供液软管(1)与供液支管(2)相通，供液支管(2)和供液总管(3)相连，供液支管(2)固定在绑扎桥上，那么设此集装箱船的出发港为A₁港，途经港为A₂、A₃…B₁…B₂…，其中A_*港代表在该港必须进行罐箱装载，B_*港代表该港不进行罐箱装载；

当目的港为A_n港，集装箱船所挂靠的港口依次是A₁、A₂…B₁…B₂…B_m…A_n，其中B₁至B_m可以是A₁与A_n之间的任意顺序位置，满足A和B的下标中的1至n和1至m都是升序排列且为整数，设E为单位距离船舶消耗的LNG质量，M为每个罐箱LNG的最大容量，R为在港口时装载之前船舶上剩余LNG罐箱满箱数量，c是LNG燃料的富裕度系数，S_k,k+1表示船舶从A_k航行至A_k+1港的航行距离，也即相邻两个罐箱装载港口之间的航行距离，k是1至n-1任意一个整数，n≥2，则在A_k港应装载的LNG罐箱的数目N为：

其中，N为整数，c＞1，c取1.2至1.3之间。

2.根据权利要求1中所述的一种利用LNG罐箱作为集装箱船燃料舱的方法，其特征在于：当目的港为B_m港，集装箱船所挂靠的港口依次是A₁、A₂…B₁…B₂…A_n…B_m，其中，A₂至A_n和B₁至B_m-1可以是A₁与B_m之间的任意顺序位置，但A和B的下标中的1至n和1至m都是升序排列且为整数，设E为单位距离船舶消耗的LNG质量，M为每个罐箱LNG的最大容量，R为在港口时装载之前船舶上剩余LNG罐箱满箱数量，c是LNG燃料的富裕度系数，S_k,k+1表示船舶从A_k航行至A_k+1港的航行距离，也即相邻两个罐箱装载港口之间的航行距离；

情况1：当k取1至n-1中任意一个整数时，且n≥2，则在A_k港应装载的LNG罐箱的数目N为：

情况2：当k取n时，也就是该集装箱船在最后一个装载港A_n时，此时应当装载的LNG罐箱数目N为：

其中，S_n,m表示船舶从A_n港到B_m港的航行距离，N为整数，c＞1，且c在1.2至1.3之间。

3.根据权利要求1中所述的一种利用LNG罐箱作为集装箱船燃料舱的方法，其特征在于：当船舶从A_n港或者从B_m港返回至A₁港，也即是目的港为A₁港；

情况1：集装箱船所挂靠的港口依次是A_n…B_m…B₂…B₁…A₂、A₁，其中，B₁至B_m可以是A₁与A_n之间的任意顺序位置；

情况2：集装箱船所挂靠的港口依次是B_m…A_n…B₂…B₁…A₂、A₁，其中，A₂至A_n和B₁至B_m-1可以是A₁与B_m之间的任意顺序位置；

上述两种情况下，A和B的下标中的n至1和m至1都是降序排列且为整数，而无论哪一条航线，集装箱船第一个装载港都是A_n，所以两种航线所使用的计算公式是相同的，与出发港是A_n还是B_m无关；

设E为单位距离船舶消耗的LNG质量，M为每个罐箱LNG的最大容量，R为在港口时装载之前船舶上剩余LNG罐箱满箱数量，c是LNG燃料的富裕度系数，S_k,k-1表示船舶从A_k航行至A_k-1港的航行距离，也即相邻两个罐箱装载港之间的航行距离，此时，k是2至n中任意一个数，n≥2，则在A_k港应装载的LNG罐箱的数目N为：

其中，N为整数，c＞1，一般c取1.2至1.3之间。

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