中小型LNG船舶操縱性分析

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(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)計院,上海 201203)

分析“海洋石油301”3萬m3LNG運輸船港內(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，從而縮短靠泊時間、降低營運成本，發(fā)揮最佳經(jīng)濟效益。

中小型LNG船；操縱性；船模試驗；實船試驗。

“海洋石油301”3萬m3LNG運輸船是國內(nèi)首建的中小型LNG船，于2015年5月8日交船并投入運營。該船計劃運營海南洋浦到廣西防城航線，整個航程直線距離僅133 n mile，以服務(wù)航速16.5 kN航行計，單個航程僅約8 h。其營運周期短、頻繁靠離泊碼頭的營運特點凸顯了中小型LNG船進行二程轉(zhuǎn)運服務(wù)的典型特點。從目前船舶實際運營來看，“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間成本，也增加了租用拖船的經(jīng)濟成本。為此，對該船港內(nèi)操縱性進行分析，以期提高中小型LNG船的二程轉(zhuǎn)運服務(wù)的安全性和經(jīng)濟效益。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/m184.70垂線間長/m175.00型寬/m28.10型深/m18.70設(shè)計吃水/m7.40

1.2 推進方案

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

3臺推進器布置見圖1，其他參數(shù)見表1。

圖1 推進器布置示意

1.3 主推進器工作模式和轉(zhuǎn)換步驟

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

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

3)緊急制動下的模式轉(zhuǎn)換。航速高于10 kn的狀態(tài)下，需要進行緊急制動，需要按圖2的步驟進行，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

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

1)舵效好，全回轉(zhuǎn)推進器結(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 推進器的配置

圖2 推進器模式轉(zhuǎn)換步驟示意

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

3)制動性能良好，可以在較短的距離內(nèi)停船。

4)自有的動力推進，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LNG船專用泊位，考慮當?shù)仫L(fēng)況的季風(fēng)特點，有利于船舶靠離泊安全操作，西南季風(fēng)時采用掉頭靠泊，而東北季風(fēng)時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，進港船舶宜采用掉頭右舷靠泊。

船舶靠泊掉頭操作中，當本船抵達回旋水域時，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)，使用自身推進系統(tǒng)掉頭。到達泊位外檔3～4 倍船寬時將船擺正，利用風(fēng)力和推進系統(tǒng)的推力使船舶平行入泊。同時不斷調(diào)整艏尾各推進器推力，使船艏向達到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，根據(jù)風(fēng)向調(diào)整艏側(cè)推的推力及主推進器的推力和推力方向，利用風(fēng)力和推進系統(tǒng)的推力使船舶平行出泊，使用船舶自身推進系統(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，艏側(cè)推和主推進器聯(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

LNG船的操縱性能對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)計院海洋工程部委托上海船舶運輸科學(xué)研究所對“海洋石油301”進行了自航船模操縱性試驗[7]。為了使試驗結(jié)果可以和實船試驗數(shù)據(jù)可以比對，在設(shè)計吃水工況的狀態(tài)以外加做了在試航吃水工況下的船模操縱性試驗。

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

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

圖4 操縱性試驗?zāi)Ｐ秃退卮２倏v性試驗現(xiàn)場

4.1 常規(guī)操縱性船模試驗

4.1.1 回轉(zhuǎn)試驗

裝置在航行狀態(tài)下可進行±35°轉(zhuǎn)動，在設(shè)計吃水7.4 m，設(shè)計航速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)分別進行回轉(zhuǎn)試驗，結(jié)果見表2。

表2 回轉(zhuǎn)試驗結(jié)果

說明：D/L為相對定常回轉(zhuǎn)直徑；DT/L為相對戰(zhàn)術(shù)直徑；Ad/L為相對縱距。

試驗結(jié)果表明，采用回轉(zhuǎn)式推進裝置的船舶的回轉(zhuǎn)能力遠高于IMO的要求。

4.1.2 Z形航行試驗

在設(shè)計吃水7.4 m，設(shè)計航速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)分別進行了Z形操縱試驗，結(jié)果見表3、4。試驗結(jié)果表明，采用回轉(zhuǎn)式推進裝置的船舶的初始回轉(zhuǎn)能力和偏航糾正及航向穩(wěn)定能力遠高于IMO的要求。

表3 設(shè)計吃水下Z形操縱試驗

表4 試航吃水下Z形操縱試驗

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

4.1.3 全速倒車停船試驗

由于本船使用的是全回轉(zhuǎn)推進器，倒車時螺旋槳不倒轉(zhuǎn)而是將推進器水下部分回轉(zhuǎn)180°，但根據(jù)1.3所述，推進器水下部分回轉(zhuǎn)180°需要在船舶航速小于10 kn后才可以執(zhí)行操作，因此，全速倒車停船事實上分2個階段，停車慣性減速和推進器水下部分回轉(zhuǎn)180°，全速倒車停船，過程見圖5、表5。“海洋石油301”的停船能力明顯高于IMO標準的要求。

圖5 全速倒車停船軌跡

表5 全速倒車急停試驗

注：從停車指令到倒車指令間隔時間相當于實船尺度的150 s。

4.1.4 慣性停船試驗

表6 慣性停船試驗

注：終結(jié)淌航速度小于實船尺度下的5 kn速度。

4.2 低速下特殊操縱性船模試驗

4.2.1 橫移運動試驗

一臺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)下的橫移運動。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。控制右槳轉(zhuǎn)速使船舶向右舷平行橫移。見圖6。

圖6 橫移運動示意

模型實測和實船推算的運動結(jié)果見表7、8。

4.2.2 斜移運動試驗

在一臺艉推橫向作用、另一臺尾推以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動，見圖7。

表7 設(shè)計吃水橫移運動試驗結(jié)果

表8 試航吃水橫移運動試驗結(jié)果

圖7 斜移運動

模型實測和實船推算的運動結(jié)果見表9、10。

表9 設(shè)計吃水斜移運動試驗結(jié)果

表10 試航吃水斜移運動試驗結(jié)果

4.2.3 加速回轉(zhuǎn)試驗

在1臺艉推橫向作用，艏側(cè)推參與/不參與工作的狀態(tài)下的加速回轉(zhuǎn)運動情況，見圖8。

圖8 加速回轉(zhuǎn)運動

模型實測和實船推算的運動結(jié)果見表11。

5 “海洋石油301”操縱能力實船試驗

“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。對常規(guī)操縱性和低速操縱性進行測量。

表11 設(shè)計吃水加速回轉(zhuǎn)運動試驗結(jié)果

表12 試航吃水加速回轉(zhuǎn)運動試驗結(jié)果

5.1 實船常規(guī)操縱性試驗

5.1.1 壓載工況12.6 kn航速下回轉(zhuǎn)試驗

4級海況，水深73 m，試驗結(jié)果見表13。

表13 12.6 kn的航速回轉(zhuǎn)航行試驗結(jié)果

注：D/L：相對定常回轉(zhuǎn)直徑；DT/L：相對戰(zhàn)術(shù)直徑；Ad/L：相對縱距。

5.1.2 壓載工況16.7 kn航速下Z形航行試驗

表14 16.5～17.0 kn的航速Z形航行試驗

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

3級海況，相對風(fēng)向-68°，相對風(fēng)速22 kn，推進器角度轉(zhuǎn)到-180°后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在～112 r/min。試驗結(jié)果見表15。

表15 全速倒車急停試驗

5.1.4 壓載工況16.1 kn航速下慣性停船試驗

4級海況，相對風(fēng)向-20°，相對風(fēng)速37.7 kn慣性停船試驗,結(jié)果見表16。

表16 慣性停船試驗

注：終結(jié)淌航速度小于實船尺度下的5 kn速度。

5.2 實船低速下操縱性試驗

5.2.1 實船橫移運動試驗

在一臺艉推與艏側(cè)推聯(lián)合作用下，艏側(cè)推以全功率工作狀態(tài)下的橫移運動。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。控制右槳轉(zhuǎn)速使船舶向右舷橫移。

在5級海況(浪高2.5～4.0 m，風(fēng)7～8級)下,測量的實船運動結(jié)果見表17。

表17 實船橫移運動試驗結(jié)果

5.2.2 加速回轉(zhuǎn)試驗

在5級海況，水深75.7 m下，一臺艉推橫向作用，艏側(cè)推參與/不參與工作的狀態(tài)下的加速回轉(zhuǎn)運動。實船測量的運動結(jié)果見表18。

表18 加速回轉(zhuǎn)運動試驗結(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標準，具有良好的操縱性、航向穩(wěn)定性和停船能力。同時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、斜移的動作，具有常規(guī)船舶不具備的低速操縱性能。為實現(xiàn)自主靠離泊作業(yè)提供了可能性。

對于中小型LNG運輸船，考慮到其運營特點，需要在推進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，需要評估推進方案的初投資和后期運營成本。

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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)水上運輸技術(shù)