陳曉瑩,宋 煒,龍 潺

(滬東中華造船集團(tuán)有限公司，上海 200129)

0 引言

天然氣由于具有熱值高、不含硫、燃燒清潔、排放較低等優(yōu)點(diǎn)而成為綠色環(huán)保型船舶的首選燃料。隨著LNG作為船用燃料的推廣，LNG加注技術(shù)也越來越受到國際社會的關(guān)注。與岸站—船加注方式和槽車—船加注方式相比，LNG加注船—船加注方式具有機(jī)動性好、加注效率高、加注范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用和發(fā)展空間十分廣闊。

本項目由工業(yè)和信息化部《LNG燃料加注船工程化開發(fā)》資助。該船型是目前全球最大LNG加注船，也是世界首款應(yīng)用薄膜型GTT MARK III FLEX型圍護(hù)系統(tǒng)的LNG加注船,能與該船建造單位承接的22 000箱級集裝箱船LNG燃料艙完美對接，為此型集裝箱船供應(yīng)LNG燃料，并能為常規(guī)雙燃料推進(jìn)船舶進(jìn)行加注。在總體開發(fā)設(shè)計過程中，突破了加注船特有的設(shè)計難點(diǎn)，完成了線型設(shè)計及優(yōu)化、總布置設(shè)計、船岸兼容性分析、船舶快速性、操縱性和抗橫風(fēng)能力等六個大項的研究工作，并將研究成果應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計中，有效節(jié)約了成本，提升了產(chǎn)品市場競爭力，為后續(xù)LNG加注船的總體開發(fā)設(shè)計提供了極有價值的參考。

1 主尺度選定

主尺度的選擇對船舶開發(fā)設(shè)計非常重要，合理的主尺度是船舶良好設(shè)計的基礎(chǔ)，會直接影響到總布置、快速性、操縱性等重要性能。

考慮到《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》(簡稱《IGC CODE》)對于船長大于150 m船舶的破艙特別要求，首先明確總長必須控制在150 m以內(nèi)，實際總長、船寬和吃水則在權(quán)衡貨艙艙容和各項技術(shù)性要求后最終確定。同時，由于該船設(shè)計的服務(wù)航速為12 kn，弗勞德數(shù)Fr不算高，可選擇較小的球艏設(shè)計。在滿足限制總長的條件下，可以考慮盡量增加兩柱間長，這樣既可以保證船舶的快速性要求，還可以方便總布置設(shè)計。另外，還需考慮圍護(hù)系統(tǒng)布置的特殊性、液貨艙位置和線型設(shè)計等要求。

通過與相關(guān)專業(yè)協(xié)商、統(tǒng)籌，確定最終的主尺度如下：

總長

約135.0 m

兩柱間長

131.0 m

型寬

24.5 m

型深

16.0 m

設(shè)計吃水

6.5 m

服務(wù)航速

12.0 kn

加注能力

1 600 m3/h

艙容

約19 000 m3

圍護(hù)系統(tǒng)

GTT MARK III FLEX

2 總布置設(shè)計

由于既要滿足規(guī)范和法規(guī)的要求，又要方便各專業(yè)的設(shè)計和船廠的生產(chǎn)建造及船員的使用，因此，總布置設(shè)計時需要融入新理念和應(yīng)用新技術(shù)。其主要體現(xiàn)如下：

(1)采用GTT MARK III FLEX圍護(hù)系統(tǒng)，不僅滿足LNG加注船無裝載限制的要求，而且可以有效降低蒸發(fā)率，達(dá)到節(jié)約成本、提升產(chǎn)品市場競爭力的目的。

(2)采用2個相同液貨艙的布置，可以滿足艙容和規(guī)范的要求，同時又有效降低了成本。

(3)采用2臺全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和1臺艏側(cè)推的布置，既提高了推進(jìn)系統(tǒng)冗余度，保證了船舶安全性，又可使該船擁有良好的操縱性，在旁靠作業(yè)、港口操作時不需要拖船的輔助。

“無部分裝載限制”是LNG加注船的一個重要指標(biāo)。該維護(hù)系統(tǒng)在可以大面積使用絕緣性能更好的低密度(130 kg/m3)絕緣泡沫板的同時，對受晃蕩影響較大區(qū)域采用了抗沖擊能力更強(qiáng)、密度更高(170 kg/m3)的絕緣泡沫板，并結(jié)合強(qiáng)化的主屏蔽層，從而在保證蒸發(fā)率0.18%/d的前提下實現(xiàn)了無部分裝載限制的設(shè)計指標(biāo)。

目前市場上20 000 m3左右的C型艙LPG船或LNG船通常采用3個液貨艙的布置。為了提高經(jīng)濟(jì)性，降低成本，縮短生產(chǎn)周期，在滿足艙容要求的基礎(chǔ)上，本設(shè)計采用2個大小相同的液貨艙布置方案，見圖1。這種布置對破損穩(wěn)性提出了較高的要求，需要在開發(fā)初期尋求破損狀態(tài)的最危險情況，并選擇合理的機(jī)艙長度和壓載艙長度等參數(shù)來滿足破損穩(wěn)性的要求，同時完成NAPA建模及破損穩(wěn)性的校核，為該設(shè)計提供堅實的基礎(chǔ)。

圖1 2個大小相同液貨艙的布置

由于目標(biāo)受注船的集管區(qū)比較靠前，已超出平行中體區(qū)域，為保證加注作業(yè)時兩船旁靠的安全，靠泊墊必須位于邊平線內(nèi)。這就要求該船必須在貨艙區(qū)域前部布置1個低位集管區(qū)專用于LNG加注，同時在舯部布置1個集管區(qū)用于接收LNG。

為了保證船舶的安全性，該船的推進(jìn)系統(tǒng)配備冗余的推進(jìn)器，包括可用于推進(jìn)的2臺全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和1臺艏側(cè)推，使該船擁有良好的操縱性，在旁靠作業(yè)、港口操作時不需要拖船的輔助。由于全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的應(yīng)用在該船建造單位尚屬首例，在開發(fā)初期充分考慮到全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的安裝高度、螺旋槳的浸深、基座的設(shè)計及艉部線型的設(shè)計等方面，最終確定的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器布置見圖2。

3 船岸兼容性分析

船岸兼容性初步分析主要從船舶主尺度、裝卸臂的位置及工作范圍(見圖3)、靠泊墊的位置、系泊布置及系泊力計算、登船梯的位置及工作范圍等方面開展，并結(jié)合初步分析結(jié)果，從而確定集管區(qū)的高度、靠泊區(qū)域結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和系泊布置。同時，還利用系泊力分析軟件OPTIMOOR對該加注船與目標(biāo)受注船旁靠系泊力進(jìn)行了分析計算(見圖4)，合理布置靠泊墊及系泊纜繩的角度。

圖2 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的布置(單位:mm)

4 船舶性能研究

4.1 快速性研究

該船選擇了2臺全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，摒棄了傳統(tǒng)的球艉設(shè)計?？紤]到由于該船在服務(wù)航速下的Fr為0.173、浮心位置較為偏后，以及《IGC CODE》對2個相同液貨艙的最小半寬要求，所以在優(yōu)化時主要考慮艏部興波阻力的優(yōu)化[1]。

①—蓋特港天然氣碼頭1和碼頭2；②—蓋特港天然氣碼頭3；

圖4 系泊力分析軟件OPTIMOOR系泊狀態(tài)分析計算

艏部優(yōu)化主要集中在球艏的長度、寬度、高度、進(jìn)水角、水線面形狀、艏肩部的過渡區(qū)域等。通過參數(shù)化建模軟件CAESES實現(xiàn)對優(yōu)化區(qū)域的參數(shù)控制，并考慮《IGC CODE》對液貨艙位置的要求，利用優(yōu)化算法和CFD軟件SHIPFLOW工具尋找并最終確定最佳艏部線型。從優(yōu)化前后自由面波形分布(見圖5)及沿船體波高分布(見圖6)對比圖可以看出，優(yōu)化方案的興波大幅減少，艏部波高明顯下降，船身壓力分布也更加均勻，優(yōu)化方案的興波阻力得到了明顯改善。

圖5 自由面波形分布圖

圖6 沿船體波高分布圖

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器系統(tǒng)的艉部設(shè)計及優(yōu)化主要考慮的是在滿足推進(jìn)裝置布置等要求下推進(jìn)效率的優(yōu)化以及艉肩部線型的優(yōu)化。通過對推進(jìn)裝置的橫向、垂向的位置進(jìn)行探索，最終確定該裝置布置在距離船中位置Y=±6.2 m、距離基線Z=2.6 m處。通過改變艉肩部的形狀，調(diào)整UV型改變剖面排水體積分布等，最終確定艉部線型，并結(jié)合優(yōu)化后的艏部線型，得到新的方案。經(jīng)穩(wěn)性計算及布置方案校核，將其作為最佳優(yōu)化方案。

根據(jù)對最終方案推進(jìn)功率和油耗的評估，該船EEDI指數(shù)約14.255，小于能效指數(shù)(EEDI)第三階段(Phase 3)標(biāo)準(zhǔn)參考值20.057近30%，表明本船的能效非常高，經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性遠(yuǎn)大于市場上大多數(shù)同類船舶。

4.2 操縱性研究

該船長寬吃水比L/B僅為5.35而寬度吃水比B/T達(dá)3.8，決定了其航向穩(wěn)定性先天不足，所以在線型設(shè)計之初就需要考慮航向穩(wěn)定性。通過研究船舶的運(yùn)動方程[2]發(fā)現(xiàn)，船體水線以下的側(cè)投影面積(中縱剖面面積)向艏、艉兩端分布對航向穩(wěn)定性有利，但艏部面積增大使側(cè)面積中心向前移動，對航向穩(wěn)定性不利，只有增大艉部面積方可改善穩(wěn)定性?？紤]到建造施工的要求，最終選擇在船艉中間部分加裝呆木來改善航向穩(wěn)定性。

雖然IMO MSC137(76)對船舶的航向穩(wěn)定性要求并不適用于安裝有全回轉(zhuǎn)裝置的船舶，但船東明確提出本船依然需要滿足該規(guī)范的要求。因此，如果后期正式模型試驗時因操縱性不滿足要求而必須重新調(diào)整設(shè)計方案，則不僅費(fèi)時費(fèi)錢，還影響項目進(jìn)度，所以船型設(shè)計完成后采用SEAMAN軟件對本船的航向穩(wěn)定性進(jìn)行了評估，并根據(jù)計算結(jié)果對呆木的設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化。最終呆木設(shè)計的航向穩(wěn)定性特性特征值，即Z型操縱試驗結(jié)果與IMO要求的比較見表1。從表中結(jié)果看出，本船完全滿足要求。

4.3 抗橫風(fēng)能力研究

除了快速性和操縱性外，LNG加注船還要評估橫向移動能力，以確保在一定的海況下，借助船艉的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)及船艏的側(cè)推裝置可以實現(xiàn)靠泊作業(yè)而不需要拖船的輔助。從收集的國外加注船技術(shù)資料來看，在靠泊作業(yè)過程中，通常存在艉部的全回轉(zhuǎn)裝置的功率富余，但艏側(cè)推的功率常常不夠，為避免在以后的靠泊試驗中出現(xiàn)問題而再次調(diào)整艏側(cè)推功率，同時避免設(shè)計余量較大而導(dǎo)致成本較高，在船體線型設(shè)計完成后采用SEAMAN軟件對本船的抗橫風(fēng)能力進(jìn)行了計算分析(見圖7)，以確定目前選定的側(cè)推功率是否滿足要求。計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初步選定的艏側(cè)推功率500 kW只能抵御蒲氏5級風(fēng)。考慮到加注港口的作業(yè)條件(低于蒲式6級風(fēng)可作業(yè))，為確保靠泊作業(yè)安全，將艏側(cè)推功率調(diào)整為700 kW，即LNG加注船的抗橫風(fēng)能力提高到可抵御蒲氏6級風(fēng)。

表1 航向穩(wěn)性性評估結(jié)果

5 結(jié)論

隨著LNG作為燃料在更多船舶上的應(yīng)用，LNG加注船應(yīng)用和發(fā)展空間十分廣闊。本項目通過對線型設(shè)計及優(yōu)化、總布置設(shè)計、船岸兼容性分析、船舶快速性、操縱性和抗橫風(fēng)能力六個大項的研究設(shè)計工作，成功完成某大型LNG加注船的總體設(shè)計。通過該項目，開發(fā)設(shè)計人員充分掌握了GTT MARK III FLEX圍護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的應(yīng)用和對總布置及船舶性能的影響，掌握了2個液貨艙布置和對破損穩(wěn)性的影響，并對LNG加注船抗橫風(fēng)能力開展了初步研究，為加注船的港口靠泊加注模擬提供了數(shù)據(jù)支撐。為后續(xù)LNG加注船的開發(fā)設(shè)計提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗如下：

(1)參數(shù)化建模軟件CAESES和CFD軟件SHIPFLOW相結(jié)合，可以取得很好的線型優(yōu)化效果。

(2)在線型設(shè)計之初利用相關(guān)軟件對船型進(jìn)行操縱性、抗橫風(fēng)能力模擬評估，可以避免在實船試航階段發(fā)現(xiàn)船體性能表現(xiàn)不滿足要求，降低返工。

(3)通過系泊力分析軟件的分析計算可以優(yōu)化布置靠泊墊及系泊纜繩的角度。

圖7 抗橫風(fēng)能力分析結(jié)果