，，，，

(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452;2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海 201203)

中小型LNG船舶操縱性分析

張榮1，周毅1，趙寅2，鄭坤1，陸晟2

(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452;2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海 201203)

分析“海洋石油301”3萬m3LNG運(yùn)輸船港內(nèi)操縱性，以充分發(fā)揮出其優(yōu)良的操縱能力，在合適的環(huán)境條件下取代拖船輔助，從而縮短靠泊時(shí)間、降低營(yíng)運(yùn)成本，發(fā)揮最佳經(jīng)濟(jì)效益。

中小型LNG船；操縱性；船模試驗(yàn)；實(shí)船試驗(yàn)。

“海洋石油301”3萬m3LNG運(yùn)輸船是國(guó)內(nèi)首建的中小型LNG船，于2015年5月8日交船并投入運(yùn)營(yíng)。該船計(jì)劃運(yùn)營(yíng)海南洋浦到廣西防城航線，整個(gè)航程直線距離僅133 n mile，以服務(wù)航速16.5 kN航行計(jì)，單個(gè)航程僅約8 h。其營(yíng)運(yùn)周期短、頻繁靠離泊碼頭的營(yíng)運(yùn)特點(diǎn)凸顯了中小型LNG船進(jìn)行二程轉(zhuǎn)運(yùn)服務(wù)的典型特點(diǎn)。從目前船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)來看，“海洋石油301”靠離泊碼頭都采用2艘拖船輔助，增加了船舶靠離泊的時(shí)間成本，也增加了租用拖船的經(jīng)濟(jì)成本。為此，對(duì)該船港內(nèi)操縱性進(jìn)行分析，以期提高中小型LNG船的二程轉(zhuǎn)運(yùn)服務(wù)的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。考慮到船舶自主靠離泊[3]的能力和船舶本身特性及其所在港口的環(huán)境條件有密切關(guān)系，以“海洋石油301”在防城港漁澫港區(qū)第5作業(yè)區(qū)501號(hào)泊位區(qū)域環(huán)境下的操縱性為例。

1 “海洋石油301”的主要參數(shù)

1.1 主尺度

總長(zhǎng)/m184.70垂線間長(zhǎng)/m175.00型寬/m28.10型深/m18.70設(shè)計(jì)吃水/m7.40

1.2 推進(jìn)方案

本船配置2臺(tái)全回轉(zhuǎn)式電力推進(jìn)裝置[4]和1臺(tái)艏側(cè)推[5]，艉推進(jìn)器可在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。產(chǎn)生的船舶回旋力矩比常規(guī)推進(jìn)的轉(zhuǎn)舵力矩大得多。不僅回轉(zhuǎn)半徑減少，回轉(zhuǎn)的時(shí)間也大大縮短，而且不受低船速下舵效減弱的影響。在2臺(tái)全回轉(zhuǎn)式電力推進(jìn)裝置和艏側(cè)推的聯(lián)合作用下可以實(shí)現(xiàn)在零航速狀態(tài)下的原地回轉(zhuǎn)。

3臺(tái)推進(jìn)器布置見圖1，其他參數(shù)見表1。

圖1 推進(jìn)器布置示意

1.3 主推進(jìn)器工作模式和轉(zhuǎn)換步驟

1)推進(jìn)操作模式。航速高于10 kn的時(shí)候，主推進(jìn)器處于推進(jìn)操作模式下，轉(zhuǎn)向范圍限制在±35°以內(nèi)。

2)操縱模式。航速低于10 kn時(shí)，處于操縱模式下，主推進(jìn)器可在360°范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)向，2臺(tái)主推進(jìn)器的推進(jìn)功率和轉(zhuǎn)向角可以分別控制。

3)緊急制動(dòng)下的模式轉(zhuǎn)換。航速高于10 kn的狀態(tài)下，需要進(jìn)行緊急制動(dòng)，需要按圖2的步驟進(jìn)行，步驟1需要在航速降低到10 kn以下后轉(zhuǎn)入步驟2、3。

2 “海洋石油301”的操縱特點(diǎn)

“海洋石油301”功率大，排水量相對(duì)較小。按功率與排水量之比，約3.5 t/kW。而同噸位的油船則達(dá)到4.5 t/kW以上,意味著該船相比同噸位液貨船有著更強(qiáng)的動(dòng)力。該船相比于常規(guī)的LNG船舶也有著其特有的操縱特點(diǎn)。

1)舵效好，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器結(jié)合首側(cè)推，在零航速下具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)向能力，無須考慮舵效問題。

表1 推進(jìn)器的配置

圖2 推進(jìn)器模式轉(zhuǎn)換步驟示意

2)用車反應(yīng)速度迅速，電力推進(jìn)系統(tǒng)決定了用車反應(yīng)速度迅速的特點(diǎn)，可以根據(jù)操控需要及時(shí)調(diào)整用車。

3)制動(dòng)性能良好，可以在較短的距離內(nèi)停船。

4)自有的動(dòng)力推進(jìn)，在緊急情況下，能夠迅速自行離開碼頭，不需要外部支持。

由此可見“海洋石油301”相比常規(guī)的LNG船舶操控操控性更好[6]，為實(shí)現(xiàn)自主靠離泊能力提供了條件。

3 “海洋石油301”的靠離泊過程

501泊位為L(zhǎng)NG船專用泊位，考慮當(dāng)?shù)仫L(fēng)況的季風(fēng)特點(diǎn)，有利于船舶靠離泊安全操作，西南季風(fēng)時(shí)采用掉頭靠泊，而東北季風(fēng)時(shí)也可采用直接靠泊方式，從應(yīng)急離港而言，靠泊船舶船艏朝向便于出港的方向，以利于應(yīng)急離港操作，進(jìn)港船舶宜采用掉頭右舷靠泊。

船舶靠泊掉頭操作中，當(dāng)本船抵達(dá)回旋水域時(shí)，控制船速2 kn節(jié)以下，根據(jù)風(fēng)向擺正船位略微偏向上風(fēng)，使用自身推進(jìn)系統(tǒng)掉頭。到達(dá)泊位外檔3～4 倍船寬時(shí)將船擺正，利用風(fēng)力和推進(jìn)系統(tǒng)的推力使船舶平行入泊。同時(shí)不斷調(diào)整艏尾各推進(jìn)器推力，使船艏向達(dá)到192°(平行于碼頭)，左右偏差不超過2°，如交角過大，應(yīng)將船停住把船調(diào)至與泊位平行。過程參見圖3。

圖3 靠泊掉頭入港示意

船舶離泊出港時(shí)，根據(jù)風(fēng)向調(diào)整艏側(cè)推的推力及主推進(jìn)器的推力和推力方向，利用風(fēng)力和推進(jìn)系統(tǒng)的推力使船舶平行出泊，使用船舶自身推進(jìn)系統(tǒng)調(diào)整船位及姿態(tài)，船舶至碼頭前沿水域外距離泊位一定安全距離(根據(jù)風(fēng)力、風(fēng)向確定)時(shí)，艏側(cè)推和主推進(jìn)器聯(lián)合作用，使船移向回旋水域并向左轉(zhuǎn)艏，并用主推進(jìn)器控制避免過量的前沖后縮，在回旋水域中心附近擺正船位后加車提速，進(jìn)入航道前船速提高到4 kn以上，快車出港。

4 操縱能力船模試驗(yàn)

LNG船的操縱性能對(duì)其航行和靠泊期間的安全性具有非常重要的影響，因此，上海船舶研究設(shè)計(jì)院海洋工程部委托上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所對(duì)“海洋石油301”進(jìn)行了自航船模操縱性試驗(yàn)[7]。為了使試驗(yàn)結(jié)果可以和實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以比對(duì)，在設(shè)計(jì)吃水工況的狀態(tài)以外加做了在試航吃水工況下的船模操縱性試驗(yàn)。

對(duì)船模操縱性能的研究包括以下內(nèi)容：①設(shè)計(jì)吃水下操縱性試驗(yàn)；②設(shè)計(jì)吃水下低速操縱性試驗(yàn)；③試航吃水下操縱性試驗(yàn)；④試航吃水下低速操縱性試驗(yàn)。

試驗(yàn)在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的航海安全水池[8]和風(fēng)浪流水池進(jìn)行，包括回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、Z形試驗(yàn)、全速倒車停船試驗(yàn)和慣性停船試驗(yàn)在內(nèi)的常規(guī)操縱性試驗(yàn)和包含平移試驗(yàn)、斜移試驗(yàn)和加速回轉(zhuǎn)試驗(yàn)在內(nèi)的低速操縱性試驗(yàn)，以期對(duì)“海洋石油301” 的操縱性能比較全面地做出一個(gè)預(yù)估[9]。見圖4。

圖4 操縱性試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃退卮２倏v性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4.1 常規(guī)操縱性船模試驗(yàn)

4.1.1 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

裝置在航行狀態(tài)下可進(jìn)行±35°轉(zhuǎn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)吃水7.4 m，設(shè)計(jì)航速16.83 kn狀態(tài)和試航艏艉吃水5.625 m/7.026 m，試航航速17.38 kn狀態(tài)分別進(jìn)行回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

說明：D/L為相對(duì)定?；剞D(zhuǎn)直徑；DT/L為相對(duì)戰(zhàn)術(shù)直徑；Ad/L為相對(duì)縱距。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用回轉(zhuǎn)式推進(jìn)裝置的船舶的回轉(zhuǎn)能力遠(yuǎn)高于IMO的要求。

4.1.2 Z形航行試驗(yàn)

在設(shè)計(jì)吃水7.4 m，設(shè)計(jì)航速16.83 kn狀態(tài)和試航艏/艉吃水5.625 m /7.026 m，試航航速17.38 kn狀態(tài)分別進(jìn)行了Z形操縱試驗(yàn)，結(jié)果見表3、4。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用回轉(zhuǎn)式推進(jìn)裝置的船舶的初始回轉(zhuǎn)能力和偏航糾正及航向穩(wěn)定能力遠(yuǎn)高于IMO的要求。

表3 設(shè)計(jì)吃水下Z形操縱試驗(yàn)

表4 試航吃水下Z形操縱試驗(yàn)

注：Az＇為初始回轉(zhuǎn)能力；θov10-1為10°/10°Z形試驗(yàn)第1超越角；θov10-2為10°/10°Z形試驗(yàn)第2超越角；θov20-1為20°/20°Z形試驗(yàn)第1超越角。

4.1.3 全速倒車停船試驗(yàn)

由于本船使用的是全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，倒車時(shí)螺旋槳不倒轉(zhuǎn)而是將推進(jìn)器水下部分回轉(zhuǎn)180°，但根據(jù)1.3所述，推進(jìn)器水下部分回轉(zhuǎn)180°需要在船舶航速小于10 kn后才可以執(zhí)行操作，因此，全速倒車停船事實(shí)上分2個(gè)階段，停車慣性減速和推進(jìn)器水下部分回轉(zhuǎn)180°，全速倒車停船，過程見圖5、表5?！昂Ｑ笫?01”的停船能力明顯高于IMO標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖5 全速倒車停船軌跡

表5 全速倒車急停試驗(yàn)

注：從停車指令到倒車指令間隔時(shí)間相當(dāng)于實(shí)船尺度的150 s。

4.1.4 慣性停船試驗(yàn)

表6 慣性停船試驗(yàn)

注：終結(jié)淌航速度小于實(shí)船尺度下的5 kn速度。

4.2 低速下特殊操縱性船模試驗(yàn)

4.2.1 橫移運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

一臺(tái)艉推橫向作用與艏側(cè)推聯(lián)合作用，首側(cè)推以全功率工作狀態(tài)下的橫移運(yùn)動(dòng)。右槳右轉(zhuǎn)90°(左舵)低速正車，左槳0°停車，艏側(cè)推最大轉(zhuǎn)速推船右移?？刂朴覙D(zhuǎn)速使船舶向右舷平行橫移。見圖6。

圖6 橫移運(yùn)動(dòng)示意

模型實(shí)測(cè)和實(shí)船推算的運(yùn)動(dòng)結(jié)果見表7、8。

4.2.2 斜移運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

在一臺(tái)艉推橫向作用、另一臺(tái)尾推以60°方向作用與艏側(cè)推聯(lián)合作用下，艏側(cè)推以全功率工作的橫移運(yùn)動(dòng)，見圖7。

表7 設(shè)計(jì)吃水橫移運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

表8 試航吃水橫移運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

圖7 斜移運(yùn)動(dòng)

模型實(shí)測(cè)和實(shí)船推算的運(yùn)動(dòng)結(jié)果見表9、10。

表9 設(shè)計(jì)吃水斜移運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

表10 試航吃水斜移運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

4.2.3 加速回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

在1臺(tái)艉推橫向作用，艏側(cè)推參與/不參與工作的狀態(tài)下的加速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)情況，見圖8。

圖8 加速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

模型實(shí)測(cè)和實(shí)船推算的運(yùn)動(dòng)結(jié)果見表11。

5 “海洋石油301”操縱能力實(shí)船試驗(yàn)

“海洋石油301”海上試航壓載工況為艏吃水5.72 m，艉吃水7.04 m。對(duì)常規(guī)操縱性和低速操縱性進(jìn)行測(cè)量。

表11 設(shè)計(jì)吃水加速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

表12 試航吃水加速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

5.1 實(shí)船常規(guī)操縱性試驗(yàn)

5.1.1 壓載工況12.6 kn航速下回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

4級(jí)海況，水深73 m，試驗(yàn)結(jié)果見表13。

表13 12.6 kn的航速回轉(zhuǎn)航行試驗(yàn)結(jié)果

注：D/L：相對(duì)定?；剞D(zhuǎn)直徑；DT/L：相對(duì)戰(zhàn)術(shù)直徑；Ad/L：相對(duì)縱距。

5.1.2 壓載工況16.7 kn航速下Z形航行試驗(yàn)

表14 16.5～17.0 kn的航速Z形航行試驗(yàn)

說明：Az′為初始回轉(zhuǎn)能力；θov10-1為10°/10° Z形試驗(yàn)第1超越角；θov10-2為10°/10° Z形試驗(yàn)第2超越角；θov20-1為20°/20° Z形試驗(yàn)第1超越角。

5.1.3 壓載工況,16.8 kn航速下全速倒車停船試驗(yàn)

3級(jí)海況，相對(duì)風(fēng)向-68°，相對(duì)風(fēng)速22 kn，推進(jìn)器角度轉(zhuǎn)到-180°后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在～112 r/min。試驗(yàn)結(jié)果見表15。

表15 全速倒車急停試驗(yàn)

5.1.4 壓載工況16.1 kn航速下慣性停船試驗(yàn)

4級(jí)海況，相對(duì)風(fēng)向-20°，相對(duì)風(fēng)速37.7 kn慣性停船試驗(yàn),結(jié)果見表16。

表16 慣性停船試驗(yàn)

注：終結(jié)淌航速度小于實(shí)船尺度下的5 kn速度。

5.2 實(shí)船低速下操縱性試驗(yàn)

5.2.1 實(shí)船橫移運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

在一臺(tái)艉推與艏側(cè)推聯(lián)合作用下，艏側(cè)推以全功率工作狀態(tài)下的橫移運(yùn)動(dòng)。右槳右轉(zhuǎn)90°(左舵)低速正車103 r/min，左槳0°停車，首側(cè)推最大轉(zhuǎn)速推船右移?？刂朴覙D(zhuǎn)速使船舶向右舷橫移。

在5級(jí)海況(浪高2.5～4.0 m，風(fēng)7～8級(jí))下,測(cè)量的實(shí)船運(yùn)動(dòng)結(jié)果見表17。

表17 實(shí)船橫移運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

5.2.2 加速回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

在5級(jí)海況，水深75.7 m下，一臺(tái)艉推橫向作用，艏側(cè)推參與/不參與工作的狀態(tài)下的加速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。實(shí)船測(cè)量的運(yùn)動(dòng)結(jié)果見表18。

表18 加速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

“海洋石油301”的常規(guī)操縱能力全面明顯優(yōu)于IMO標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的操縱性、航向穩(wěn)定性和停船能力。同時(shí)具有良好的低速操縱性，可以在無外力協(xié)助的情況下完成掉頭、橫移、斜移的動(dòng)作，具有常規(guī)船舶不具備的低速操縱性能。為實(shí)現(xiàn)自主靠離泊作業(yè)提供了可能性。

對(duì)于中小型LNG運(yùn)輸船，考慮到其運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，需要在推進(jìn)方案選擇上考慮自力靠離泊能力，在允許自力靠離泊的前提下，需要評(píng)估推進(jìn)方案的初投資和后期運(yùn)營(yíng)成本。

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Research of Maneuvering Performance for Middle/small Scale LNG Carrier

ZHANGRong1,ZHOUYi1,ZHAOYin2,ZHENGKun1,LUSheng2

(1.CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300452, China;2.Shanghai Merchant Ship Design & Research Institute, Shanghai 201203, China)

The maneuvering performance of 300 000 m3 LNG carrier for HYSY 301 within the port was researched in order to give full play to its good manipulative ability. It could be concluded that under suitable condition of environment it can replace tug auxiliary to reduce the operating cost, shorten the berthing time and play the best economic benefit.

middle/small scale LNG carrier; maneuvering; model test; full-scale ship test

U661.33

A

1671-7953(2017)05-0017-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.006

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

張榮(1979—)，男，學(xué)士，工程師

研究方向：液化天然氣(LNG)水上運(yùn)輸技術(shù)