30 000 m3LNG运输船航速指标优化

时光志 虞 玮

（1.中海油能源发展采油服务有限公司，天津300457；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

30 000 m3LNG运输船是国内首艘自主研发、设计、建造、成功气试并投入营运的小型LNG运输船。该船型在国内没有设计和建造的先例，国外类似船型的舱容最大也仅做到了15 600 m3。该船设计指标的确定主要参考了大型LNG运输船的统计数据，并在满足业主需求的前提下，保留了较高的冗余量，采用了双燃料全回转电力推进技术。对于主营业务为区域贸易的船舶来说，航速指标存在优化的空间。优化的目的旨在进一步降低船舶初投资和运营成本，提升同类船舶的租金优势，以满足LNG产业链特别是国内LNG二程转运及分销业务未来发展需求。

1 航速指标的优化

对于任何运输船来说，设计航速都是一个重要指标。30 000 m3LNG运输船前期航速指标的论证过程比较复杂，主要考虑满足国内运输航线的定班运输要求，包括不等距离的多种航线需求；兼顾部分国际航线，主要是东南亚航线需求；参照了大型LNG运输船队航速指标的要求；考虑消耗功率与自然蒸发气量之间的匹配。

传统的大型LNG运输船多数是为特定贸易项目而建造的，航速要求较高。30 000 m3LNG运输船首制船的航速较多考虑其覆盖多种航线的能力，航速要求较高，设定为16.5 kn，并考虑了15%的风浪裕度。高航速意味着高机动性，但同时也带来高能耗、高投入及高维护成本。

如果30 000 m3LNG运输船形成船队运输能力后，就没有必要每条船均考虑覆盖所有航线及国际航线。在以国内LNG转运为主的市场前提下，利用好各个终端的资源，尽量减少长距离的货物驳运，以减少LNG运输费用。因此，航速优化的主要思路确定为在不影响船舶操纵性和安全性的前提下，以沿海运输为主的船型，考虑对船舶航速的要求和风浪裕度对应的功率储备要求适当降低。初步考虑总装机功率降低10%左右，主推进器型号从AZP150降低至AZP120；航速不低于15.5 kn，风浪裕度不小于10%。希望通过航速指标优化，并结合船队配置优化，在保证船舶的操纵性、灵活性和营运率不降低的前提下，实现降低船舶能耗、建造成本、营运成本和维护成本的要求。

常规来讲，船舶的航线越短，其航速对航次、运能的影响越小。根据 《液化天然气码头设计规范》的作业条件规定，从安全作业的角度考虑，LNG船不宜在夜间进出港和进行靠离泊作业。LNG船整个单程航次的时间应包括进港引航、系泊、联检、接驳卸料臂、应急系统测试、装/卸货、吹扫、脱开卸料臂、联检/办理手续、等待离港所需的时间。该船考虑营运的国内及部分国际航线约为200～1 500 n mile，以1 500 n mile为单航程，比较了16.5 kn和15.5 kn航速对航次、运能的影响，如表1～表3所示。

表1 航速为16.5 kn的航次时间安排

表2 航速为15.5 kn的航次时间安排

表3 不同航速对航次影响

由表3可见，航速降低，航行时间增加，等待时间减少，整个往返航次总耗时不变，对运能没有影响。

风浪裕度通常是指在相同的航速下，考虑污底和风浪的影响所引起的船舶所需有效功率的增加和推进性能的下降，航行时所需主机功率的增加率。其通常按照船舶的航行区域或航线、船舶类型、主机型式和航速高低，由船东或设计者确定，一般在0%～25%之间。

中国海洋石油总公司 （中海油）LNG产业发展规划的港口、航线主要分布于渤海、黄海、东海和南海区域，对应于 《西北太平洋海域的区块划分》的E1/E3/E5/S1/S2/S3区块，如图1所示。

图1 西北太平洋海域的区块划分

对该些区块内的全年有义波高及其出现概率，以及与有义波高对应的最可能波长进行了统计，如表4～表5所示。

由表4可以看出，航行区域内全年约50%的概率出现的平均浪高不超过1 m，对应蒲氏风级为4级；全年约80%的概率出现的平均浪高不超过2 m，对应蒲氏风级为5级。

表4 全年有义波高统计结果

表5 最可能波长

由表5可以看出，航行区域内最可能出现的波长不超过50 m。通过对该船波浪增阻的研究，发现波长在 0.4L～0.6L（70～105 m）范围内的波浪对波浪增阻起主导作用。因此，航行区域内对波浪增阻起主导作用的波浪出现概率较小。

此外，对该船在不同有义波高下的波浪增阻进行了简单评估，以满载工况为例，基于切片理论，采用谱分析方法计算，其结果如图2所示。

图2 不同有义波高下的波浪增阻Raw（kN）

根据该船满载工况下静水中的船模试验结果，15.5～16.5 kn的航速范围内对应的船舶阻力约为464～525 kN。在蒲氏4级风（对应有义波高1 m）的情况下，波浪增阻为10%～12%。因此，对应于蒲氏2～3级风浪情况，可考虑将风浪裕度降低为10%。

2 船舶快速性能评估

2.1 船体线型

30 000 m3LNG运输船的线型是以尺度相近的全回转推进船舶为母型进行线型设计和CFD计算优化，尤其对尾部线型、设计桨和假舵（HEADBOX）进行了专门的优化设计，并在MARIN水池进行了计算机仿真验算和船模试验验证。该船的线型与MARIN数据库中的相似船型比较，被评价为“very good”，在不同航速下的阻力性能都较为优秀，如图3所示。

图3 航速阻力性能比较（黑点为该船，其他为MARIN数据库资料）

此外，MARIN的船模试验报告数据也显示该船在满载状态下，14.5～16.5 kn航速范围内的总阻力系数基本保持不变，且处于较低水平。因此，从阻力性能的角度讲，将航速指标从16.5 kn降低为15.5 kn，与该船现有的尺度和线型仍然相当匹配，继续沿用首制船的尺度和线型是合理可行的。

2.2 尾部推进器

30 000 m3LNG运输船采用了2台AZIPULL全回转推进装置，型号为AZP150，总推进功率为8 000 kW，考虑15%的风浪裕度，船模试验和实船试航的航速均达到并超过了16.5 kn。若考虑10%的风浪裕度，船舶达到15.5 kn的服务航速所需的总推进功率可大幅下降。

随着推进功率的降低，为选择较小规格的推进器提供了一定的可能性。从降低建造成本的角度出发，可考虑采用2台AZP120型号的全回转推进装置，对应的航速预报如图4所示。

图4 航速预报（采用AZP120推进器）

由图4可知，AZP120推进器的桨径减小后，推进效率有所降低，考虑10%的风浪裕度，船舶达到15.5 kn航速时所需的总推进功率约为6 600 kW。

3 船舶操纵性能评估

操纵性能良好的运输船应具备足够的航向稳定性、中小舵角良好的应舵性能、符合要求的大舵角回转性能和适中的主机停车和主机逆转的停船性能。对于新建的具有舵和推进器的气体运输船，操纵性能应满足IMO决议MSC.137（76）的要求。对于特种操纵器，目前视作为改善操纵性的措施，评估标准参照使用。30 000 m3LNG运输船操纵性模型试验的结果以及实船试航和换算的结果，均显示该船操纵性能优良，各项指标均满足IMO标准的要求，如表6～表7所示。

表6 压载状态Zig-Zag性能和回转性能

表7 满载状态Zig-Zag性能和回转性能

表8 满载状态不同型号推进器模拟计算结果

船舶推进功率降低，推进器规格减小，对船舶的操纵性能会产生一定的影响。如采用AZP120型号的推进器，需要结合该船的操纵性模型试验和实船试航的结果，对船舶的操纵性能进行评估，以确定其是否仍能满足IMO标准的要求和业主的操作使用要求。对AZP150和AZP120两种推进器分别进行了模拟计算评估，如表8所示。

由表8可以看出，AZP150推进器的模拟计算结果与模型试验的预报结果还是存在一些差异，但可以定性的加以分析。推进功率降低和推进器规格减小，船舶的偏航校正和航向保持能力有所减弱，应舵性能有所下降；船舶回转性能变化不大。如采用AZP120推进器，除了Zig-Zag10/10性能中第2超越角指标超过了IMO的要求值外，其他操纵性能指标均能满足IMO标准的要求。

当然，实船试航的操纵性试验与模型试验的结果也同样存在差异。针对Zig-Zag10/10性能中第2超越角指标，表6中AZP150推进器的实船试验结果约为模型试验结果的70%；表8中AZP150推进器的模型试验结果约为模拟计算结果的74%。也就是说，实船试航结果远小于模拟计算的结果。如按等比误差换算，采用AZP120推进器，虽然预报结果略有超过IMO标准，但实船仍有可能满足标准的要求。针对回转性能，实船试航结果大于试验和计算的结果，其原因归咎于AZP推进器的大舵角保护功能。推进功率和航速指标降低，有利于对船舶回转性能的改善。

总的来讲，该船的功率和航速降低后，从保证船舶操纵性和灵活性不降低的角度出发，可考虑仍然采用AZP150型号的推进器；如考虑降低成本采用AZP120型号的推进器，可通过模型试验进行操纵性预报，同时结合该船实际运营过程中的操船情况，来确定AZP120推进器是否能够满足船舶的使用要求。

4 结语

在不改变推进方式进行优化前提下，将推进功率降低至6 600 kW，采用2台Azipull推进器，考虑10%风浪裕度，预计能达到15.5 kn的服务航速。由此，装机功率减少1 800 kW，建造成本降低；推进用燃油耗量减少约7.35 t，船舶能耗降低，营运成本也相应降低。结合首制船实际运营过程中的操船情况，来确定其是否能够满足船舶的使用要求。

基于不同优化的目的和方向，可有不同航速优化的方法和思路。本文仅从其中的一个角度对30 000 m3LNG运输船的航速指标优化进行了论述，为后续解决类似的问题提供思路和参考。