某大型LNG加注船船型總體設計研究

陳曉瑩,宋 煒,龍 潺

(滬東中華造船集團有限公司，上海 200129)

0 引言

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

本項目由工業和信息化部《LNG燃料加注船工程化開發》資助。該船型是目前全球最大LNG加注船，也是世界首款應用薄膜型GTT MARK III FLEX型圍護系統的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LNG燃料，并能為常規雙燃料推進船舶進行加注。在總體開發設計過程中，突破了加注船特有的設計難點，完成了線型設計及優化、總布置設計、船岸兼容性分析、船舶快速性、操縱性和抗橫風能力等六個大項的研究工作，并將研究成果應用于產品設計中，有效節約了成本，提升了產品市場競爭力，為后續LNG加注船的總體開發設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設計非常重要，合理的主尺度是船舶良好設計的基礎，會直接影響到總布置、快速性、操縱性等重要性能。

考慮到《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》(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，實際總長、船寬和吃水則在權衡貨艙艙容和各項技術性要求后最終確定。同時，由于該船設計的服務航速為12 kn，弗勞德數Fr不算高，可選擇較小的球艏設計。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計。另外，還需考慮圍護系統布置的特殊性、液貨艙位置和線型設計等要求。

通過與相關專業協商、統籌，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

設計吃水

6.5 m

服務航速

12.0 kn

加注能力

1 600 m3/h

艙容

約19 000 m3

圍護系統

GTT MARK III FLEX

2 總布置設計

由于既要滿足規范和法規的要求，又要方便各專業的設計和船廠的生產建造及船員的使用，因此，總布置設計時需要融入新理念和應用新技術。其主要體現如下：

(1)采用GTT MARK III FLEX圍護系統，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率，達到節約成本、提升產品市場競爭力的目的。

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

(3)采用2臺全回轉推進器和1臺艏側推的布置，既提高了推進系統冗余度，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、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。該維護系統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域采用了抗沖擊能力更強、密度更高(170 kg/m3)的絕緣泡沫板，并結合強化的主屏蔽層，從而在保證蒸發率0.18%/d的前提下實現了無部分裝載限制的設計指標。

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。為了提高經濟性，降低成本，縮短生產周期，在滿足艙容要求的基礎上，本設計采用2個大小相同的液貨艙布置方案，見圖1。這種布置對破損穩性提出了較高的要求，需要在開發初期尋求破損狀態的最危險情況，并選擇合理的機艙長度和壓載艙長度等參數來滿足破損穩性的要求，同時完成NAPA建模及破損穩性的校核，為該設計提供堅實的基礎。

圖1 2個大小相同液貨艙的布置

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

為了保證船舶的安全性，該船的推進系統配備冗余的推進器，包括可用于推進的2臺全回轉推進器和1臺艏側推，使該船擁有良好的操縱性，在旁靠作業、港口操作時不需要拖船的輔助。由于全回轉推進器的應用在該船建造單位尚屬首例，在開發初期充分考慮到全回轉推進器的安裝高度、螺旋槳的浸深、基座的設計及艉部線型的設計等方面，最終確定的全回轉推進器布置見圖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，并結合初步分析結果，從而確定集管區的高度、靠泊區域結構加強和系泊布置。同時，還利用系泊力分析軟件OPTIMOOR對該加注船與目標受注船旁靠系泊力進行了分析計算(見圖4)，合理布置靠泊墊及系泊纜繩的角度。

圖2 全回轉推進器的布置(單位:mm)

4 船舶性能研究

4.1 快速性研究

該船選擇了2臺全回轉推進器，摒棄了傳統的球艉設計。考慮到由于該船在服務航速下的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，所以在優化時主要考慮艏部興波阻力的優化[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系泊狀態分析計算

艏部優化主要集中在球艏的長度、寬度、高度、進水角、水線面形狀、艏肩部的過渡區域等。通過參數化建模軟件CAESES實現對優化區域的參數控制，并考慮《IGC CODE》對液貨艙位置的要求，利用優化算法和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

全回轉推進器系統的艉部設計及優化主要考慮的是在滿足推進裝置布置等要求下推進效率的優化以及艉肩部線型的優化。通過對推進裝置的橫向、垂向的位置進行探索，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，調整UV型改變剖面排水體積分布等，最終確定艉部線型，并結合優化后的艏部線型，得到新的方案。經穩性計算及布置方案校核，將其作為最佳優化方案。

根據對最終方案推進功率和油耗的評估，該船EEDI指數約14.255，小于能效指數(EEDI)第三階段(Phase 3)標準參考值20.057近30%，表明本船的能效非常高，經濟性、環保性遠大于市場上大多數同類船舶。

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3.8，決定了其航向穩定性先天不足，所以在線型設計之初就需要考慮航向穩定性。通過研究船舶的運動方程[2]發現，船體水線以下的側投影面積(中縱剖面面積)向艏、艉兩端分布對航向穩定性有利，但艏部面積增大使側面積中心向前移動，對航向穩定性不利，只有增大艉部面積方可改善穩定性。考慮到建造施工的要求，最終選擇在船艉中間部分加裝呆木來改善航向穩定性。

雖然IMO MSC137(76)對船舶的航向穩定性要求并不適用于安裝有全回轉裝置的船舶，但船東明確提出本船依然需要滿足該規范的要求。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整設計方案，則不僅費時費錢，還影響項目進度，所以船型設計完成后采用SEAMAN軟件對本船的航向穩定性進行了評估，并根據計算結果對呆木的設計進行了優化。最終呆木設計的航向穩定性特性特征值，即Z型操縱試驗結果與IMO要求的比較見表1。從表中結果看出，本船完全滿足要求。

4.3 抗橫風能力研究

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，借助船艉的全回轉推進系統及船艏的側推裝置可以實現靠泊作業而不需要拖船的輔助。從收集的國外加注船技術資料來看，在靠泊作業過程中，通常存在艉部的全回轉裝置的功率富余，但艏側推的功率常常不夠，為避免在以后的靠泊試驗中出現問題而再次調整艏側推功率，同時避免設計余量較大而導致成本較高，在船體線型設計完成后采用SEAMAN軟件對本船的抗橫風能力進行了計算分析(見圖7)，以確定目前選定的側推功率是否滿足要求。計算結果發現，初步選定的艏側推功率500 kW只能抵御蒲氏5級風。考慮到加注港口的作業條件(低于蒲式6級風可作業)，為確保靠泊作業安全，將艏側推功率調整為700 kW，即LNG加注船的抗橫風能力提高到可抵御蒲氏6級風。

表1 航向穩性性評估結果

5 結論

隨著LNG作為燃料在更多船舶上的應用，LNG加注船應用和發展空間十分廣闊。本項目通過對線型設計及優化、總布置設計、船岸兼容性分析、船舶快速性、操縱性和抗橫風能力六個大項的研究設計工作，成功完成某大型LNG加注船的總體設計。通過該項目，開發設計人員充分掌握了GTT MARK III FLEX圍護系統的應用、全回轉推進器的應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性的影響，并對LNG加注船抗橫風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據支撐。為后續LNG加注船的開發設計提供了寶貴的借鑒經驗如下：

(1)參數化建模軟件CAESES和CFD軟件SHIPFLOW相結合，可以取得很好的線型優化效果。

(2)在線型設計之初利用相關軟件對船型進行操縱性、抗橫風能力模擬評估，可以避免在實船試航階段發現船體性能表現不滿足要求，降低返工。

(3)通過系泊力分析軟件的分析計算可以優化布置靠泊墊及系泊纜繩的角度。

圖7 抗橫風能力分析結果