氢燃料双体客船布置与结构设计.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.003 氢燃料双体客船布置与结构设计 胡 焘，汤文军，陈 曦（武汉长江船舶设计院有限公司，湖北 武汉 430062）摘要：由于氢燃料的特性，出于安全性考虑，氢燃料电池动力船舶对总体布置的要求不同于常规燃油动力船舶，氢燃料电池动力船舶的续航需求也对船舶重量控制提出了更高要求，因此对氢燃料电池动力船舶的总体进行合理布局、选择合适的材质及对结构进行优化是氢燃料电池动力船舶船体设计的要点。关键词：氢燃料电池舱；危险区域；有限元建模计算 中图分类号：U662 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0009-05 Layout and Structural Design of Hydrogen Fuel Catamaran Passenger Ship HU Tao,TANG Wenjun,CHEN Xi(Wuhan Changjiang Ship Design Institute Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430062,China)Abstract:Due to the characteristics of hydrogen fuel,for safety reasons,hydrogen fuel cell powered ships have different requirements for the overall layout than conventional fuel-powered ships,and the endurance requirements of hydrogen fuel cell powered ships also put forward higher requirements for ship weight control.Therefore,it is important to design the hull of hydrogen fuel cell powered ship to make reasonable overall layout,select suitable material and optimize the structure.Key words:hydrogen fuel cell cabin;dangerous areas;finite element modeling calculation 0 引言 现阶段氢作为能源主要以两种型式的动力装置应用于船舶：一是应用于传统内燃机，如纯氢内燃机；二是应用于新型动力装置燃料电池。氢内燃机受到卡诺循环的限制，热效率相对燃料电池较低，且氢内燃机还会产生氮氧化物等排放，而氢燃料电池具有能量转换效率高、振动噪声低、技术成熟度高等优势，近年来在船用领域发展受到关注。国内目前氢能在船舶上的应用以沿海和内河水域的游船等中小型船舶为主，包括观光船、公务船等，主要为示范应用船。由于氢燃料电池自身输出特性，其瞬态响应较慢，不适合单独作为船舶的主推进动力，因此理想的方案还是将氢与其他能源结合使用，例如与锂电池、收稿日期：2023-03-28 作者简介：胡焘（1985-），男，湖北武汉人，工程师，研究方向为船舶总体设计.（）发电机组等组成综合电站来使用。氢气尽管是质量能量密度最高的燃料，但是其体积能量密度却非常低。目前船用氢气以高压气态为主，较为常用的 35MPa 压缩氢气的体积能量密度仅为柴油体积能量密度的10%左右，导致存储氢气所需的高压气瓶的体积远高于目前存储柴油所需的燃油舱。另外，氢气密度小，易泄漏，还具有易燃易爆的特性，需要设置更多的阀件、管路等附件以保障安全，所以以氢气作为燃料电池的燃料对船舶储氢系统的体积和安全性提出了更高的要求。本文以国内首条入级中国船级社的氢燃料双体客船（“三峡氢舟 1”）为例，介绍采用氢燃料电池动力的双体客船在总体布置、材料选择及结构设计中如何考虑氢燃料安全及氢燃料电池对存储、运行等方面的要求，以合理确定总体布局及结构优化设计，保证10 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 船舶功能的实现及系统的安全运行。图 1 氢燃料双体客船“三峡氢舟 1”Fig.1 Hydrogen fuel catamaran passenger ship San Xia Qing Zhou 1 1“三峡氢舟 1”主要尺度、性能“三峡氢舟 1”的主要尺度、性能见表 1、表2。表 1 主要尺度 Tab.1 Main dimensions 序号 项目 符号 尺度 1 最大船长 LOA 49.90m 2 水线长 Lwl 43.50m 3 型宽 B 10.40m 4 片体宽 b 3.30m 5 型深 D 3.20m 6 设计吃水 T 1.90m 7 肋距 s 0.50m 表 2 主要性能 Tab.2 Main performance 序号 项目 符号 1 设计航速 V 28km/h 2 巡航航速 V 20km/h 3 续航力 R 巡航航速下约 200km 4 船员 10 人 5 乘客 80 人 6 推进电机功率 500kW 2 7 燃料电池总功率 约 560kW 8 锂电池总容量 约 1 800kW h 9 氢气储量 35MPa，不少于 240kg 船舶在设计过程中，主要参考的设计规范、法规如下：CMSA 船舶与海上设施法定检验规则-内河船舶法定检验技术规则（2019）；CCS内河船舶入级规则（2018）；CCS钢质内河船舶建造规范（2016）及其修改通报；CCS材料与焊接规范（2021）；CCS纯电池动力船舶检验指南（2019）；CCS船舶应用替代燃料指南（2017）；CCS燃料电池系统应用指南（2015）；CCS内河绿色船舶规范（2020）；CCS智能船舶规范（2020）；CCS 船舶应用燃料电池发电装置指南（2022）；CMSA氢燃料动力船舶技术与检验暂行规则（2022）。以及国家、交通运输部及行业相关的其他现行标准和规范。2 总布置设计 船舶总布置设计时需对全船进行综合考虑，在满足相关法规、规范和标准的前提下，通过合理有效的布局，保证船舶的性能、安全、工艺、美观、方便及舒适性，以满足船东方的使用需求。氢燃料电池动力船一般都是混合动力，因为氢燃料电池自身的特性，“三峡氢舟 1”除燃料电池相关设备外，还需要设置锂电池以满足在功率变化较为剧烈时的需求。与常规柴油机动力船舶相比，需增加锂电池舱、氢气瓶间、燃料电池舱、透气桅、氢燃料加注口及众多的通风管系等一系列舱室及设备。本船在设计时需要充分体现安全布置原则，特别是需要考虑气体危险区域的布置，充分保证安全区域与气体危险区域的隔离、氢气储存处所的防护、氢燃料电池系统的碰撞、机械损伤等的影响，同时还要考虑氢燃料释放源的布置应使释放的气体通向露天处所。“三峡氢舟 1”作为一条双体船，舱底功能舱室更多，可能形成气体危险区域的通风管系也更为复杂，在安全方面的设计难度相较单体船更高。本船的氢气采用 35MPa 的压缩氢气，氢气瓶间必须布置在主甲板以上的区域，且不能与 A 类/重要机器处所相邻；燃料电池舱的舱室需采用钢质气密围蔽，其舱室形状应尽可能简单，其顶部结构应避免氢气的聚集，其与氢气瓶间应设置隔离舱室；加注接口应尽量布置在露天处所，以使其有足够的通风，另外还要综合考虑透气桅、通风口等对总布置的影响。根据最新发布的 CMSA氢燃料动力船舶技术与检验暂行规则（2022）对于氢燃料罐的布置要求，对于内河船舶：（1）距离舷侧不少于 B/10 或 1.0m；（2）距离船底不少于 B/15 或 2m；（3）在任何位置，距离船体外板或艉端点不少于0.8m；（4）对于客船，氢燃料罐应位于距首垂线 0.08L的横截面后方；对于货船，氢燃料罐应位于防撞舱壁后方；（5）如果氢燃料罐布置在船体尾部开敞甲板上，应采取适当的保护措施，以防止船舶追尾对氢燃料罐造成损坏。本船在设计中不仅要考虑上述法规要求，还需要第 4 期 胡焘等，氢燃料双体客船布置与结构设计 11 综合危险区域的划分以及通风、通道开口的设置要求，同时由于氢气是一种极易燃烧的危险化学品，在船舶航行及系泊过程中为防止碰撞产生危险，在设计中将氢气瓶间设置在主甲板尾部区域并远离功能性舱室区域，同时采用钢质围壁结构加防火材料进行保护，氢气瓶布置于主甲板上方，距船底、舷侧距离均达到 3.8m，远大于规范要求，充分防止意外碰撞可能导致的危险。按照规范要求，氢气瓶间下方与燃料电池舱需设置 500mm 高的隔离舱，考虑到施工方便，本船实际设置了 600mm 高的隔离空舱进行隔离。从上述布置情况来看本船氢气瓶布置距离大大超过法规要求值，进一步提高了本船的安全性能。按照内河船舶法定检验技术规则（2019）要求，电池箱柜与舱壁及上方甲板之间应至少留有 150mm的空间。除此外，还需要预留足够的空间用于电池的维护保养，电池舱对空间的需求较高，横向和垂向都需要有足够的布置空间。因此，电池舱需要尽量布置在船中横剖面较为丰满的区域。本船为尾机型船舶，尾部需要布置舵桨舱、燃料电池舱、机电设备舱等，大约占据 1/2 左右的船长；船中靠首范围内用于布置电池舱，考虑到电池舱本身的防护安全性以及船体结构强度的需要，该区域划分为左右片体两个电池舱。首部较为尖瘦区域用于布置艏尖舱。根据船舶线型及相关舱室的布置要求，尾部尾端至 FR40 区域用于布置舵桨舱、燃料电池舱、机电设备舱；FR40FR61 用于布置电池舱；FR61首用于布置空舱、首尖舱。由于电池舱、燃料电池舱需要进行七氟丙烷灭火及 CO2灭火，主甲板设置有七氟丙烷气瓶间与 CO2间；为了抽排电池舱、燃料电池舱热量，主甲板设通风机用于强制通风。危险区域的划分与布置是氢燃料动力船的重点和难点，根据 CMSA氢燃料动力船舶技术与检验暂行规则（2022）对于安全区域的要求：（1）距离任何氢燃料罐出口，气体或蒸气出口，加注总管阀门，其他氢燃料阀、氢燃料管法兰及其他氢燃料释放源，氢燃料准备间通风出口，其他 1 区通风出口和为让温度变化产生少量气体或蒸气混合物流动而设置的氢燃料罐压力释放口 3m 以内的开敞甲板上的区域或甲板上的半围蔽处所；（2）燃料电池处所入口及其通风进口，氢燃料准备间入口及其通风进口，以及通向 1 类危险区域处所的其他开口 1.5m 以内的开敞甲板上的区域或甲板上的半围蔽处所；（3）开敞甲板上包括加注总管阀门的集液盘以内及挡板向外延伸 3m，并不高于集液盘底部以上2.4m 的处所。根据上述危险区域要求，安全区域要与可能出现危险气体的处所保持足够的间距，燃料电池舱与氢气存储处所需要隔离。本船设计时按照气体危险区域整体集中布局的原则将氢气瓶间、燃料电池舱进出风口及氢气加注站都集中布置于尾部区域并远离功能性舱室、主甲板尾部下舵桨舱舱盖、舵桨舱进出风口及首部功能性舱室的外围壁门均布置于安全区域内。为了防止燃料电池舱、氢气瓶间处所产生的危险区域过大，对其他处所的设备布置产生影响，在氢气瓶间通往主甲板开敞处所的出口设置两道空气闸门防止气体危险区域扩大；并对燃料电池舱采用满足要求的机械通风，从而使燃料电池舱达到气体安全处所的要求，使其通风进出口不再成为气体危险区域，从而尽量缓解危险区域的进一步扩大扩散，从整体布局上提高本船的安全性。由于氢气密度较空气更小，故本船将氢气放散口、双壁管进出风口布置于顶篷甲板上方，更有利于氢气的安全排放。综合布置后，主甲板由尾至首依次布置有：尾部系泊区、加注站、下燃料电池舱梯道、氢气瓶间、风道、空气闸、七氟丙烷间、下机电设备舱梯道、值班室、干粉间、备件间、氢气瓶控制柜间、横向走道、卫生间、茶水间、氮气间、休息室、进厅（内设上游步甲板梯道）、多功能厅、下电池舱梯道、控制室、首部锚泊系泊区。游步甲板由尾至首依次布置有：卫生间、休息间、服务间、内走道、上驾驶甲板梯道、进厅、会客室。驾驶甲板由尾至首依次布置有：卫生间、会议室兼指挥中心、驾驶室。“三峡氢舟 1”总体布置平面图见图 2 所示。（a）舱底 （b）主甲板 12 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 （c）游步甲板 （d）驾驶甲板 图 2 “三峡氢舟 1”总体布置 Fig.2 Overall layout of San Xia Qing Zhou 1 3 船舶材质选择 目前常用的船体材料包括金属材料和非金属材料。金属材料有钢材、铝合金、钛合金等；非金属材料有木材、水泥、复合材料等。其中木材、水泥在现代船舶建造中已很少使用，钛合金虽然具有极好的化学及物理性能，但其价格过于高昂，一般只用于潜艇和深潜器的耐压壳体制作，因此，这几种材料在本船上都不能采用。复合材料作为新型功能结构材料，虽然具有重量轻、比强度和比刚度高、阻尼性能好、耐疲劳等优点，但是其一般采用一次性成型工艺，在船舶出现破损状况时的修复也需要有相应的工艺要求。目前三峡库区流域基本不具备对其进行修复的条件，故本船不采用。目前常用的金属材料主要是钢材和铝合金。铝合金由于具有密度小、比强度大以及无磁性、高导电性和导热性等特点，目前已经大量用于中小型船舶。船舶结构钢材的选用必须充分考虑船舶航行条件和船舶承重性能，主船体一般容易产生碰撞，故一般采取钢质结构。出于对本船排水量控制的考虑，需要尽量减轻船舶重量，要充分考虑铝合金结合性好和轻便的优势，可以采用更加轻便、耐腐蚀的铝合金材质。经测算，本船采用铝合金材质来建造船舶的甲板室，主船体使用钢材，其排水量可以减少 18%左右，这对排水量是一个较为显著的降低，在方形系数不变的情况下，可以减少 18%的吃水需求，若采用钢质上建，增加 18%左右的吃水及排水量，会造成 15%以上的航速损失，并大大增加本船推进电机功率，法规要求氢气瓶间材质必须为钢质或等效材料，本船考虑结构强度需求后采用钢质材料。主体钢质、上建铝合金材质的钢铝混合结构是很多船舶采用的较为常规的结构型式，其建造工艺十分成熟。根据综合比较分析，本船主体采用全钢质焊接结构，上层建筑除氢气瓶间采用钢质结构外其余采用铝合金材料。4 结构优化设计 在船舶建造中，船舶结构设计的优劣直接影响船舶建造的周期和成本。在结构设计中，在满足规范的前提下，要综合考虑船舶的安全性、使用性、整体性、工艺性和美观性。其中，保障安全性是船体结构设计的前提，通过对结构的优化设计，确保船舶建造的合理性。本船为双体、单底、单甲板，主船体钢质、上层建筑铝合金的钢铝混合全焊接结构船型。共设置有三层甲板室，由于布置的特殊性，本船甲板室玻璃幕墙骨架竖杆的间距（4m）大于规范（CCS钢质内河船舶建造规范（2016）4.8.3.2）的要求值（3m），故利用大型有限元软件 MSC.PATRAN 对整体甲板室结构进行有限元建模计算，以校核甲板室结构的局部强度，保证船舶安全。图 3 铝合金结构构件板单元 von Mises 应力云图 Fig.3 von Mises stress nephogram of aluminum alloy structural member plate element 图 4 铝合金结构构件板单元剪切应力云图 Fig.4 Shear stress nephogram of aluminum alloy structural member plate element 第 4 期 胡焘等，氢燃料双体客船布置与结构设计 13 图 5 铝合金结构构件梁单元节点合成应力云图 Fig.5 Composite stress nephogram of beam element joints of aluminum alloy structural members 表 3 甲板室各结构构件的最大应力值（N/mm2）Tab.3 The maximum stress value of each structural member of the deckhouse(N/mm2)构件名称 应力种类 钢结构 许用应力 铝合金 结构 许用应力 板单元等效应力 10.5 176.25 50.6 92 板单元剪切应力 6.02 96.35 28.2 50.6 梁单元正应力 26.2 171.55 67.9 88.55 综上，本船甲板室玻璃幕墙骨架竖杆的间距为4m 时，本船甲板室结构的应力值均在规范要求范围内，局部强度满足规范要求。5 结论 三峡库区氢燃料电池公务船“三峡氢舟 1”是国内首艘入级中国船级社（CCS）的 500kW 级氢燃料电池动力船艇，该船型的研发是国内氢能源船艇领域的一次重要突破，将进一步推动氢能源技术在内河船舶的探索与应用，助力我国氢能源船舶产业发展，船体作为船舶的重要组成部分，船舶总体布置的合理性直接决定氢燃料船舶相关功能是否能实现，船舶结构的优化对氢燃料船舶的安全性能、推进性能及续航能力产生直接影响，本文中提到的总体合理布局、材质选择及船舶结构优化，对氢燃料电池动力船舶的设计和建造具有参考意义。参考文献：1 侯文武.船体结构设计及建造中的细节处理J.船舶物资与市场,2023,31(4):39-41.2 肖大银.船体结构设计的理念及其对船舶建造的影响J.船舶标准化工程师,2022,6:79-83.3 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册M.北京:北京国防工业出版社,2013.4 毛宗强等.氢安全M.北京:化学工业出版社 2020.（上接第 8 页）应切断隔开，并且要考虑危险气体通风口作为危险源的危险区域划分。另一个是氢气密度小，要考虑在可能存在氢气的处所顶部将氢气排出。受限于船舶舱室、管路、通风口的布置，要尽可能将涉氢的通风管路布置简洁清晰，处所内的排风口应尽可能设置为顶部抽风，避免氢气聚集。同时气体危险处所的空气出口应设置在露天区域，并注意该出口危险区域划分对于周围电气设备的影响。通风设备和通风管道也需要一并考虑防爆、除静电等措施。5 结论 受限于氢气能源产业的整体布局，氢燃料电池的特性、建造及营运成本，整体设备和系统的成熟度，社会可接受度等诸多因素，氢燃料动力船舶目前还处于研究和应用试验的初步阶段。但随着航运业对绿色能源、零碳能源需求的日益迫切，氢燃料电池技术的进一步研究发展，氢燃料动力的安全性和便利性进一步得到实船验证，行业技术标准的进一步完善等，氢燃料电池动力船舶也将得到进一步推广和发展。参考文献：1 中华人民共和国海事局.氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规定(2022)S.2 中国船级社.船舶应用燃料电池发电装置指南(2022)S.