大型LNG船设计演变轨迹

李 源

1964年世界上首艘LNG运输船问世，在随后的30年时间里，LNG运输船的设计发生了天翻地覆的变化。首先是尺度逐渐增加，并稳定在13万至14.5万m3之间。为取得更加可观的经济效益，从1996年开始，船东和船厂更加青睐装载量更高的LNG船，其装载量几乎翻了一番。今天的LNG船较以前相比，有了更大的发展空间，不仅体现在船型和推进系统上，还体现在设计思路上，这些变化是由船东对运营经济性的要求和技术的进步共同推动的。

船型设计上的变化

变化一：由单桨布置转变为双桨、双尾鳍布置

过去LNG船通常采用单桨布置，但大型LNG船的一个普遍特性是采用双桨、双尾鳍并将轴封闭在船体内。从传统的单桨布置转变成双桨布置的主要原因一方面是为了满足许多港口的吃水限制；另一方面是为了满足使航速达到19.5节的动力需求。采用双桨布置，为设计提供了更多的弹性，以取得最优的螺旋桨转速、直径和螺距，从而最大程度地优化螺旋桨效率。

尽管与尺度相当的单桨船舶相比，双桨船舶的湿表面积略微增大，但双尾鳍船舶在载货容量更高的前提下需要的推进动力更少，同时双尾鳍船舶的重心略微偏后，因此浮心也略微后移。在货舱形状允许的情况下，排水体积的分布有利于减少船舶的兴波阻力。

为了使螺旋桨的进流状况最佳，还可调整螺旋桨轴相对船舶中心线的角度、舵相对船舶中心线的正常“零”角度、螺旋桨的旋转方向以及尾鳍的几何形状，从而进一步提升推进效率。双尾鳍布置的另一个优点是航向稳定性和操纵性更好，尤其在低航速时。如果一组螺旋桨-舵失效，仍拥有足够的冗余，确保船舶安全。

对于大型LNG运输船，采用双尾鳍布置还可显著提升载货效率。单桨船舶在货物装载量较低时更有效率，此时，单位货物所需的推进力小于尺度相当的双尾鳍船舶，相反，在货物装载量大时，双尾鳍船舶会更有效率。

单桨和双尾鳍船舶之间的实际转折点是设计吃水、螺旋桨速度和螺旋桨直径的函数。每型设计转折点的位置不同，但总体而言发生在载货量15万～18万m3之间。可通过尺度和参数分析确定最佳的螺旋桨布置。

图1：单桨船舶和双尾鳍船舶单位货物所需的动力比较

变化二：由瘦长型转变为肥大型

2003年，SSPA在为康菲公司的大型LNG船进行早期尺度和参数分析的过程中对单桨和双尾鳍设计进行了大量的比对，发现增加大型双尾鳍船舶方形系数的同时还能维持甚至减少相同载货量船舶的动力需求。最终该思路带来的是一型更短、更肥大、更节省费用的船型，不同于当时常规的瘦长型LNG船。当时这种看似违反常规的设计思路遭到某些质疑，直到通过船模试验的预测结果得到验证为止。在新的设计思路引导下开发出了双尾鳍Q-Flex型、SuperFlex型和Q-Max型等大型LNG船。

当采用这种更大型、更肥大的LNG船设计时需要注意的是，随着LNG船尺度增加，需要更大的装、卸货设备来适应，并且还需注意进出港的水路是否满足大型船舶的需要。

设计思路上的变化

大型LNG船在设计思路上多从运营角度出发，与以往的设计相比更注重船舶在日常运营状况中的性能。这种运营导向型设计方法分为三个阶段，第一阶段尺度和参数研究，第二阶段船体线型优化，第三阶段详细设计。

第一阶段：尺度和参数研究

船舶设计开始时，最好进行大量的尺度和参数分析以确定适合的船型特征。因此，设计的第一步是基于静水模型试验结果、耐波性模型试验结果、实船试航结果和各类计算的统计数据进行彻底的船舶尺度和参数分析。在该阶段，通常已经知道装载容量、航线和需停靠的港口，并需用这些数据来指导参数和尺度的范围筛选。运用经验、工具和统计来评估范围内的每一种尺度和参数的组合。在设计过程中应考虑以下特性，并将其用作评估标准：装载容量、船长、船宽、吃水限制、航速、振动和噪声限制、操纵性能、对风和波浪的响应、航线上的气候条件和容许的货物晃动。

通常，绝大部分船舶，包括LNG船的设计已取得了最佳的静水性能。然而，船舶不会在静水中操作，航行中总会遭遇风、波浪、水流和涌浪。航行中船舶的阻力很大程度上取决于船舶在波浪中航行的方式，反应的量级直接与船舶的主尺度相关。运营导向型设计和传统设计方法之间的最大区别在于船舶在正常和极端海况下的航行性能成为决定和评估过程中的一个部分。

总体而言，船舶的航行效率可通过三个主要因素来描述：航速、被动减速和主动减速。静水航速仅是简单地应用静水中的设计功率输出计算而来，并作为其他两个因素的基准。被动减速是指风浪阻力带来的失速。主动减速则直接取决于船舶对海况的响应，是为保证船舶、船员和货物安全。

为了将高海况下的主动、被动减速均降至最低，必须在整个设计过程中考虑额外的阻力和船舶运动。初步设计阶段，耐波性分析软件可用于缩小尺度和参数组合的范围。

第二阶段：船体线型优化

设计的第二步是为第一阶段中确定的最有希望的主尺度和参数组合（如：长、宽、吃水、方形系数、螺旋桨数量、希望的货物容量等）开发初步船型。每个初步船型均应有几个“子船型”，比如，可以通过改变球鼻或船首的外形来评估相同参数和尺度组合的不同布置。总的来说，这个过程最初是根据经验建立一个初步船型，然后运用经验和计算流体动力学（CFD）软件进行提炼。

球鼻首是船体线型开发和优化过程中需要考虑的重要方面。一般来说，LNG船一半的运营时间是处于满载航行状态，另一半运营时间则处于压载航行状态。因此球鼻首的优化应尽量适用于压载和满载状态，这样船舶的性能在所有时间都会很好。

船型优化完成后，对每种船型进行模型试验，以评估、比较，并对船型进行微调至最佳性能状态。通常进行阻力和3D伴流试验用来考察螺旋桨的操作环境。对于双尾鳍船舶，还要进行螺旋桨旋转试验，以确定最有效率的螺旋桨旋转方向，同时进行舵角优化试验，以确定舵最佳效率相对船体中心线的“零”角度。

运营导向型设计，重要的一点是比较耐波模型试验。如图2所示，相同的船体，不同的船首形状，航速和风浪下的附加阻力等性能可能差别很大。图2中三种船型性能在三级海况下差不多，四级海况下附加阻力和由此产生的被动减速迅速增加。四级、五级海况间，船型A是三种船型中性能最优的。

三种船型中的唯一区别在于船首形状，也就是球鼻的设计、首柱外形以及船首外飘。与初步设计过程中的耐波性计算不同，观察和比较一种船型在风浪中的性能的唯一方法就是船模试验。完成船模试验后，船型能被进一步优化。如果船模试验结果满意，则进行后继设计。

第三阶段：详细设计

第三步是详细设计和整合，对设计的细节进行考虑，如最终的螺旋桨设计、首侧推隧道布置、舵的类型和面积选择，以及水流修正或节能装置。对上述每个部分都应评估其优缺点，以及对整体设计和全船性能的益处。

水流修正和节能装置是在行业不景气、燃油价格上涨和内部降成本时首先需要考虑的。需要完全知晓设备的潜在优缺点，以此更精确地评估设备的优点并确保优点大于缺点。目前船模试验仍是模拟和量化安装节能设备后的相互作用及优缺点的最好和最精确的方法。另外还要对任何影响螺旋桨前后及螺旋桨上水流的设备进行研究，以确保效率最大化的同时并不会造成额外的振动、噪声或空泡现象，风筒试验经常用于此类研究。

图2：相同船体形状，不同船首的三种船型比较

运营导向型设计的一个关键好处在于了解船型对运营过程中可能遭遇的海况的响应。典型的案例为，海上裕度的一部分是用来抵消由风浪引起的附加阻力，另一部分用来克服累积的船体污底。然而，即使是尺度相当的船舶，实际航速损失曲线差别也很大。如垂线间长275米的船舶在五级海况下航行，可以达到其94%的静水速度，但相同长度的另一艘船，也许仅能达到84%的静水航速。这种情况下，如果船东为第一艘船指定21%的功率裕度（10%用于风浪，8%用于污底，3%用于损耗），装机功率会大于实际需求。相反，如果船东为第二艘船也指定21%的功率裕度，则五级海况下，装机功率会小于实际所需。

通过船模试验能更好地了解船舶在各种海况下的实际速度损失，从而能更合理地选择功率裕度。这对船舶满足EEDI等规则也是大有益处，主机在更有效的功率范围内操作也有助于减少燃油消耗。

在推进系统上的变化

至20世纪90年代，远洋LNG船的推进系统一直采用蒸汽轮机，这是因为当时除了蒸汽轮机没有其他系统可以处理LNG蒸发气。

2003年，能使用柴油或天然气的双燃料柴油机问世，为LNG船提供了新的解决方案。2004年即有采用双燃料柴电（DFDE）推进系统和带有再液化装置的低速柴油机（DRL）的LNG船交付。另外，混合燃气轮机电力推进和蒸汽轮机电力推进已经在研究中，但还没有实船应用。

最近5年交付的LNG船大多为以下尺度：标准LNG船货物容量为13.5万～18万m3，Q-Flex/Q-Max型船的货物容量在20万～27万m3。其中标准型LNG船越来越多地采用双燃料柴电推进系统，已成为标准型LNG船的主流推进方式，平均设计航速为19.4节。Q-Flex/Q-Max型船均采用带再液化装置的低速柴油机推进系统，服务航速19.5节。

LNG船的服务航速高于散货船。船队平均航速为19.5节，该航速能在推进装置、燃料消耗、自然蒸发产生的货损或安装再液化装置增加的功率/燃料消耗间达到很好的平衡。由于LNG终端的限制，大部分18万m3或以下的LNG船最大吃水约11.5米，同时可容纳更大船舶的终端吃水限制在12米。所有标准型LNG船均采用单桨，但Q-Flex/Q-Max型船要达到服务航速需采用双桨配置。

1、蒸汽轮机推进

现有LNG船队中的大部分采用蒸汽轮机。蒸汽轮机的优点是机器本身简单，且容易维护，可靠性已经过证明，能简单而可靠地处理蒸发气，当自然蒸发气不足时还可用重燃油或强制蒸发气来补足，但燃料消耗成本比其他推进方式高。对于Q-Flex/Q-Max型船，由于采用双桨配置，机舱相对较短，但仍需有足够的空间布置冷凝管回收间，因此并排布置蒸汽轮机会有困难，不适于采用蒸汽轮机推进。

典型的蒸汽轮机推进方案为使用2台锅炉，向并联式两级减速齿轮蒸汽轮机提供蒸汽，从而驱动单个螺旋桨。蒸汽同时也被输送到辅机，其中主要的辅机是2台向全船提供电力的涡轮发电机。每台涡轮发电机的容量基于该船的最大电力需求。另外还会再加装一台或两台辅助柴油发电机。

蒸汽轮机在各种推进方式中效率最低。正常情况下，所有自然蒸发气被消耗，同时还需补充重燃油。在低动力需求期间，自然蒸发气在锅炉内燃烧，多余的蒸汽只好排到海水中。

因此，本文通过总结目前医养结合养老服务评价研究的现状，依据系统理论和相关利益者理论，结合采用DEA评价方法，对医养结合服务进行绩效评价模型的设计，并以青岛市养老服务机构为例进行实证分析，提出改进医养结合养老服务的路径，以弥补现有研究的不足，促进医养结合养老服务的新发展。

图3：LNG船蒸汽轮机推进示意图

相比柴油机，蒸汽轮机的NOX排放低，但CO2排放明显偏高。当燃烧自然蒸发气时，SOX的排放极低，但当使用重燃油补充时，SOX的排放视燃油的硫含量而定。

2、双燃料柴电推进（DFDE）

双燃料柴电推进系统可以使用自然蒸发气、船用柴油或重燃油。自然蒸发气从货舱收集，压缩至6bar，再通过双壁管系输送至发动机，还需要少量（约1%）的船用柴油作为引燃燃料。目前最大的双燃料发动机为直列6～9缸，“V”形12～18缸配置，每气缸可产生950～1000KW的功率。发动机数量和气缸配置的选择应使船舶在不同的操作模式下都尽可能地接近最佳负荷。1艘15.5万m3的LNG船通常配有4台主柴油发电机。

图4：LNG船双燃料柴电推进系统示意图

柴油发电机提供推进动力和全船用电。产生的电力通常是6600V，再通过变压器分配至推进控制系统，驱动推进电机或电机组（1台低速电动机或2台中速电动机通过1台单级减速齿轮箱与螺旋桨相连）。另外的电力输送至440V的系统并向辅机和用电设备提供电力。中速电动机更小更轻也更有效率，但需要1台减速齿轮和相关的润滑油和冷却系统。所有已交付或在订的双燃料柴电推进标准型LNG船都是单桨配置。

对标准型LNG船，满载航行时的自然蒸发率与正常海上航行时的所需的燃油量非常接近。当蒸发气不够时，一台或多台发动机可切换至使用燃油。至今为止交付的大部分发动机都是仅能使用气体燃料（不算引燃油），或仅能使用燃油，无法既使用气体燃料又使用燃油。最新的发动机在一个较大的比率范围内能同时使用燃油和气体燃料。

船舶在空载时，或气候状况要求慢速行驶时，蒸发气的量将超过需求。如果一台锅炉用于重燃油的蒸汽加热和其他操作，气体可以在锅炉中消耗掉，多余的蒸汽送至冷凝器再倾倒至海水中。另一种方案为安装一台气体燃烧装置，用来燃烧多余的气体，然后以淡水稀释。

对于DFDE船舶，满载状态几乎全部使用天然气，因此其SOX、CO2和NOX的排放比四冲程柴油机低，但比蒸汽轮机高。

3、带再液化装置的低速柴油机推进（DRL）

低速柴油机几乎是所有大型货船的首选，因为螺旋桨直接与发动机相连，没有传动损失，因此热效率最高，其使用的重燃油是所有燃料中最便宜的。唯一的缺点是较难处理蒸发气。当尺度增加至Q-Flex和Q-Max型时，自然蒸发气的量会明显增加，但仍在再液化装置的处理能力范围内。

图5：带再液化装置的低速柴油机推进系统示意图

目前已有方案考虑对DRL系统进行修正，使用能将压缩天然气喷射至气缸的低速柴油机。喷射天然气柴油机要求将蒸发气压缩至200～300bar，可使用任何比例的油气混合物。目前还没有船舶采用这样的方案。在低速柴油机中燃烧天然气给了运营商很大的操作弹性，可以根据价格水平来选择使用再液化装置还是燃烧蒸发气。考虑到船舶在港及一台再液化装置失效的状况，还需要一台气体燃烧装置或第二台再液化装置作为备用。

Q-Flex和Q-Max型的DRL推进系统通常有两台燃烧重燃油的主机，每台驱动一个定距桨。还配有4～5台使用重燃油的柴油发电机为再液化装置、主货泵和其他船上用电提供电力。21.5万m3的船舶在满载航行状态平均需要6000KW的电力，在压载航行时平均需要5000KW的电力。卸货时不需要进行再液化。当再液化装置无法使用时，则用气体燃烧装置来处理蒸发气。

DRL船的NOX排放高于其他推进装置，SOX排放则视燃油中的硫含量而定，重燃油的硫含量一般高于其他船用燃料。由于大型柴油机的效率高，CO2排放会相对降低，但比燃烧气体的柴油机装置高，因为燃油中的碳含量更高。

低速柴油机已被证明是最可靠最经济的推进方式，同时备件、服务和操作人员也相对更多和更容易获得。DRL装置的最大风险在于再液化装置。船级社的风险鉴定表明该系统的风险和安全等在可接受的范围内。

对以上三种推进方式对比，可以发现，DFDE系统比蒸汽轮机效率更高，DRL系统中的大型两冲程发动机比DFDE系统更高效，但DRL船舶的总效率还应计算电力损失和使用再液化装置的额外燃料消耗。再液化装置所需的功率可以大到使DFDE和DRL的总效率相同。

4、带蒸汽轮机废热回收系统的燃气轮机电力推进

源自于飞机的燃烧MGO的燃气轮机已被用于大型客船和军事领域。开发Q-Flex和Q-Max型LNG船时，发现使用这种推进装置好处很多。由于其使用天然气，因此可处理蒸发气。

目前已经开发了几个概念，但是最适合的方案是单台大型燃气轮机驱动1台36000KW的发电机、1台废热回收蒸汽发电机（HRSG）、1台蒸汽轮机驱动1台11000KW发电机，以及2台中速柴油发电机，每台驱动1台5600KW的发电机。正常状况下，仅燃气轮机、HRSG和蒸汽轮机工作，柴油发电机提供备用和应急动力。与DFDE船舶一样，螺旋桨由变速电动机驱动。燃气轮机位于主甲板上，由气密外壳密封，由两级压缩机通过双壁管道向燃气轮机提供40～46bar的蒸发气。该设计须确保所有气体管线位于主甲板上。产生的电力为11000V，以6600V的电压分配至推进系统。该装置还开发出几种变型，如用一台HRSG代替其中一台柴油发电机，备用于燃烧蒸发气；2台小型燃气轮机，排出的废气送至HSRG和蒸汽轮机中。

燃气轮机船设计为在所有正常操作模式下均使用主燃气轮机和蒸汽涡轮发电机。该装置在所有船舶操作状况下均可燃烧蒸发气。强制蒸发气用于补充自然蒸发气不足的情况。如需要，燃气轮机也可使用MGO。

混合燃气轮机蒸汽涡轮机的热效率高，接近低速柴油机的热效率。当自然蒸发气超过装置的燃料需求时，有几种不同的操作模式。这些情况下多余的气体被送到气体燃烧装置燃烧掉。使用这种燃气轮机的船舶在所有类型推进装置中产生的废气排放最低，SOX排放为零，因为燃气轮机在全负荷条件下效率最高，因此部分负荷下CO2排放相对较高，但仍大大低于蒸汽轮机和DRL船，仅比DFDE船使用气体燃料时略高。由于火焰温度较低，燃气轮机的NOX排放较低，并且通过几种途径还可进一步降低。

使用气体燃料的燃气轮机在船舶上应用的可靠性数据比较有限。大部分船用数据是基于使用燃油的燃气轮机而非气体燃料。另外发动机较老也较小，来源于航空涡轮机，可靠性很高，但不适于大型LNG船。

燃气轮机船舶的操作和维护都不复杂，维护量很小，废气排放最低。主要的缺点是仅有少量规格，对于小于Q-Flex型的船来说太大。