，，

(湖北海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430043)

目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上已出現(xiàn)14 000、28 000、30 000 m3等規(guī)模的小型LNG運(yùn)輸船，均采用C型艙。近年來(lái)，薄膜型液貨維護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)成為新造大型LNG運(yùn)輸船的主流技術(shù)，且在國(guó)外已有小型LNG船舶成功應(yīng)用的案例，而國(guó)內(nèi)尚無(wú)小型薄膜LNG運(yùn)輸船的實(shí)船應(yīng)用。為此，考慮結(jié)合薄膜型液貨維護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式和特點(diǎn)，探討小型薄膜LNG運(yùn)輸船主尺度選擇、型線(xiàn)設(shè)計(jì)、液貨艙設(shè)計(jì)、雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)等總體設(shè)計(jì)技術(shù)，為此類(lèi)船舶設(shè)計(jì)提供參考。

1 薄膜型液貨維護(hù)系統(tǒng)基本型式

薄膜型液貨維護(hù)系統(tǒng)是法國(guó)GTT公司的專(zhuān)利技術(shù)，早在1964年，即成功應(yīng)用于實(shí)船上。迄今為止，該專(zhuān)利技術(shù)已成功應(yīng)用于400余艘大型LNG運(yùn)輸船，在大型LNG運(yùn)輸船船市場(chǎng)占有率超過(guò)80%，是大型LNG運(yùn)輸船上應(yīng)用最多的液貨維護(hù)系統(tǒng)。

GTT的薄膜型液貨維護(hù)系統(tǒng)主要包括NO96型和MKⅢ型兩種基本型式，并衍生出相關(guān)改進(jìn)型，如NO96 GW、NO96 L03、NO96 L03+、NO96 MAX、MKⅢ Flex等[1]。

NO96貨物維護(hù)系統(tǒng)由液貨艙的10個(gè)面構(gòu)成。每個(gè)面由主次兩層屏蔽層構(gòu)成，每個(gè)屏蔽層都由殷瓦合金薄膜及填充有珍珠巖或剛性絕緣的絕緣箱組成，見(jiàn)圖1。液貨艙兩個(gè)面交界處由殷瓦管或復(fù)合梁連接，三個(gè)面的交界處由三面體連接。每個(gè)液貨艙的屏蔽層使用了殷瓦板、不銹鋼板條、絕緣箱、三面體、殷瓦管、剛性和柔性絕緣材料、連接螺栓、溫度感應(yīng)器等零件組成。

MKⅢ型貨物維護(hù)系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)主屏蔽為帶有縱橫方向槽型的1.2 mm不銹鋼板(304L)，次屏蔽為兩層玻璃纖維布及一層鋁箔的三合一片材，其典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

為保證液貨艙安全，傳統(tǒng)大型薄膜LNG船對(duì)貨艙的裝載液位高度有嚴(yán)格的限制，LNG裝載的上限不低于貨艙凈高H的70%，裝載的下限不高于貨艙凈高H的10%。而對(duì)于小型薄膜LNG運(yùn)輸船，隨著技術(shù)不斷改進(jìn)，為適應(yīng)更靈活的營(yíng)運(yùn)需求，則不存在此限制條件。

2 總體設(shè)計(jì)

以16 500 m3薄膜型LNG運(yùn)輸船為研究對(duì)象。該型LNG運(yùn)輸船在國(guó)內(nèi)沿海、沿江以及東南亞等地區(qū)均有良好的市場(chǎng)需求。

目前市場(chǎng)上小型薄膜LNG運(yùn)輸船數(shù)量非常有限，缺乏相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因此，其主尺度的確定要以主要參數(shù)選擇的基本原則為基礎(chǔ)，綜合考慮航速、機(jī)器布置、液貨艙設(shè)計(jì)、碼頭尺度、吃水限制、規(guī)范要求等多方面限制條件，制定滿(mǎn)足要求的設(shè)計(jì)方案。

對(duì)薄膜型LNG運(yùn)輸船來(lái)說(shuō)，LNG液貨艙設(shè)計(jì)是核心工作。LNG貨艙數(shù)量、尺度的確定除了考慮液貨艙本身的設(shè)計(jì)要素外，還需要結(jié)合船舶布置、型線(xiàn)設(shè)計(jì)、分艙及破艙穩(wěn)性等多種因素綜合考慮。在設(shè)計(jì)中既要滿(mǎn)足IGC規(guī)則對(duì)貨艙位置的要求，又要符合GTT許可文件的限制條件。

本船要求液貨艙艙容為16 500 m3，考慮布置2個(gè)相同尺寸的液貨艙，以獲得艙容最大化并簡(jiǎn)化艙型設(shè)計(jì)和建造，單個(gè)液貨艙艙容為8 250 m3。

對(duì)于薄膜型液貨艙而言，較大的型寬可以有效減小液貨艙長(zhǎng)度和深度，從而減小液貨艙所承受的載荷。

確定船舶型深時(shí)，除滿(mǎn)足液貨艙設(shè)計(jì)要求外，還要與LNG裝卸站的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，統(tǒng)籌考慮。

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》(簡(jiǎn)稱(chēng)《IGC規(guī)則》)對(duì)LNG運(yùn)輸船破損假定和液貨艙位置的要求，液貨艙在舷內(nèi)位置應(yīng)在中心線(xiàn)上距船底板型線(xiàn)不小于規(guī)定的垂向破損范圍內(nèi)(B/15或2 m，取小者)，其余任何部位都應(yīng)不小于“d”(本船d=1.13 m)[2]，船舶的型寬和型深選取時(shí)要予以考慮。

為滿(mǎn)足液貨艙設(shè)計(jì)要求，本船的方形系數(shù)要達(dá)到0.78以上，需結(jié)合排水量、船長(zhǎng)、船寬及快速性要求等綜合考慮。

在選擇尺度時(shí)還要考慮是否對(duì)船長(zhǎng)、吃水、凈空高(桅頂距水線(xiàn)距離)等有特殊的限制要求。

綜合考慮各種因素后，確定本船主尺度為

垂線(xiàn)間長(zhǎng)Lpp=126.0 m；型寬B=28.0 m；

型深D=11.7 m；設(shè)計(jì)吃水Td=4.9 m。

一般來(lái)說(shuō)，與采用C型液貨艙的小型LNG船舶相比，小型薄膜LNG運(yùn)輸船船長(zhǎng)更短，型寬、方形系數(shù)更大，吃水要小。

薄膜型LNG船線(xiàn)型受到貨艙形狀的約束，被稱(chēng)之為“帶型值控制點(diǎn)”的線(xiàn)型。本船由于營(yíng)運(yùn)要求，吃水較小，船寬吃水比達(dá)到5.7，為淺吃水船舶，故采用雙槳推進(jìn)[3-4]。

在充分考慮了貨艙區(qū)前后端壁處的線(xiàn)型約束條件的前提下，結(jié)合肥大型淺吃水船型的特點(diǎn)，后體設(shè)計(jì)成雙內(nèi)旋鰭艉線(xiàn)型(見(jiàn)圖3)。雙內(nèi)旋鰭艉線(xiàn)型非常適用于淺吃水環(huán)境，其明顯的優(yōu)勢(shì)是可以采用大徑深比螺旋槳(經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證徑深比可達(dá)1.2)，在吃水受限的情況下，可以有效增大螺旋槳直徑，從而提高推進(jìn)效率，尤其適合具有單向運(yùn)輸特點(diǎn)的LNG運(yùn)輸船在空放狀態(tài)的營(yíng)運(yùn)。

由LNG運(yùn)輸船的特點(diǎn)可知，其在卸貨前后，吃水變化較大，在空放狀態(tài)時(shí)，為保證足夠的螺旋槳吃水，滿(mǎn)足操縱性要求，常常需要大量的壓載水，而采用本船型，可以在空放狀態(tài)下減少甚至取消壓載水，仍能滿(mǎn)足螺旋槳浸沒(méi)要求。

經(jīng)過(guò)型線(xiàn)CFD優(yōu)化，快速性水池試驗(yàn)表明，本船設(shè)計(jì)航速達(dá)到了14.0 kn，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

由于采用雙內(nèi)旋鰭尾，在卸載貨物后，船舶平均吃水比采用常規(guī)船型(軸支架)少1 m左右，即可以減少壓載水約2 800 t，航速為14 kn時(shí)，可以節(jié)能約9.7%，節(jié)能效果明顯，見(jiàn)表1。

表1 2種船型方案空放狀態(tài)對(duì)比

2.1 液貨維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本船采用MKⅢ Flex型圍護(hù)系統(tǒng)。

液貨艙橫剖面的各條邊尺寸是相互關(guān)聯(lián)的，任何一條邊的尺寸變化都會(huì)對(duì)其他邊的尺寸產(chǎn)生影響。選擇各條邊的尺寸時(shí)要考慮到槽型304L不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)尺寸(3 m×1 m)，盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)尺寸的整數(shù)倍，以簡(jiǎn)化建造和采購(gòu)，當(dāng)然根據(jù)設(shè)計(jì)需要也可以采用非整數(shù)倍標(biāo)準(zhǔn)尺寸。MKⅢ Flex絕緣系統(tǒng)基本尺寸和詳細(xì)尺寸見(jiàn)表2、3和圖4。

表2 MKⅢ Flex絕緣系統(tǒng)基本尺寸 mm

表3 MKⅢ Flex絕緣系統(tǒng)詳細(xì)尺寸

計(jì)算得到本設(shè)計(jì)方案蒸發(fā)率為0.185%。蒸發(fā)率的確定為主機(jī)選型和航速確定提供了基礎(chǔ)。

2.2 推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于薄膜型LNG運(yùn)輸船，由于其液貨艙不能承壓，其蒸發(fā)氣一般要供給主機(jī)、輔機(jī)作為燃料，以保持液貨艙始終在安全壓力以下，因此，本船推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還要特別考慮處理航行中產(chǎn)生的蒸發(fā)氣，使得動(dòng)力裝置的選配更加復(fù)雜。如何在航速、主機(jī)選型及蒸發(fā)氣量之間取得平衡，是衡量薄膜型LNG運(yùn)輸船動(dòng)力系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵[5]。

LNG運(yùn)輸船一般都采用雙燃料主機(jī)，既能保證正常營(yíng)運(yùn)情況下的蒸發(fā)氣有效利用，也可為L(zhǎng)NG船在特殊情況下的安全營(yíng)運(yùn)提供更多的安全保障。從實(shí)際使用情況來(lái)看，市場(chǎng)上使用最多的雙燃料主機(jī)主要為MAN和瓦錫蘭公司的產(chǎn)品，而MAN公司主要為低速雙燃料主機(jī)，在大型LNG運(yùn)輸船上使用廣泛；但其中速機(jī)功率覆蓋范圍非常小，可選型號(hào)有限，應(yīng)用較少。而瓦錫蘭公司的中速和高速的雙燃料主機(jī)功率覆蓋范圍非常廣，可選型號(hào)多，在小LNG運(yùn)輸船上應(yīng)用廣泛；其低速機(jī)目前也逐步應(yīng)用于大型LNG運(yùn)輸船上。根據(jù)本船的航速和主機(jī)功率范圍要求，選擇瓦錫蘭公司的雙燃料主機(jī)。不同推進(jìn)方案比較見(jiàn)表4。

表4 不同推進(jìn)方案比較

注：①輔機(jī)暫按1 000 kW計(jì)算，續(xù)航力按3 000 n mile計(jì)算；②計(jì)算工況為85%MCR，15%SM；③方案3為推進(jìn)電機(jī)直接推進(jìn)，采用三臺(tái)發(fā)電機(jī)組8L20DF×3，在航行中為推進(jìn)電機(jī)供電并提供全船日常用電。

1)方案1采用中速機(jī)，由于轉(zhuǎn)速不受限制，螺旋槳槳徑較大，推進(jìn)效率較高，航速較高，但是主機(jī)功率較大，單次航程主機(jī)總的耗氣量遠(yuǎn)大于天然氣蒸發(fā)量，且總量最多，即LNG貨損最多。

2)方案2和方案3航速較低，但耗氣量與其自然蒸發(fā)量基本平衡，基本不需額外強(qiáng)制蒸發(fā)，單個(gè)航程耗氣量較少，即LNG貨損較少。

3)由于方案2為高速機(jī)直接推進(jìn)，螺旋槳轉(zhuǎn)速高，槳徑受限，故其推進(jìn)效率較方案3低；方案3為推進(jìn)電機(jī)直接推進(jìn)，螺旋槳轉(zhuǎn)速不受限制，推進(jìn)效率較高，但其整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)比方案2稍復(fù)雜。

初步確定本船推進(jìn)系統(tǒng)采用方案1，采用雙機(jī)雙槳直接推進(jìn)方案。其推進(jìn)系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖5。

2.3 總布置設(shè)計(jì)

LNG船被用于海上遠(yuǎn)程運(yùn)輸液態(tài)天然氣，其具有貨品單一、航線(xiàn)固定、建造成本大、運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，故在LNG船布置過(guò)程中,保證船舶及人員安全是首要任務(wù)。

本船為雙槳雙舵、雙燃料主機(jī)直接推進(jìn)、無(wú)限航區(qū)的LNG船舶。設(shè)傾斜首柱帶球鼻、內(nèi)旋鰭尾、半懸掛舵；中部為L(zhǎng)NG液貨艙；機(jī)艙、起居處所和駕駛室布置在艉部[6]。

主船體被水密橫艙壁劃分為艏尖艙、艏部燃油艙、液貨艙、機(jī)艙和艉尖艙。

艏尖艙為壓載水艙。除此之外，在艏部另設(shè)有一對(duì)艏?jí)狠d深艙和一對(duì)艏部燃油深艙。貨艙區(qū)分為2個(gè)液貨艙，貨艙之間以及貨艙與艏部燃油艙和機(jī)艙之間都設(shè)有隔離空艙，為了確保艙壁溫度不低于5 ℃以及便于設(shè)備布置和人員進(jìn)出，隔離空艙內(nèi)設(shè)有加熱系統(tǒng)。貨艙區(qū)雙底雙殼作為壓載水艙。專(zhuān)用電機(jī)室和貨物壓縮機(jī)室布置在貨艙區(qū)露天甲板的后部。生活樓布置在尾部的機(jī)艙之上，由于干舷大、帶有凸形甲板、淺吃水等特點(diǎn)，本船設(shè)有4層甲板，以滿(mǎn)足艙室布置需要，并兼顧駕駛室視線(xiàn)要求和船舶過(guò)橋時(shí)凈空高的要求。

2.4 船舶穩(wěn)性校核

LNG運(yùn)輸船完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性需滿(mǎn)足《IGC規(guī)則》的要求。

根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)以下典型運(yùn)營(yíng)工況進(jìn)行了完整穩(wěn)性校核。典型計(jì)算工況如下。

1)空船工況。

2)進(jìn)塢工況。

3)常用壓載工況，出港和到港。

4)設(shè)計(jì)吃水工況，貨艙滿(mǎn)載狀態(tài)(LNG密度取0.46 t/m3)，出港和到港(部分引燃油)。

5)結(jié)構(gòu)吃水工況，貨艙滿(mǎn)載狀態(tài)(LNG密度取0.50 t/m3)，最大油、水裝載，出港和到港。

6)任一貨艙空艙工況，出港和到港。

對(duì)于船舶破艙穩(wěn)性，按照IGC規(guī)則要求假定在其船長(zhǎng)范圍內(nèi)的任何部位任一艙壁均能經(jīng)受破損，但不包括鄰接于尾機(jī)型機(jī)艙邊界壁；結(jié)合典型運(yùn)營(yíng)工況，計(jì)算其破損生存能力；計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

LNG液貨艙是船舶設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中既要滿(mǎn)足《IGC規(guī)則》對(duì)貨艙位置的要求，又要符合GTT許可文件的限制條件。同時(shí)還要結(jié)合船舶快速性、耐波性、分艙及穩(wěn)性要求等綜合考慮設(shè)計(jì)對(duì)船舶主尺度的決定性影響。

小型薄膜LNG運(yùn)輸船推進(jìn)方案的選擇要綜合評(píng)估，除了要滿(mǎn)足主機(jī)功率、航速與天然氣蒸發(fā)量之間的平衡外，還要結(jié)合船東對(duì)貨損、航速、初始投資、推進(jìn)系統(tǒng)維護(hù)等的要求綜合考慮。

[1] 李波，姜得志，田天,等.大型薄膜型LNG船總體設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)造船,2015(1)：161-165.

[2] 中國(guó)船級(jí)社.散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2016.

[3] 宋吉衛(wèi).大型LNG船船型設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)造船,2012(4)：164-170.

[4] 宋吉衛(wèi),陳紅梅.22萬(wàn)m3LNG船雙尾鰭線(xiàn)型設(shè)計(jì)研究[J].船舶,2011(6)：9-13.

[5] 何金平.中小型LNG運(yùn)輸船推進(jìn)系統(tǒng)選型分析[J].船海工程,2014(5)：142-144.

[6] 時(shí)光志,張志軍.某液化天然氣運(yùn)輸船總布置優(yōu)化研究[J].船海工程,2014(5)：155-160.