時(shí)光志 虞 瑋

（1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)有限公司，天津300457；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

30 000 m3LNG運(yùn)輸船是國(guó)內(nèi)首艘自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、建造、成功氣試并投入營(yíng)運(yùn)的小型LNG運(yùn)輸船。該船型在國(guó)內(nèi)沒(méi)有設(shè)計(jì)和建造的先例，國(guó)外類似船型的艙容最大也僅做到了15 600 m3。該船設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定主要參考了大型LNG運(yùn)輸船的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并在滿足業(yè)主需求的前提下，保留了較高的冗余量，采用了雙燃料全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)技術(shù)。對(duì)于主營(yíng)業(yè)務(wù)為區(qū)域貿(mào)易的船舶來(lái)說(shuō)，航速指標(biāo)存在優(yōu)化的空間。優(yōu)化的目的旨在進(jìn)一步降低船舶初投資和運(yùn)營(yíng)成本，提升同類船舶的租金優(yōu)勢(shì)，以滿足LNG產(chǎn)業(yè)鏈特別是國(guó)內(nèi)LNG二程轉(zhuǎn)運(yùn)及分銷業(yè)務(wù)未來(lái)發(fā)展需求。

1 航速指標(biāo)的優(yōu)化

對(duì)于任何運(yùn)輸船來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)航速都是一個(gè)重要指標(biāo)。30 000 m3LNG運(yùn)輸船前期航速指標(biāo)的論證過(guò)程比較復(fù)雜，主要考慮滿足國(guó)內(nèi)運(yùn)輸航線的定班運(yùn)輸要求，包括不等距離的多種航線需求；兼顧部分國(guó)際航線，主要是東南亞航線需求；參照了大型LNG運(yùn)輸船隊(duì)航速指標(biāo)的要求；考慮消耗功率與自然蒸發(fā)氣量之間的匹配。

傳統(tǒng)的大型LNG運(yùn)輸船多數(shù)是為特定貿(mào)易項(xiàng)目而建造的，航速要求較高。30 000 m3LNG運(yùn)輸船首制船的航速較多考慮其覆蓋多種航線的能力，航速要求較高，設(shè)定為16.5 kn，并考慮了15%的風(fēng)浪裕度。高航速意味著高機(jī)動(dòng)性，但同時(shí)也帶來(lái)高能耗、高投入及高維護(hù)成本。

如果30 000 m3LNG運(yùn)輸船形成船隊(duì)運(yùn)輸能力后，就沒(méi)有必要每條船均考慮覆蓋所有航線及國(guó)際航線。在以國(guó)內(nèi)LNG轉(zhuǎn)運(yùn)為主的市場(chǎng)前提下，利用好各個(gè)終端的資源，盡量減少長(zhǎng)距離的貨物駁運(yùn)，以減少LNG運(yùn)輸費(fèi)用。因此，航速優(yōu)化的主要思路確定為在不影響船舶操縱性和安全性的前提下，以沿海運(yùn)輸為主的船型，考慮對(duì)船舶航速的要求和風(fēng)浪裕度對(duì)應(yīng)的功率儲(chǔ)備要求適當(dāng)降低。初步考慮總裝機(jī)功率降低10%左右，主推進(jìn)器型號(hào)從AZP150降低至AZP120；航速不低于15.5 kn，風(fēng)浪裕度不小于10%。希望通過(guò)航速指標(biāo)優(yōu)化，并結(jié)合船隊(duì)配置優(yōu)化，在保證船舶的操縱性、靈活性和營(yíng)運(yùn)率不降低的前提下，實(shí)現(xiàn)降低船舶能耗、建造成本、營(yíng)運(yùn)成本和維護(hù)成本的要求。

常規(guī)來(lái)講，船舶的航線越短，其航速對(duì)航次、運(yùn)能的影響越小。根據(jù) 《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》的作業(yè)條件規(guī)定，從安全作業(yè)的角度考慮，LNG船不宜在夜間進(jìn)出港和進(jìn)行靠離泊作業(yè)。LNG船整個(gè)單程航次的時(shí)間應(yīng)包括進(jìn)港引航、系泊、聯(lián)檢、接駁卸料臂、應(yīng)急系統(tǒng)測(cè)試、裝/卸貨、吹掃、脫開卸料臂、聯(lián)檢/辦理手續(xù)、等待離港所需的時(shí)間。該船考慮營(yíng)運(yùn)的國(guó)內(nèi)及部分國(guó)際航線約為200～1 500 n mile，以1 500 n mile為單航程，比較了16.5 kn和15.5 kn航速對(duì)航次、運(yùn)能的影響，如表1～表3所示。

表1 航速為16.5 kn的航次時(shí)間安排

表2 航速為15.5 kn的航次時(shí)間安排

表3 不同航速對(duì)航次影響

由表3可見，航速降低，航行時(shí)間增加，等待時(shí)間減少，整個(gè)往返航次總耗時(shí)不變，對(duì)運(yùn)能沒(méi)有影響。

風(fēng)浪裕度通常是指在相同的航速下，考慮污底和風(fēng)浪的影響所引起的船舶所需有效功率的增加和推進(jìn)性能的下降，航行時(shí)所需主機(jī)功率的增加率。其通常按照船舶的航行區(qū)域或航線、船舶類型、主機(jī)型式和航速高低，由船東或設(shè)計(jì)者確定，一般在0%～25%之間。

中國(guó)海洋石油總公司 （中海油）LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的港口、航線主要分布于渤海、黃海、東海和南海區(qū)域，對(duì)應(yīng)于 《西北太平洋海域的區(qū)塊劃分》的E1/E3/E5/S1/S2/S3區(qū)塊，如圖1所示。

圖1 西北太平洋海域的區(qū)塊劃分

對(duì)該些區(qū)塊內(nèi)的全年有義波高及其出現(xiàn)概率，以及與有義波高對(duì)應(yīng)的最可能波長(zhǎng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表4～表5所示。

由表4可以看出，航行區(qū)域內(nèi)全年約50%的概率出現(xiàn)的平均浪高不超過(guò)1 m，對(duì)應(yīng)蒲氏風(fēng)級(jí)為4級(jí)；全年約80%的概率出現(xiàn)的平均浪高不超過(guò)2 m，對(duì)應(yīng)蒲氏風(fēng)級(jí)為5級(jí)。

表4 全年有義波高統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表5 最可能波長(zhǎng)

由表5可以看出，航行區(qū)域內(nèi)最可能出現(xiàn)的波長(zhǎng)不超過(guò)50 m。通過(guò)對(duì)該船波浪增阻的研究，發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)在 0.4L～0.6L（70～105 m）范圍內(nèi)的波浪對(duì)波浪增阻起主導(dǎo)作用。因此，航行區(qū)域內(nèi)對(duì)波浪增阻起主導(dǎo)作用的波浪出現(xiàn)概率較小。

此外，對(duì)該船在不同有義波高下的波浪增阻進(jìn)行了簡(jiǎn)單評(píng)估，以滿載工況為例，基于切片理論，采用譜分析方法計(jì)算，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同有義波高下的波浪增阻Raw（kN）

根據(jù)該船滿載工況下靜水中的船模試驗(yàn)結(jié)果，15.5～16.5 kn的航速范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的船舶阻力約為464～525 kN。在蒲氏4級(jí)風(fēng)（對(duì)應(yīng)有義波高1 m）的情況下，波浪增阻為10%～12%。因此，對(duì)應(yīng)于蒲氏2～3級(jí)風(fēng)浪情況，可考慮將風(fēng)浪裕度降低為10%。

2 船舶快速性能評(píng)估

2.1 船體線型

30 000 m3LNG運(yùn)輸船的線型是以尺度相近的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)船舶為母型進(jìn)行線型設(shè)計(jì)和CFD計(jì)算優(yōu)化，尤其對(duì)尾部線型、設(shè)計(jì)槳和假舵（HEADBOX）進(jìn)行了專門的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在MARIN水池進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)算和船模試驗(yàn)驗(yàn)證。該船的線型與MARIN數(shù)據(jù)庫(kù)中的相似船型比較，被評(píng)價(jià)為“very good”，在不同航速下的阻力性能都較為優(yōu)秀，如圖3所示。

圖3 航速阻力性能比較（黑點(diǎn)為該船，其他為MARIN數(shù)據(jù)庫(kù)資料）

此外，MARIN的船模試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)也顯示該船在滿載狀態(tài)下，14.5～16.5 kn航速范圍內(nèi)的總阻力系數(shù)基本保持不變，且處于較低水平。因此，從阻力性能的角度講，將航速指標(biāo)從16.5 kn降低為15.5 kn，與該船現(xiàn)有的尺度和線型仍然相當(dāng)匹配，繼續(xù)沿用首制船的尺度和線型是合理可行的。

2.2 尾部推進(jìn)器

30 000 m3LNG運(yùn)輸船采用了2臺(tái)AZIPULL全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置，型號(hào)為AZP150，總推進(jìn)功率為8 000 kW，考慮15%的風(fēng)浪裕度，船模試驗(yàn)和實(shí)船試航的航速均達(dá)到并超過(guò)了16.5 kn。若考慮10%的風(fēng)浪裕度，船舶達(dá)到15.5 kn的服務(wù)航速所需的總推進(jìn)功率可大幅下降。

隨著推進(jìn)功率的降低，為選擇較小規(guī)格的推進(jìn)器提供了一定的可能性。從降低建造成本的角度出發(fā)，可考慮采用2臺(tái)AZP120型號(hào)的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置，對(duì)應(yīng)的航速預(yù)報(bào)如圖4所示。

圖4 航速預(yù)報(bào)（采用AZP120推進(jìn)器）

由圖4可知，AZP120推進(jìn)器的槳徑減小后，推進(jìn)效率有所降低，考慮10%的風(fēng)浪裕度，船舶達(dá)到15.5 kn航速時(shí)所需的總推進(jìn)功率約為6 600 kW。

3 船舶操縱性能評(píng)估

操縱性能良好的運(yùn)輸船應(yīng)具備足夠的航向穩(wěn)定性、中小舵角良好的應(yīng)舵性能、符合要求的大舵角回轉(zhuǎn)性能和適中的主機(jī)停車和主機(jī)逆轉(zhuǎn)的停船性能。對(duì)于新建的具有舵和推進(jìn)器的氣體運(yùn)輸船，操縱性能應(yīng)滿足IMO決議MSC.137（76）的要求。對(duì)于特種操縱器，目前視作為改善操縱性的措施，評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)參照使用。30 000 m3LNG運(yùn)輸船操縱性模型試驗(yàn)的結(jié)果以及實(shí)船試航和換算的結(jié)果，均顯示該船操縱性能優(yōu)良，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足IMO標(biāo)準(zhǔn)的要求，如表6～表7所示。

表6 壓載狀態(tài)Zig-Zag性能和回轉(zhuǎn)性能

表7 滿載狀態(tài)Zig-Zag性能和回轉(zhuǎn)性能

表8 滿載狀態(tài)不同型號(hào)推進(jìn)器模擬計(jì)算結(jié)果

船舶推進(jìn)功率降低，推進(jìn)器規(guī)格減小，對(duì)船舶的操縱性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。如采用AZP120型號(hào)的推進(jìn)器，需要結(jié)合該船的操縱性模型試驗(yàn)和實(shí)船試航的結(jié)果，對(duì)船舶的操縱性能進(jìn)行評(píng)估，以確定其是否仍能滿足IMO標(biāo)準(zhǔn)的要求和業(yè)主的操作使用要求。對(duì)AZP150和AZP120兩種推進(jìn)器分別進(jìn)行了模擬計(jì)算評(píng)估，如表8所示。

由表8可以看出，AZP150推進(jìn)器的模擬計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)的預(yù)報(bào)結(jié)果還是存在一些差異，但可以定性的加以分析。推進(jìn)功率降低和推進(jìn)器規(guī)格減小，船舶的偏航校正和航向保持能力有所減弱，應(yīng)舵性能有所下降；船舶回轉(zhuǎn)性能變化不大。如采用AZP120推進(jìn)器，除了Zig-Zag10/10性能中第2超越角指標(biāo)超過(guò)了IMO的要求值外，其他操縱性能指標(biāo)均能滿足IMO標(biāo)準(zhǔn)的要求。

當(dāng)然，實(shí)船試航的操縱性試驗(yàn)與模型試驗(yàn)的結(jié)果也同樣存在差異。針對(duì)Zig-Zag10/10性能中第2超越角指標(biāo)，表6中AZP150推進(jìn)器的實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果約為模型試驗(yàn)結(jié)果的70%；表8中AZP150推進(jìn)器的模型試驗(yàn)結(jié)果約為模擬計(jì)算結(jié)果的74%。也就是說(shuō)，實(shí)船試航結(jié)果遠(yuǎn)小于模擬計(jì)算的結(jié)果。如按等比誤差換算，采用AZP120推進(jìn)器，雖然預(yù)報(bào)結(jié)果略有超過(guò)IMO標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)船仍有可能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。針對(duì)回轉(zhuǎn)性能，實(shí)船試航結(jié)果大于試驗(yàn)和計(jì)算的結(jié)果，其原因歸咎于AZP推進(jìn)器的大舵角保護(hù)功能。推進(jìn)功率和航速指標(biāo)降低，有利于對(duì)船舶回轉(zhuǎn)性能的改善。

總的來(lái)講，該船的功率和航速降低后，從保證船舶操縱性和靈活性不降低的角度出發(fā)，可考慮仍然采用AZP150型號(hào)的推進(jìn)器；如考慮降低成本采用AZP120型號(hào)的推進(jìn)器，可通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行操縱性預(yù)報(bào)，同時(shí)結(jié)合該船實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的操船情況，來(lái)確定AZP120推進(jìn)器是否能夠滿足船舶的使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在不改變推進(jìn)方式進(jìn)行優(yōu)化前提下，將推進(jìn)功率降低至6 600 kW，采用2臺(tái)Azipull推進(jìn)器，考慮10%風(fēng)浪裕度，預(yù)計(jì)能達(dá)到15.5 kn的服務(wù)航速。由此，裝機(jī)功率減少1 800 kW，建造成本降低；推進(jìn)用燃油耗量減少約7.35 t，船舶能耗降低，營(yíng)運(yùn)成本也相應(yīng)降低。結(jié)合首制船實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的操船情況，來(lái)確定其是否能夠滿足船舶的使用要求。

基于不同優(yōu)化的目的和方向，可有不同航速優(yōu)化的方法和思路。本文僅從其中的一個(gè)角度對(duì)30 000 m3LNG運(yùn)輸船的航速指標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行了論述，為后續(xù)解決類似的問(wèn)題提供思路和參考。