帶LNG的118 m引航船的設計關鍵技術研究

朱 彬，侯毅男

(1.江蘇大津重工有限公司，江蘇 鎮江212221；2.32381部隊，北京 100071)

0 引言

隨著經濟的不斷發展，運輸船舶的數量也在不斷增多，這無疑給港口的引航工作帶來很大的挑戰和難度。作為全世界最繁忙的港口之一的上海港，其所需引航的船舶數量近年來快速攀升，年引航船舶持續保持在7萬艘次以上[1-2]。

引航船肩負著國際船舶進港的水上交通運輸安全責任。引航母船配備4艘高速噴水推進引航艇，并在駕駛甲板后部設直升機懸停區域，可以實現惡劣天氣下海空一體的引航員接送模式。在時間、空間有限的情況下，能否快速引航服務，很大程度上取決于引航船舶的性能。

目前上海港比較大的引航船有“滬港引1”輪[3]、“滬港引2”輪和“滬港引11”輪，其中“滬港引11”輪是2011年前后交付的船舶。該船船齡最短，在布置、外形等方面相對先進，但是存在橫搖幅度過大、耐波性相對較差的問題。當前針對引航船總體設計的研究文獻和資料較少，總體設計經驗交流不充分，不利于該類船型的有序發展研究。

本文重點論述引航船的設計關鍵技術以及設計改進建議，包括采用LNG燃氣發電機、應用太陽能光伏發電技術[4]等綠色創新技術，旨在對后續此類船舶的總體設計方面提供技術參考。

1 主要技術性能參數及布置

1.1 航區和用途

118 m引航船為上海港引航站的專用引航母船，是引航工作海上基地，主要工作于長江口南、北槽引航交接區，全年晝夜為進出上海港及長江沿岸港口的中外船舶提供交送引航員服務，其作業方式為錨泊狀態下接送引航員乘坐引航艇進出上海港及長江沿江各港的船舶領航，同時也是引航員的短期居住的海上驛站和引航工作的海上基地。

1.2 主要參數

總長118.0 m，船寬19.0 m，型深(至主甲板)7.8 m，吃水4.5 m，航速15 kn，續航力不小于2 500 n mile；載客量100人，船員54人。

1.3 船型及總布置

(1)本船為艉機型、雙襟翼舵的引航母船，由2臺中速船用柴油機驅動固定螺距螺旋槳。

(2)船體為鋼質結構。全船設3層縱通甲板和4層甲板室；艏艉型式采用艏柱前傾、方艉式。本船設有直升機懸停平臺，艏部設有1臺艏側推。本船外形設計思想符合外形莊嚴威武、剛毅穩重、整體協調、流暢的要求，充分體現我國公務船舶威嚴的特征和強烈的時代感，兼具客船的靈動。

(3)全船分為前后2個主豎區。前主豎區為居住區域，布置船員、引航員的居住房間。后主豎區主要為工作區域，設置機艙、引航工作區、甲板部和輪機部辦公室、餐廳和廚房等功能性艙室。

(4)按照工作性質和特點要求，本船有6層甲板用于居住，從上至下依次為：駕駛甲板、B甲板、A甲板、上甲板、主甲板和二甲板，其中引航員房間布置在位置最好的B甲板和A甲板，船員房間布置在上甲板和主甲板。而20個備用雙人引航員房間布置在二甲板。

(5)上甲板首尾部露天區域設有錨系泊設備。本船在駕駛甲板尾端設置直升機懸停平臺，以滿足直升機接送引航員及相關人員用途。

(6)小型籃球場(木地板)、健身房、活動室和閱覽室等休閑和娛樂活動場所布置在二甲板和雙層底中后部。

2 主要設備和系統

2.1 推進系統

主推進裝置采用2臺船用中速柴油機，通過齒輪箱、傳動軸系驅動定距螺旋槳。主機選用MAN 6L27/38船用中速柴油機，主機功率2 190 kW，轉速800 r/min；齒輪箱型號GWS52/59，減速比3。

主機擬采用環氧樹脂支撐墊塊安裝，根據降噪需要基座涂裝阻尼材料。主機推進曲線與設計固定螺距螺旋槳匹配，由帶倒順離合功能的減速齒輪箱驅動推進軸系。主機額定功率選取時，預留15%的裕度。齒輪箱與主機采用橡膠高彈聯軸器連接，齒輪箱采用環氧樹脂支撐墊塊安裝。

2.2 發電設備

由于本船經常使用工況為錨泊和短線航行，負載率變化較大，因而電站選型時需兼顧最大負載需求。本船電站由3臺主柴油發電機組(型號MAN B&W 7L16/24，單臺功率660 kW)和1臺應急兼停泊柴油發電機組(400 kW×1 000 r/min)組成。發電機組均采用減振器彈性安裝，根據降噪需要基座涂裝阻尼材料。

2.3 系統

本船共有柴油、滑油、冷卻海水系統在內的18個動力系統和船舶系統，為船舶正常運行提供保障。

2.4 管系設計

輪機管系在設計時需要考慮所用材質的安全可靠、綠色環保等因素。在可靠性方面，考慮到管路的防腐蝕性，高壓高溫管路采用耐壓和耐溫材質，并在此基礎上增加余量，以保證系統可靠性。在綠色環保方面，設備和管路選型時采用無石棉材質。對大氣有影響的設備采用滿足法規要求的設備。空調制冷劑采用環保型制冷劑。冷卻水系統添加劑采用可降解或可中和的產品。

3 設計關鍵技術

3.1 主尺度

3.1.1 船長的確定

船長L(水線長)是決定船舶性能最主要的因素，選擇合適的船長是主尺度確定的首要前提。對于本船型而言，選擇船舶總長Loa=118 m的依據主要有：耐波性指標、救生艇架布置、船員/引航員艙室布置和經濟性指標。

本船停泊作業、航行區域所轄東海沿海水域，該水域最大的特點是長期存在50～80 m的長涌浪。為提升船舶的適用海況、保證引航員登乘作業時的安全性和提高作業人員的舒適性，針對本海域長涌浪的特點，需把船舶的耐波性(縱搖和升沉)作為船舶性能重點考慮的因素，而船舶耐波性的關鍵因素是船長(水線長度)。

從耐波性理論可知，增加船長可以改善波浪中的縱搖和升沉運動。其主要影響參數是波長λ與船長L(水線長)的比值λ/L。通常，λ/L≤0.75時，運動幅度不大；最大的縱搖發生在λ/L=1.0～1.5范圍內；λ/L>1.0時，不可避免將發生較大的縱搖和升沉運動。

考慮涌浪情況的性能，波高2.5 m時，對應波長約83 m，滿足λ/L≤0.75的條件是：船長L(水線長)約111.4 m。

3.1.2 方型系數的確定

方形系數Cp是一個反映船體水下部分肥瘦程度的系數，它應綜合考慮空船重量、載重量和航速等因素后確定。本船服務航速約為15.0 kn，對應弗勞德數Fr為0.249。根據圖1，船舶的方型系數Cp取0.6左右。為體現引航船舶的經濟性，本船方型系數取0.605[5]。

圖1 方型系數Cp的選擇

3.2 布置原則和特點說明

本船的總布置以工作安全、生活舒適、整體布局合理為原則，綜合考慮船舶的各類功能艙室布置、通道便捷性、引航艇架與引航艇的布置，以及船舶耐波性、穩性和航速等要求。其布置有以下幾個方面的設計特點：

(1)功能明確，布置合理。為了保證本船所有居住艙室均能采到自然光，所有船員艙室及單人引航員房間均采用大方窗。引航員居住在船舶的最高兩層居住甲板，噪聲影響小，空間獨立。按照工作性質和特點要求，本船有6層甲板用于居住，從上至下依次為：駕駛甲板、B甲板、A甲板、上甲板、主甲板和二甲板。通過合理劃分工作區與居住區、引航員居住區與船員居住區，船員和引航員的工作和居住環境得到改善。

(2)使用方便，安全可靠。本船設兩主機艙和輔機艙，主要設備分區布置，方便船員操作。每個機艙設備安裝位置處設花鋼板層，便于工作人員檢修。另外，設有直升機平臺，為特殊天氣下的特殊任務提供快速響應。

(3)造型威武，特點突出。本船首部線型借鑒了主力巡洋艦外飄線型，上層建筑外形則借鑒了豪華游輪的布置。該設計有利于船型性能的發揮，使船舶美觀與性能完美結合。本船大量采用折線和直線條體現出剛硬而又威武的一面，局部采用圓弧柔滑處理，使之不顯僵硬，煙囪在船舶尾部，配以標志，使整船造型具有威武、大方、大氣特點。

3.3 船舶性能優化

為了保證引航船良好的耐波性、快速性、舒適性，設計時應在線型優化和艙室布置上采取相應的措施。

(1)改善船舶的橫搖性能，提高耐波性。

?線型優化增加橫搖阻尼，橫剖面線型采用U型，較V型具有更好的減搖性能。

?舭龍骨是最簡便而有效的減搖裝置，加大舭龍骨面積，通過增加漩渦阻尼產生穩定力矩達到減緩橫搖和縱搖目的，從而減小橫搖角。特別是對于方形系數偏小的船舶，其作用尤為明顯。100%、50%油水裝載工況舭龍骨方案減搖效果比較見圖2、圖3。雖然增大舭龍骨會略微增大船舶阻力，影響快速性，但是考慮到本船的主要工作狀態是錨泊，因此，增大舭龍骨面積對本船的綜合性能是有利的。

圖2 100%油水裝載工況舭龍骨比較方案

?配備減搖水艙。

(2)為了優化快速性，基于NAPA軟件和SHIPFLOW軟件，對船型進行優化，選擇出最優型線。本船船首線型采用反曲線型V型剖面，舭部升高；首部水線近似直線，水線進水角小；后體線型收縮緩。此線型兼顧靜水阻力性能、推進性能和風浪中的失速等問題，使其快速性最優。

圖3 50%油水裝載工況舭龍骨比較方案

(3)為了提高艙室舒適性，本船進行總體布局時對艙室面積、層高、自然采光和通道設置作全面優化設計。所有居住艙室、餐廳和公共服務艙室均能提供自然采光，并且所有房間盡量采用大方窗，以增加艙室光照度。船舶內裝設計運用新科技、新材料等綠色環保技術來滿足人體環境學要求。本船的噪聲和振動控制，采用噪聲源與其他公共服務區相鄰限界面增設阻尼材料的方法。特別是通過有限元分析，對振動、噪聲進行分析預報。通過以上多種手段措施協同，船舶舒適性達到較高的水平。

3.4 結構設計要點

本船航行于沿海航區，結構強度按近海航區設計。但是考慮到本船工作特點，對外板及甲板進行加厚以滿足無限航區的要求。針對艉部及舷側頂推作業位置、主要設備特殊設計加強結構，保證其工作安全性；采用有限元方法對船體的整體及局部振動進行分析，保證結構的剛性，控制振動，提高舒適性。

3.5 主要設備選型

由于頻繁往返于港口與錨地之間，并且航行作業海域往來及停泊船只較多，因此引航船的動力系統需要具備快速備航、快速起動、靈活機動、高可靠性等優良性能，這對主機及推進系統、發電機組、艏側推等主要動力設備的性能、運行穩定性、可維護性等指標提出了較高的要求。

(1)主機選型從以下方面考慮：進出港頻繁，主機高速和低速轉換頻繁，主機操縱性能及可靠性要高；居住人員多，舒適性要高，主機引起的振動要小；綠色環保，經濟性好；機艙空間有限，設備尺寸限制，設備維護空間有限；排氣質量要高；基于航速下的主機功率，主機的選型按可以15 kn航速選擇。

(2)發電機選型從以下方面考慮：進出港頻繁，發電機需要頻繁啟動，可靠性要高；錨泊工況時發電機負荷需要不斷變化，負載適應性要強；功率匹配合適，電站負荷率合理，柴油機經濟性要好；系統配套設備少，運行維護簡便；實例中綜合幾種機型的參數對比，MAN B&W 7L16/24發電機組經濟環保，滿足使用要求，最適合本船。機組輸出功率630 kW×1 000 r/min。

(3)艏側推選型從以下方面考慮：艏側推在船舶使用過程中可提高船舶的操縱性，尤其在船舶低速航行和靠離碼頭時，可快速方便地調整船舶方向；在海上避讓時要求快速調整船舶方向；本船的艏側推需要推力約為70 kN，推進電機的功率約為500 kW；從維護成本、安裝方便性、維修空間等因素綜合出發，本船的艏側推采用變頻電機驅動固定螺距螺旋槳的組合形式。

3.6 空調系統原則設計

舒適可靠的空調系統是保障引航員和自身船員正常作業、生活的必要設施。本船采用舒適、人性化、節能的空調系統，目的是改善引航員和船員的生活水平，提高工作效率。

(1)結合本船技術特點和特殊需求，引入郵輪空調系統設計理念，提供舒適的生活和工作環境。

(2)由于居住人員多，舒適性要求高，同時噪聲振動要小，因此采用彈性安裝，選用靜音型布風器。

(3)工作和生活區合理分區，經濟實用。

(4)采用多裕度配置以提高舒適性。

(5)采用統一新風風管，進風口布置除鹽除霧風柵，空調單元布置除菌裝置。

本船空調系統設備配置3臺冷水機組，兩用一備。每臺制冷量為總需要負荷的50%。多功能會議室、餐廳采用“雨降”出風系統。

3.7 環保綠色技術應用

本船配置LNG燃料備用停泊發電機，布置太陽能光伏設備。使用LNG和太陽能光伏，可有效降低氮氧化物和硫氧化物的排放，減少大氣環境污染。

(1)本船配置的2臺350 kW LNG燃氣停泊發電機既可用于輔助引航，也可滿足春秋兩季錨泊工況的用電需求。2臺燃氣停泊發電機還可互為備用，便于燃氣發電機的維護和保養。

(2)在春秋兩季天氣晴朗的港泊工況下，使用太陽能光伏發電設備可滿足全船實際用電需求，不需要使用岸電，從而大大節省運行成本。

3.8 船舶物聯通信系統設計

引航船物聯通信系統包含船舶遠程監控管理、視頻監控、船舶工況監控、能耗管理、手機APP、視頻會議和船岸通信等方面內容。船舶的物聯通信系統可結合船舶導航系統、船舶監控系統以及岸基的支持，對船舶各種數據進行積累和多維度分析，并在此基礎上為船舶各種工況提供更安全、有效、經濟的解決方案，同時隨著時間的推移，可對整體船舶進行科學的評估，不斷提高船舶安全管理水平。

4 結論

引航船作為港口服務必不可少的交通工具，既具有普通船型的特點，也有符合其特殊工作要求的獨到之處。本文結合該類船型的整個設計思路和過程，對設計重要參數和關鍵技術環節進行了論述，形成以下研究結果：

(1)歸納出相應的設計特點，以便可以系統研究該船型。

(2)對于重要關鍵技術參數的確定提出選擇措施和評估方法，以便更有實際應用價值。

(3)為后續船型的優化設計提供相應參考，促進該船型的設計研究和發展，以利于通過設計轉化成實船，并進而借助實船的運行驗證設計的各方面綜合性能。