某液化天然氣運(yùn)輸船總布置優(yōu)化研究

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(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司,天津 300457;2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海 201203)

1 總布置概述

該船為載運(yùn) LNG的小型運(yùn)輸船 。小型 LNG運(yùn)輸船具有營周期短，中轉(zhuǎn)頻繁，內(nèi)河航運(yùn)時(shí)還受到水位、橋梁碼頭的限制，載貨量小，船舶吃水淺排量相對(duì)較小的特點(diǎn)，和大型 LNG 船有著很大的區(qū)別。

傳統(tǒng)的 LNG 運(yùn)輸船的貨艙系統(tǒng)主要有薄膜型和獨(dú)立球型兩種形式，廣泛應(yīng)用于大型 LNG 船的建造。傳統(tǒng)貨艙形式工藝復(fù)雜、造價(jià)昂貴，不適應(yīng)新型 LNG 的運(yùn)輸要求。目前小型 LNG 運(yùn)輸船通常采用獨(dú)立式C型液貨艙，即自持式壓力容器，是指符合壓力容器標(biāo)準(zhǔn)且它的設(shè)計(jì)蒸汽壓力不小于規(guī)范中的計(jì)算值。一般液貨艙采用單圓筒型或雙圓筒型結(jié)構(gòu)，外部設(shè)置絕緣結(jié)構(gòu)，無需次屏蔽，建造簡(jiǎn)單。根據(jù)載運(yùn)量的不同，貨艙的形式可選擇單圓筒或雙圓筒[1]。

該船在運(yùn)輸LNG 時(shí)，LNG 裝載在4個(gè)C型雙葉獨(dú)立液貨艙內(nèi)，貨物圍護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度為-164 ℃，液貨艙頂設(shè)計(jì)壓力為 350 kPa(IMO)，屬 2G型船[2]。

該船主體艏部設(shè)壓載水艙，水手長(zhǎng)儲(chǔ)藏室，燃料油艙，艏側(cè)推 /應(yīng)急消防泵艙，柴油儲(chǔ)存艙(左/右)，艏部壓載艙(左/右)，錨鏈艙，氮?dú)獍l(fā)生器室/艏液壓泵站等；船中貨艙區(qū)設(shè)4個(gè)處所,每個(gè)貨艙處所為一由船體結(jié)構(gòu)封閉的區(qū)域，獨(dú)立液貨艙安裝在處所內(nèi)；機(jī)艙及生活區(qū)設(shè)于貨艙的后方，機(jī)艙內(nèi)設(shè)有各種必需的油柜，機(jī)艙下方的雙層底下設(shè)置液艙或空艙。機(jī)艙后設(shè)艉壓載水(左 /右)、纜繩艙 /艉液壓泵站、推進(jìn)器艙及推進(jìn)驅(qū)動(dòng)器艙等。

艉部各層甲板室設(shè)船員生活、居住娛樂餐飲辦公的各類處所。

該船的方案設(shè)計(jì)在通過專家組審查后，經(jīng)過與相關(guān)方技術(shù)人員、設(shè)備廠商的充分溝通，對(duì)船舶總布置設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

2 艉部布置的優(yōu)化

2.1 推進(jìn)系統(tǒng)布置的優(yōu)化

在推進(jìn)系統(tǒng)確定選用Rolls Royce公司提供的AZIPULL全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)后，對(duì)推進(jìn)器的安裝角度通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化。在方案設(shè)計(jì)階段，水平投影面內(nèi)推進(jìn)器與船長(zhǎng)方向的夾角為0°。試驗(yàn)在業(yè)內(nèi)著名的荷蘭MARIN水池進(jìn)行，在船模處于設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下，船模以設(shè)計(jì)航速航行，在推進(jìn)器與船舶縱向處于不同夾角的情況下，測(cè)定船舶所需的推進(jìn)功率。試驗(yàn)過程中取0°、2°、4°、6°幾個(gè)不同的夾角，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)該夾角為2°時(shí)，船舶所需的推進(jìn)功率最小，與夾角為0°時(shí)相比，推進(jìn)功率可減少約2.1%。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 推進(jìn)功率與推進(jìn)器安裝角度關(guān)系圖

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定推進(jìn)器與船舶縱向的夾角為2°，見圖2。

圖2 推進(jìn)器安裝角度示意

2.2 下沉式甲板的設(shè)計(jì)

在方案設(shè)計(jì)階段，具有從艏到艉連續(xù)的上甲板，上甲板作為干舷甲板，在上甲板上設(shè)5層甲板室(包括駕駛室)，以滿足船員生活、居住、餐飲、辦公，船舶駕駛的需要。圖3為方案設(shè)計(jì)階段艉部總布置側(cè)視圖。

圖3 方案設(shè)計(jì)階段艉部總布置側(cè)視圖

進(jìn)入基本設(shè)計(jì)階段后，考慮到采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，船舶型深也較相同噸位的其他液貨船(化學(xué)品船、油船)要大，機(jī)艙空間應(yīng)該綽綽有余，為此考慮艉部上層建筑和艉部甲板可采用下沉式甲板的方案。

本方案首先需要核實(shí)機(jī)艙的布置情況，方案設(shè)計(jì)階段機(jī)艙布置見圖4～圖6，主甲板下機(jī)艙共設(shè)3層平臺(tái)(7 300 mm平臺(tái)、11 000 mm平臺(tái)、14 700 mm平臺(tái))。3臺(tái)主發(fā)電機(jī)組布置于7 300平臺(tái)，配電板室位于7 300平臺(tái)；機(jī)艙集控室布置于11 000平臺(tái)；14 700平臺(tái)布置了2個(gè)較大的機(jī)艙儲(chǔ)物間。

圖4 方案設(shè)計(jì)階段機(jī)艙布置圖

圖5 方案設(shè)計(jì)階段機(jī)艙7 300 mm平臺(tái)布置示意

圖6 方案設(shè)計(jì)階段機(jī)艙14 700 mm平臺(tái)布置

經(jīng)過對(duì)機(jī)艙布置圖的分析，認(rèn)為機(jī)艙的空間是可以大幅壓縮的。按照下沉式甲板的設(shè)計(jì)思路，將主甲板艉部下沉3 375 mm為下甲板(距基線15 600 mm)，下甲板以下為機(jī)艙區(qū)域，機(jī)艙設(shè)機(jī)艙下平臺(tái)(7 300 mm平臺(tái))、機(jī)艙上平臺(tái)(11 300 mm平臺(tái))。按此方案，重新設(shè)計(jì)機(jī)艙布置，機(jī)艙兩層平臺(tái)的平面布置見圖7～圖8。

圖7 機(jī)艙下平臺(tái)布置示意

圖8 機(jī)艙上平臺(tái)布置示意

機(jī)艙重新布置后，機(jī)艙的布置更緊湊，機(jī)艙空間得到了充分的利用，且機(jī)艙所有的設(shè)備均能布置，機(jī)艙各設(shè)備的操作空間、維修保養(yǎng)空間足夠，這表明從機(jī)艙布置的角度來看，下沉式甲板設(shè)計(jì)方案是可行的。

按此方案接著對(duì)艉部甲板室的布置方案進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，原先的方案是上甲板上設(shè)5層甲板室，現(xiàn)需調(diào)整為下甲板上設(shè)5層甲板室。這一調(diào)整主要面臨以下三方面的問題：干舷方面的問題;穩(wěn)性方面的問題;駕駛視線的問題。

2.2.1 干舷問題分析

按照《國際載重線公約》定義，原方案中由艏至艉連續(xù)的上甲板為干舷甲板，干舷(計(jì)算)型深為18.714 m。采用下沉式甲板方案后，船上甲板和后部的下甲板構(gòu)成階梯狀的干舷甲板，按照《國際載重線公約》的定義，如干舷甲板為階梯形且此甲板的升高部分延伸至超過決定型深那 一點(diǎn)，型深應(yīng)盡量從該甲板較低部分延伸且升高相平行的基準(zhǔn)線，因此現(xiàn)在的干舷(計(jì)算)型深應(yīng)為下甲板高度(15.614 m)。采用下沉式甲板方案，《載重線公約》要求的最小夏季干舷為2 906 mm,該船設(shè)計(jì)夏季干舷為8 014 mm,干舷滿足公約的要求[3]。

2.2.2 穩(wěn)性問題分析

原方案中上甲板以下全部的主船體計(jì)入穩(wěn)性，而新方案中上甲板和后部的下甲板下的主船體計(jì)入穩(wěn)性， 也即儲(chǔ)備浮力會(huì)減少，對(duì)穩(wěn)性不利；而另一方面， 采用下沉式甲板的設(shè)計(jì)方案船舶空船重量會(huì)略有減少，空船重量重心垂向位置也會(huì)略有降低，對(duì)穩(wěn)性是有利的。新方案是否能滿足要求，必須進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。為此對(duì)新方案完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性重新核算。

1)完整穩(wěn)性。完整穩(wěn)性計(jì)算是依據(jù) IMO Resolution MSC267(85)—2008 IS CODE 及中國海事局《國際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》2008年版的有關(guān)要求進(jìn)行核算。

①典型裝載工況。見表1。

表1 典型裝載工況

②完整穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果。各工況穩(wěn)性衡準(zhǔn)見表2[4]。

2)浮態(tài)和縱傾。在滿載和壓載航行狀態(tài)時(shí)均無艏傾現(xiàn)象。同時(shí)艉吃水保證螺旋槳浸沒水中。各工況裝載及浮態(tài)情況見表3。

表2 各工況穩(wěn)性衡準(zhǔn)

注：橫傾30°面積指的是靜穩(wěn)性曲線圖上，橫傾30°角時(shí)曲線所包含的面積。

表3 各工況裝載及浮態(tài)

3)破艙穩(wěn)性。破艙穩(wěn)性參照 IMO International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquified Gases in Bulk(IGC CODE)、 CCS 《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》以及國際載重線公約的相關(guān)要求進(jìn)行核算。

①破損初始工況。見表4。

表4 破損初始工況描述

②破損區(qū)域假定。IGC CODE 對(duì)舷側(cè)破損區(qū)域假定見表5[5]。

表5 舷側(cè)破損區(qū)域假

IGC CODE 對(duì)底部破損區(qū)域假定見表6。

表6 底部破損區(qū)域假定[5]

載重線公約對(duì) A類船舶破損區(qū)域假定見表7。

表7 A類船舶破損區(qū)域假定

③破艙計(jì)算結(jié)果。依據(jù)IGC CODE要求，舷側(cè)破損劃分了25種破損組合，底部劃分了17種破損組合，對(duì)應(yīng)INI01-INI10破損初始工況，計(jì)算了420個(gè)破損工況；依據(jù)國際載重線公約要求，劃分了6種破損組合，對(duì)應(yīng)INI20種破損組合，對(duì)應(yīng)INI20破損初始工況，計(jì)算了6個(gè)破損工況。共計(jì)算了426個(gè)破損工況。計(jì)算結(jié)果表明，穩(wěn)性滿足要求。表8為部分破艙計(jì)算結(jié)果。

表8 部分破艙計(jì)算結(jié)果

2.2.3 駕駛視線問題分析

最后對(duì)駕駛視線的問題進(jìn)行分析，采用下沉式甲板，駕駛位置的高度降低，盲區(qū)的長(zhǎng)度會(huì)增加，能否滿足規(guī)范要求，必須進(jìn)行具體的計(jì)算。

通過計(jì)算表明，各裝載工況的視線均能滿足規(guī)范的要求，表9為部分工況下盲區(qū)計(jì)算結(jié)果。

表9 部分工況下盲區(qū)計(jì)算結(jié)果

綜上所述，該船采用下沉式甲板設(shè)計(jì)的方案，計(jì)算結(jié)果表明新方案中完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性及駕駛室視線均能滿足規(guī)范的要求。因此，采用下沉式甲板設(shè)計(jì)的方案是完全可行的。

3 艏部布置的優(yōu)化

與方案設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)比較，該船在基本設(shè)計(jì)階段取消了船艏上甲板上艏樓的設(shè)置。

艏樓能否取消首先要核實(shí)船艏高度是否足夠，船艏高度(Fb)為在艏垂線處自相應(yīng)于核定夏季干舷和設(shè)計(jì)縱傾的水線量到船側(cè)露天甲板上邊的垂直距離。經(jīng)過核算最小船艏高度規(guī)范要求為6 277.10 mm，該船取消艏樓后實(shí)際船艏高度為11 491 mm，滿足規(guī)范要求。

取消艏樓后，船舶的儲(chǔ)備浮力較少，對(duì)穩(wěn)性不利，為此應(yīng)對(duì)穩(wěn)性進(jìn)行核算。計(jì)算結(jié)果表明穩(wěn)性能滿足規(guī)范要求。

取消艏樓后還應(yīng)核實(shí)艏部設(shè)備氮?dú)獍l(fā)生裝置的布置，經(jīng)過輪機(jī)專業(yè)核實(shí)，取消艏樓后新的氮?dú)獍l(fā)生器室的位置能滿足氮?dú)獍l(fā)生裝置的布置要求。

4 分析與結(jié)論

在該船基本設(shè)計(jì)階段，對(duì)總布置進(jìn)行了優(yōu)化，主要包括：取消了艏樓，艉部采取了下沉式甲板的設(shè)計(jì)方案，對(duì)推進(jìn)器的安裝角度進(jìn)行了優(yōu)化。

以上總布置優(yōu)化，都基于完整穩(wěn)性、破艙穩(wěn)性、駕駛室視線等各項(xiàng)主要指標(biāo)滿足規(guī)范規(guī)則的相關(guān)衡準(zhǔn)要求。通過總布置優(yōu)化，船舶的技術(shù)指標(biāo)也得到了相應(yīng)的提高。

1)采用下沉式甲板、取消艏樓的設(shè)計(jì)方案，有利于降低船舶的總噸位，見表10。

表10 優(yōu)化前后總噸位對(duì)比 t

2)采用下沉式甲板、取消艏樓的設(shè)計(jì)方案，有利于降低船舶的舾裝數(shù)，見表11。

表11 優(yōu)化前后舾裝數(shù)對(duì)比 t

原方案舾裝數(shù)在2 530～2 700 間，新方案在2 380～2 530 間，舾裝數(shù)可降低一檔，錨鏈，錨系泊絞車的規(guī)格均可相應(yīng)降低，見表12。

表12 優(yōu)化前后錨鏈及系泊索規(guī)格對(duì)比

[1] 丁 玲.中小型LNG船C型獨(dú)立液罐設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].大連：大連理工大學(xué),2009.

[2] 中國船級(jí)社.《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》[S]，北京：人民交通出版社,2006.

[3] IMO.The International Convention on Load Lines[S].1988.

[4] 中國海事局.國際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則[S].北京：人民交通出版社，2007.

[5] IMO.International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquified Gases in Bulk[S].2002.