某大型LNG加注船船型总体设计研究

陈晓莹,宋 炜,龙 潺

(沪东中华造船集团有限公司，上海 200129)

0 引言

天然气由于具有热值高、不含硫、燃烧清洁、排放较低等优点而成为绿色环保型船舶的首选燃料。随着LNG作为船用燃料的推广，LNG加注技术也越来越受到国际社会的关注。与岸站—船加注方式和槽车—船加注方式相比，LNG加注船—船加注方式具有机动性好、加注效率高、加注范围广等优点，应用和发展空间十分广阔。

本项目由工业和信息化部《LNG燃料加注船工程化开发》资助。该船型是目前全球最大LNG加注船，也是世界首款应用薄膜型GTT MARK III FLEX型围护系统的LNG加注船,能与该船建造单位承接的22 000箱级集装箱船LNG燃料舱完美对接，为此型集装箱船供应LNG燃料，并能为常规双燃料推进船舶进行加注。在总体开发设计过程中，突破了加注船特有的设计难点，完成了线型设计及优化、总布置设计、船岸兼容性分析、船舶快速性、操纵性和抗横风能力等六个大项的研究工作，并将研究成果应用于产品设计中，有效节约了成本，提升了产品市场竞争力，为后续LNG加注船的总体开发设计提供了极有价值的参考。

1 主尺度选定

主尺度的选择对船舶开发设计非常重要，合理的主尺度是船舶良好设计的基础，会直接影响到总布置、快速性、操纵性等重要性能。

考虑到《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》(简称《IGC CODE》)对于船长大于150 m船舶的破舱特别要求，首先明确总长必须控制在150 m以内，实际总长、船宽和吃水则在权衡货舱舱容和各项技术性要求后最终确定。同时，由于该船设计的服务航速为12 kn，弗劳德数Fr不算高，可选择较小的球艏设计。在满足限制总长的条件下，可以考虑尽量增加两柱间长，这样既可以保证船舶的快速性要求，还可以方便总布置设计。另外，还需考虑围护系统布置的特殊性、液货舱位置和线型设计等要求。

通过与相关专业协商、统筹，确定最终的主尺度如下：

总长

约135.0 m

两柱间长

131.0 m

型宽

24.5 m

型深

16.0 m

设计吃水

6.5 m

服务航速

12.0 kn

加注能力

1 600 m3/h

舱容

约19 000 m3

围护系统

GTT MARK III FLEX

2 总布置设计

由于既要满足规范和法规的要求，又要方便各专业的设计和船厂的生产建造及船员的使用，因此，总布置设计时需要融入新理念和应用新技术。其主要体现如下：

(1)采用GTT MARK III FLEX围护系统，不仅满足LNG加注船无装载限制的要求，而且可以有效降低蒸发率，达到节约成本、提升产品市场竞争力的目的。

(2)采用2个相同液货舱的布置，可以满足舱容和规范的要求，同时又有效降低了成本。

(3)采用2台全回转推进器和1台艏侧推的布置，既提高了推进系统冗余度，保证了船舶安全性，又可使该船拥有良好的操纵性，在旁靠作业、港口操作时不需要拖船的辅助。

“无部分装载限制”是LNG加注船的一个重要指标。该维护系统在可以大面积使用绝缘性能更好的低密度(130 kg/m3)绝缘泡沫板的同时，对受晃荡影响较大区域采用了抗冲击能力更强、密度更高(170 kg/m3)的绝缘泡沫板，并结合强化的主屏蔽层，从而在保证蒸发率0.18%/d的前提下实现了无部分装载限制的设计指标。

目前市场上20 000 m3左右的C型舱LPG船或LNG船通常采用3个液货舱的布置。为了提高经济性，降低成本，缩短生产周期，在满足舱容要求的基础上，本设计采用2个大小相同的液货舱布置方案，见图1。这种布置对破损稳性提出了较高的要求，需要在开发初期寻求破损状态的最危险情况，并选择合理的机舱长度和压载舱长度等参数来满足破损稳性的要求，同时完成NAPA建模及破损稳性的校核，为该设计提供坚实的基础。

图1 2个大小相同液货舱的布置

由于目标受注船的集管区比较靠前，已超出平行中体区域，为保证加注作业时两船旁靠的安全，靠泊垫必须位于边平线内。这就要求该船必须在货舱区域前部布置1个低位集管区专用于LNG加注，同时在舯部布置1个集管区用于接收LNG。

为了保证船舶的安全性，该船的推进系统配备冗余的推进器，包括可用于推进的2台全回转推进器和1台艏侧推，使该船拥有良好的操纵性，在旁靠作业、港口操作时不需要拖船的辅助。由于全回转推进器的应用在该船建造单位尚属首例，在开发初期充分考虑到全回转推进器的安装高度、螺旋桨的浸深、基座的设计及艉部线型的设计等方面，最终确定的全回转推进器布置见图2。

3 船岸兼容性分析

船岸兼容性初步分析主要从船舶主尺度、装卸臂的位置及工作范围(见图3)、靠泊垫的位置、系泊布置及系泊力计算、登船梯的位置及工作范围等方面开展，并结合初步分析结果，从而确定集管区的高度、靠泊区域结构加强和系泊布置。同时，还利用系泊力分析软件OPTIMOOR对该加注船与目标受注船旁靠系泊力进行了分析计算(见图4)，合理布置靠泊垫及系泊缆绳的角度。

图2 全回转推进器的布置(单位:mm)

4 船舶性能研究

4.1 快速性研究

该船选择了2台全回转推进器，摒弃了传统的球艉设计。考虑到由于该船在服务航速下的Fr为0.173、浮心位置较为偏后，以及《IGC CODE》对2个相同液货舱的最小半宽要求，所以在优化时主要考虑艏部兴波阻力的优化[1]。

①—盖特港天然气码头1和码头2；②—盖特港天然气码头3；

图4 系泊力分析软件OPTIMOOR系泊状态分析计算

艏部优化主要集中在球艏的长度、宽度、高度、进水角、水线面形状、艏肩部的过渡区域等。通过参数化建模软件CAESES实现对优化区域的参数控制，并考虑《IGC CODE》对液货舱位置的要求，利用优化算法和CFD软件SHIPFLOW工具寻找并最终确定最佳艏部线型。从优化前后自由面波形分布(见图5)及沿船体波高分布(见图6)对比图可以看出，优化方案的兴波大幅减少，艏部波高明显下降，船身压力分布也更加均匀，优化方案的兴波阻力得到了明显改善。

图5 自由面波形分布图

图6 沿船体波高分布图

全回转推进器系统的艉部设计及优化主要考虑的是在满足推进装置布置等要求下推进效率的优化以及艉肩部线型的优化。通过对推进装置的横向、垂向的位置进行探索，最终确定该装置布置在距离船中位置Y=±6.2 m、距离基线Z=2.6 m处。通过改变艉肩部的形状，调整UV型改变剖面排水体积分布等，最终确定艉部线型，并结合优化后的艏部线型，得到新的方案。经稳性计算及布置方案校核，将其作为最佳优化方案。

根据对最终方案推进功率和油耗的评估，该船EEDI指数约14.255，小于能效指数(EEDI)第三阶段(Phase 3)标准参考值20.057近30%，表明本船的能效非常高，经济性、环保性远大于市场上大多数同类船舶。

4.2 操纵性研究

该船长宽吃水比L/B仅为5.35而宽度吃水比B/T达3.8，决定了其航向稳定性先天不足，所以在线型设计之初就需要考虑航向稳定性。通过研究船舶的运动方程[2]发现，船体水线以下的侧投影面积(中纵剖面面积)向艏、艉两端分布对航向稳定性有利，但艏部面积增大使侧面积中心向前移动，对航向稳定性不利，只有增大艉部面积方可改善稳定性。考虑到建造施工的要求，最终选择在船艉中间部分加装呆木来改善航向稳定性。

虽然IMO MSC137(76)对船舶的航向稳定性要求并不适用于安装有全回转装置的船舶，但船东明确提出本船依然需要满足该规范的要求。因此，如果后期正式模型试验时因操纵性不满足要求而必须重新调整设计方案，则不仅费时费钱，还影响项目进度，所以船型设计完成后采用SEAMAN软件对本船的航向稳定性进行了评估，并根据计算结果对呆木的设计进行了优化。最终呆木设计的航向稳定性特性特征值，即Z型操纵试验结果与IMO要求的比较见表1。从表中结果看出，本船完全满足要求。

4.3 抗横风能力研究

除了快速性和操纵性外，LNG加注船还要评估横向移动能力，以确保在一定的海况下，借助船艉的全回转推进系统及船艏的侧推装置可以实现靠泊作业而不需要拖船的辅助。从收集的国外加注船技术资料来看，在靠泊作业过程中，通常存在艉部的全回转装置的功率富余，但艏侧推的功率常常不够，为避免在以后的靠泊试验中出现问题而再次调整艏侧推功率，同时避免设计余量较大而导致成本较高，在船体线型设计完成后采用SEAMAN软件对本船的抗横风能力进行了计算分析(见图7)，以确定目前选定的侧推功率是否满足要求。计算结果发现，初步选定的艏侧推功率500 kW只能抵御蒲氏5级风。考虑到加注港口的作业条件(低于蒲式6级风可作业)，为确保靠泊作业安全，将艏侧推功率调整为700 kW，即LNG加注船的抗横风能力提高到可抵御蒲氏6级风。

表1 航向稳性性评估结果

5 结论

随着LNG作为燃料在更多船舶上的应用，LNG加注船应用和发展空间十分广阔。本项目通过对线型设计及优化、总布置设计、船岸兼容性分析、船舶快速性、操纵性和抗横风能力六个大项的研究设计工作，成功完成某大型LNG加注船的总体设计。通过该项目，开发设计人员充分掌握了GTT MARK III FLEX围护系统的应用、全回转推进器的应用和对总布置及船舶性能的影响，掌握了2个液货舱布置和对破损稳性的影响，并对LNG加注船抗横风能力开展了初步研究，为加注船的港口靠泊加注模拟提供了数据支撑。为后续LNG加注船的开发设计提供了宝贵的借鉴经验如下：

(1)参数化建模软件CAESES和CFD软件SHIPFLOW相结合，可以取得很好的线型优化效果。

(2)在线型设计之初利用相关软件对船型进行操纵性、抗横风能力模拟评估，可以避免在实船试航阶段发现船体性能表现不满足要求，降低返工。

(3)通过系泊力分析软件的分析计算可以优化布置靠泊垫及系泊缆绳的角度。

图7 抗横风能力分析结果