王怡，李欣，周熲，曹征宇

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

隨著國(guó)際海事組織(IMO)對(duì)船舶硫氧化物(SOx)排放、氮氧化物(NOx)排放，以及船舶能效指數(shù)(energy efficiency design index, EEDI)[1]日益嚴(yán)苛的要求，業(yè)內(nèi)對(duì)清潔能源的需求與日俱增。采用液化天然氣(LNG)作為新型清潔船用燃料，基本完全消除了硫氧化物和顆粒物的排放，氮氧化物排放量可減少85%～90%，二氧化碳(CO2)排放量可減少20%～25%[2]，滿足IMO Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，LNG燃料在船舶交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣越來越廣泛。

為了達(dá)到節(jié)能減排的目的，除了常規(guī)的船體線型優(yōu)化外，新型節(jié)能裝置的研究越來越受到重視，弗萊特納旋轉(zhuǎn)風(fēng)筒節(jié)能裝置和空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)是其中具有代表性的節(jié)能減排技術(shù)。船舶在海上航行時(shí)，可借助弗萊特納旋轉(zhuǎn)風(fēng)筒節(jié)能裝置直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)為輔助推進(jìn)力，并結(jié)合計(jì)算機(jī)應(yīng)用、流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)和天氣預(yù)報(bào)技術(shù)等多學(xué)科應(yīng)用，其輔助推進(jìn)效率較高，可減少主推進(jìn)系統(tǒng)的能耗，逐步成為使用風(fēng)能提高船舶能效的首選。船體摩擦阻力是船舶總阻力的主要組成部分，氣體潤(rùn)滑減阻技術(shù)可以有效減小船舶摩擦阻力?？諝鉂?rùn)滑系統(tǒng)就是在運(yùn)動(dòng)船舶與水接觸的船體表面間注入氣體，形成均勻穩(wěn)定的氣液兩相流，利用水與氣體的密度、粘度差異，通過船舶實(shí)際浸濕面積的減少降低運(yùn)動(dòng)船舶的總阻力[3]，從而提高燃料效率。本文以30萬t級(jí)超大型原油輪(VLCC)為應(yīng)用對(duì)象，分析這些節(jié)能減排技術(shù)在VLCC上的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。

1 LNG燃料供氣系統(tǒng)

LNG燃料供氣系統(tǒng)的主要任務(wù)是將LNG燃料儲(chǔ)存艙內(nèi)的液態(tài)LNG燃料經(jīng)過加壓、氣化和加熱等步驟，將其轉(zhuǎn)化為具有合適壓力和溫度的燃?xì)夤╇p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)等用氣設(shè)備使用。對(duì)于采用LNG和燃油作為燃料的雙燃料動(dòng)力船而言，LNG燃料供氣系統(tǒng)作為雙燃料用戶的關(guān)鍵系統(tǒng)，對(duì)雙燃料用戶的正常運(yùn)行乃至船舶的安全航行尤為重要，直接影響其經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性能。

超大型雙燃料原油輪一般采用雙燃料二沖程低速機(jī)作為推進(jìn)主機(jī)，采用雙燃料四沖程中速機(jī)作為發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)，并可選擇配置雙燃料鍋爐處理蒸發(fā)氣(boil off gas, BOG)。

雙燃料主機(jī)通常采用MAN公司的ME-GI系列機(jī)型或WinGD公司的X-DF系列機(jī)型，根據(jù)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)理論工作循環(huán)的不同，相關(guān)用氣設(shè)備所配置的供氣系統(tǒng)壓力也不同，可分為高壓、中壓和低壓系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)比見表1。

若采用ME-GI系列雙燃料主機(jī)，則船上配置高低壓LNG燃料供氣系統(tǒng)。其中，高壓系統(tǒng)向雙燃料主機(jī)供氣，供氣壓力約為30 MPa；低壓系統(tǒng)向雙燃料發(fā)電機(jī)組和雙燃料鍋爐供氣，供氣壓力為0.4～1.0 MPa。由于ME-GI系列發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ讲捎玫先麪?Diesel)循環(huán)，燃燒溫度較高，需要加裝廢氣再循環(huán)裝置(EGR)或選擇性催化還原反應(yīng)裝置(SCR)才能達(dá)到IMO Tier III的排放標(biāo)準(zhǔn)。

表1 雙燃料用戶及其供氣系統(tǒng)要求

若采用X-DF系列雙燃料主機(jī)，船上需配置中低壓LNG燃料供氣系統(tǒng)。其中，中壓系統(tǒng)向雙燃料主機(jī)供氣，供氣壓力約為1.6 MPa；低壓系統(tǒng)向雙燃料發(fā)電機(jī)組和雙燃料鍋爐供氣，供氣壓力為0.4～1.0 MPa。X-DF系列發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ讲捎脢W拓(Otto)循環(huán)，可以直接滿足IMO Tier III的排放要求[4]。

本文所述雙燃料VLCC采用2個(gè)艙容相等的IMO C型LNG燃料儲(chǔ)存艙，每個(gè)燃料艙的容積約為3 500 m3,其容量可以滿足該型VLCC在全航程(至少一個(gè)往返航程)使用LNG燃料的需要，中途無需加注LNG。

2 船用弗萊特納旋轉(zhuǎn)風(fēng)筒節(jié)能裝置

船用弗萊特納旋轉(zhuǎn)風(fēng)筒節(jié)能裝置(簡(jiǎn)稱“風(fēng)筒裝置”)的原理是以空氣動(dòng)力學(xué)作為根據(jù)，基于馬格努斯效應(yīng)的弗萊特納(Flettner)轉(zhuǎn)子，如圖1所示。旋轉(zhuǎn)風(fēng)筒利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)筒體自轉(zhuǎn)，使其逆風(fēng)一側(cè)表面的氣壓增大，順風(fēng)一側(cè)表面的氣壓降低，從而產(chǎn)生一個(gè)垂直氣流方向的橫向力，通過調(diào)整轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，可以調(diào)節(jié)風(fēng)筒裝置受力的大小和方向，使其在斜風(fēng)或橫風(fēng)狀態(tài)下產(chǎn)生沿船長(zhǎng)方向的推力，從而實(shí)現(xiàn)助推效果。

圖1 船用弗萊特納旋轉(zhuǎn)風(fēng)筒節(jié)能裝置原理示意

綜合考慮《國(guó)際海上人命安全公約(SOLAS)》對(duì)視線的要求和船舶主甲板面設(shè)備的布置影響，基于VLCC貨艙區(qū)域主甲板面上貨油集管的布置，風(fēng)筒裝置無法布置在貨艙區(qū)域中心線上，也不能太靠近駕駛橋樓，避免形成較大角度的視線遮擋，還需避開貨艙前方直升機(jī)的降落區(qū)域和貨艙中部的貨管吊和集管區(qū)。因此，VLCC上較適宜布置風(fēng)筒裝置的區(qū)域?yàn)橹骷装遑浥搮^(qū)域兩舷側(cè)位置。由于風(fēng)筒裝置位于貨艙區(qū)域，電氣設(shè)備需滿足防爆的要求[5]。

所述VLCC采用芬蘭Norsepower公司的固定式風(fēng)筒裝置，根據(jù)估算在VLCC上安裝6個(gè)高度約為30 m、直徑5 m的風(fēng)筒裝置為最經(jīng)濟(jì)可行的方案。在不同航速和不同壓載吃水條件下，綜合考慮不同航線，在VLCC上按上述規(guī)格配置風(fēng)筒裝置后，節(jié)能效率約為6%～10%。

3 空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)

根據(jù)氣體潤(rùn)滑減阻原理的不同，大致將氣體潤(rùn)滑減阻方法分為3種，即微氣泡減阻、氣腔減阻和人工空化減阻。微氣泡減阻因無需對(duì)現(xiàn)有船體進(jìn)行改造，且在噴氣減阻系統(tǒng)失效時(shí)不會(huì)引起船體阻力的增加，被認(rèn)為是減小船舶摩擦阻力的首選方法。

所述VLCC安裝了挪威Silverstream公司的空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作原理即基于微氣泡減阻，主要由空壓機(jī)、氣腔以及自動(dòng)控制系統(tǒng)等部分組成，見圖2[6]。當(dāng)船舶在航行狀態(tài)時(shí)，由空壓機(jī)通過空氣管向布置在船體平底區(qū)域的氣腔噴射空氣，在船體表面和海水之間形成一層微氣泡，以此在船體與其下方流水之間提供空氣潤(rùn)滑層從而降低摩擦阻力[7]。

圖2 空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)示意

從船底仰視，單個(gè)氣腔形狀似子彈頭，頭部同船艏方向，布置在船體底部。氣腔起到空氣儲(chǔ)存和緩沖的作用，在船舶航行時(shí)，該氣腔的設(shè)計(jì)形式，可以促使從氣腔四周縫隙溢出的空氣較好地進(jìn)入船底區(qū)域，將船底和海水隔開，達(dá)到減阻節(jié)能的目的。

根據(jù)Silverstream公司提供的空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)節(jié)能和消耗預(yù)估，在不同壓載吃水下，不同航速下的空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)能耗值不同，是一個(gè)變化值。節(jié)能效率約為5%～9%。

4 總體布置方案

以30萬t級(jí)VLCC為例，將上述多種節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用于VLCC，總體布置方案，見圖3。

圖3 VLCC多節(jié)能減排技術(shù)總體布置方案

所述雙燃料VLCC的LNG燃料儲(chǔ)存艙位于貨艙區(qū)域的開敞主甲板上，考慮主甲板面上貨油管系、貨油裝卸油站以及帶纜區(qū)域的布置，并根據(jù)駕駛室人員在船舶航行狀態(tài)時(shí)對(duì)視線范圍的要求，2個(gè)LNG燃料儲(chǔ)存艙分別布置在靠近上層建筑前方的位置，對(duì)稱布置于左右兩舷。燃?xì)鉁?zhǔn)備間布置在開敞的主甲板上，靠近上層建筑前方位于其和左舷LNG燃料艙之間位置，與LNG接管處所相鄰，主要布置LNG燃料供氣系統(tǒng)中與燃?xì)馓幚硐嚓P(guān)的設(shè)備、管路及相應(yīng)的報(bào)警和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

按照風(fēng)筒裝置布置的原則，相鄰2個(gè)風(fēng)筒裝置之間的距離應(yīng)大于其自身筒體高度。在VLCC上選取安裝6個(gè)高度約為30 m、直徑5 m的風(fēng)筒裝置是最優(yōu)配置方案，6個(gè)風(fēng)筒裝置左右對(duì)稱布置在貨艙區(qū)的主甲板兩舷。

VLCC安裝風(fēng)筒裝置后，由于船舶受風(fēng)面積的增加、風(fēng)筒裝置的重量增加和風(fēng)筒裝置在船體上的附加力作用等因素，不僅會(huì)對(duì)原有設(shè)備布置和船舶結(jié)構(gòu)等常規(guī)設(shè)計(jì)造成影響，并且由于風(fēng)筒裝置尺寸較大，外界風(fēng)對(duì)筒體自身驅(qū)動(dòng)影響也有較大波動(dòng)，對(duì)船舶穩(wěn)性可能造成一定的影響。并且風(fēng)筒裝置在工作狀態(tài)時(shí)，不僅產(chǎn)生向前的推進(jìn)力，還將不可避免地形成一個(gè)橫向推力。利用NAPA穩(wěn)性分析軟件對(duì)安裝了風(fēng)筒裝置的VLCC進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用風(fēng)筒裝置后對(duì)VLCC的穩(wěn)性所造成的影響不大，依然能夠滿足各項(xiàng)穩(wěn)性指標(biāo)同時(shí)船舶總縱強(qiáng)度也無明顯變化，進(jìn)一步說明風(fēng)筒裝置適用VLCC。

VLCC空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)包括10臺(tái)空壓機(jī)，20個(gè)氣腔以及控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。氣腔位于船體平底區(qū)域，靠船艏沿平底線走勢(shì)依次對(duì)稱布置，見圖4?？諌簷C(jī)位于靠船艏的水手長(zhǎng)儲(chǔ)藏室，每2個(gè)氣腔共用1根空氣管與空壓機(jī)相連，即一臺(tái)空壓機(jī)向2個(gè)氣腔供氣。為了使空氣潤(rùn)滑節(jié)能效果最佳，氣腔溢出的空氣應(yīng)布滿整個(gè)平底區(qū)域。

圖4 VLCC底部氣腔布置示意

5 綜合節(jié)能效果分析

選取VLCC的不同航線進(jìn)行綜合節(jié)能效果分析，在VLCC上同時(shí)應(yīng)用風(fēng)筒節(jié)能裝置和空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)后，經(jīng)估算，年度綜合節(jié)能效率約為8%～12%，見表2。

可見，不同航線上的不同的風(fēng)力、風(fēng)速和風(fēng)向情況對(duì)風(fēng)筒裝置所產(chǎn)生的推力影響也不同，即使采用相同尺寸的風(fēng)筒裝置，但由于航行風(fēng)況不同由此產(chǎn)生的推動(dòng)功率也不同?？諝鉂?rùn)滑系統(tǒng)的節(jié)能功率則不受航線影響，而是與船舶在不同吃水和不同航速時(shí)的航行工況有關(guān)。此外，空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)在壓載吃水和滿吃水時(shí)的所產(chǎn)生的節(jié)能效果相差較大，在滿吃水時(shí)節(jié)能效果不顯著，為節(jié)省電力在此工況下建議不開啟空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)。

表2 綜合節(jié)能效果分析

6 結(jié)論

所述節(jié)能減排技術(shù)在大型油輪上的應(yīng)用可直接滿足2025年EEDI第三階段要求，并在風(fēng)力情況較為理想的航線上，節(jié)能減排效果顯著，在降低日油耗的同時(shí)也可大幅減少CO2等污染物的排放量，在順應(yīng)國(guó)際節(jié)能減排環(huán)保趨勢(shì)的同時(shí)也可進(jìn)一步降低燃料成本。

關(guān)于IMO MEPC.308(73) 2018年新船達(dá)到的能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算方案指南，結(jié)合MEPC.1 Circ.815 2013年計(jì)算和驗(yàn)證創(chuàng)新型節(jié)能技術(shù)達(dá)到的能效設(shè)計(jì)指數(shù)，針對(duì)風(fēng)筒節(jié)能裝置和空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)在實(shí)船應(yīng)用后的EEDI試驗(yàn)方法，船級(jí)社及相關(guān)機(jī)構(gòu)仍在進(jìn)一步的研究和完善中。