周建華 ,韓志強(qiáng),,朱漢華,范世東

(1.舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司,浙江 舟山 316131;2.武漢理工大學(xué) a.船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院;b.交通與物流工程學(xué)院,武漢 430063)

為了滿足EEDI要求,降低船舶運(yùn)營(yíng)階段的碳排放,提高能效水平,以新造船為對(duì)象的一系列技術(shù)雖然廣泛應(yīng)用[1-6],但各優(yōu)化技術(shù)對(duì)船舶綠色度提升效果的比較分析很少有公開的文獻(xiàn)報(bào)道。因此,有必要分析船舶優(yōu)化技術(shù)對(duì)船舶綠色度提升效果,為船舶設(shè)計(jì)提供滿足船舶綠色指標(biāo)的思路。

舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司(以下簡(jiǎn)稱:舟山中遠(yuǎn))建造的15萬(wàn)噸級(jí)穿梭油輪上應(yīng)用了主機(jī)功率降低、船型優(yōu)化、船體減重設(shè)計(jì)、節(jié)能裝置安裝等綠色船舶技術(shù)。考慮利用EEDI分析各優(yōu)化技術(shù)對(duì)穿梭油輪的能效水平提升效果的貢獻(xiàn)度。

1 示例船相關(guān)技術(shù)參數(shù)

舟山中遠(yuǎn)建造的5艘穿梭油輪均為國(guó)外船東,入級(jí)挪威船級(jí)社,無(wú)限航區(qū)。系列船中N574于2014年交付,后續(xù)N686、N687、N728、N786于2017年至2022年間交付。其中N574和 N686船型一致,N687/N728與N786船型一致。N687/N728和N786的船型是在N574/N686型線的基礎(chǔ)上進(jìn)行改變并設(shè)計(jì),由于船東對(duì)SUEZMAX級(jí)穿梭油輪貨油艙容積要求有所提高,滿載載重變大,貨艙容積由N574/N686的162 300 m3擴(kuò)大到N687/N728/N786的173 200 m3。5艘穿梭油輪的主尺度、主機(jī)、航速、EEDI值等相關(guān)信息見表1。

表1 5艘系列穿梭油輪主要尺度等信息

系列船中N574、N686應(yīng)用了船型優(yōu)化技術(shù),N687、N728、N786安裝了節(jié)能裝置。N786單獨(dú)應(yīng)用主機(jī)功率降低技術(shù)、船體減重技術(shù)、并調(diào)整了船舶自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)修正系數(shù)。

2 綠色設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用與效果比較

2.1 船型優(yōu)化技術(shù)

示例船按船體型線分為兩類,N574、N686型線相同,N786與N687/N728的船型一致。N687、N728和N786的船型是在N574、N686型線的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化的,但貨艙容積比不同,兩類船型差別較大,選擇N574作為示例。

為避免或減少船體艉部邊界層分離引起的能量損失,低速肥大型船舶通常將浮心的縱向位置設(shè)定在舯前2.0%Lpp至3.5%Lpp之間(Lpp為垂線間長(zhǎng)),取值受主尺度、方型系數(shù)、航速等因素的影響[7]。N574船型的最優(yōu)主尺度是通過(guò)已造類似船型統(tǒng)計(jì)分析得到,初步船型是根據(jù)功能和噸位要求,選擇母型船,由NAPA軟件型線變換得到。該船浮心縱向位置在舯前2.9%Lpp。

對(duì)初步船型進(jìn)行型線光順和快速性優(yōu)化。優(yōu)化以降低船舶阻力為主要目的,需要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)吃水下船舶濕表面積最小化,以減少摩擦阻力。此外,船艏部分需要進(jìn)一步減少形狀阻力、興波阻力和首底漩渦等阻力因素的影響,船艉部分也需要適當(dāng)調(diào)節(jié)水線面與螺旋槳軸線之間的角度,以避免或減少艉部邊界層分離的出現(xiàn),促使船體艉部的伴流分布更加均勻的同時(shí),降低粘壓阻力。

使用商用CFD軟件數(shù)值模擬N574穿梭油輪優(yōu)化前和優(yōu)化后的阻力性能,對(duì)比船體周圍流場(chǎng)的興波、流線、壓力分布、速度分布,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的穿梭油輪阻力性能明顯改善。球鼻艏表現(xiàn)出更好的消波效果,艏肩和艉肩的壓力梯度減小,興波阻力降低。此外,優(yōu)化后的尾流場(chǎng)漩渦明顯減少。另外,通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后艉部船體表面的流線和壓力分布圖,確認(rèn)了優(yōu)化后的船體在艉軸附近的流線分布更加均勻,壓力梯度顯著降低,邊界層分離程度減小,降低了船體阻力。

完成型線優(yōu)化以后,由船模拖曳實(shí)驗(yàn)得到阻力與船舶功率。根據(jù)船模試驗(yàn)得到的航速功率預(yù)估曲線可知,在結(jié)構(gòu)吃水為17.55 m、主機(jī)功率為75%MCR,沒有海洋儲(chǔ)備的情況下,N574船的EEDI航速約為14.25 kn,比優(yōu)化前提高0.24 kn。N574與N686船型一致,兩船EEDI值的變化見表2。

表2 船型優(yōu)化技術(shù)對(duì)穿梭油輪能效水平的影響效果比較

2.2 主機(jī)功率降低

降低主機(jī)功率是降低EEDI值的最便捷途徑之一,系列船中N574、N686、N687、N728 滿足EEDI 第一階段即可,但N786需要滿足EEDI的第二階段。經(jīng)EEDI初步設(shè)計(jì)計(jì)算,N786船的主機(jī)SMCR功率需從N687、N728的16 060 kW降低到14 675 kW才能滿足第二階段的要求。但主機(jī)功率過(guò)低會(huì)增加安全事故發(fā)生的可能性,因?yàn)樵趷毫雍r下功率過(guò)低會(huì)降低航向穩(wěn)定性導(dǎo)致無(wú)法駛離危險(xiǎn)區(qū)域。為此,需確認(rèn)船舶主機(jī)最小功率能否正常工作。

根據(jù)MEPC.1/Circ.850-Rev.2,維持船舶在惡劣海況下仍有良好操縱性的最小推進(jìn)功率有兩個(gè)層次的評(píng)價(jià)方法。①第一層次的評(píng)估是基于統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,從最小功率推進(jìn)曲線中得到船舶的最小推進(jìn)功率;②第二層次的評(píng)估基于數(shù)值計(jì)算,根據(jù)簡(jiǎn)化評(píng)估方法確定船舶最小推進(jìn)功率。船舶裝機(jī)功率只要能夠滿足兩個(gè)層次評(píng)估中的任何一個(gè)最小功率,就可以認(rèn)為該船滿足在惡劣海況下維持操縱性要求的最小功率。結(jié)合穿梭油輪N786的狀況,簡(jiǎn)述兩個(gè)方法評(píng)估過(guò)程和結(jié)果。

1)第一層次的評(píng)估方法。

W=a×DWT+b

(1)

式中:W為最小推進(jìn)功率;DWT為船舶載重噸,t;根據(jù)MEPC.1/Circ.850-Rev.2,對(duì)于油船參數(shù)a=0.065 2,b=5 960.2。

主機(jī)額定功率(MCR)大于最小推進(jìn)功率曲線值,則認(rèn)為滿足評(píng)估要求。根據(jù)第一層次評(píng)估方法計(jì)算本船的主機(jī)最小功率為16 001 kW,比擬定的主機(jī)SMCR功率14 675 kW要大,所以需要進(jìn)行第二層次的評(píng)估方法。

2)第二層次的評(píng)估方法。

(1)第二層次評(píng)估的原則是具備足夠裝機(jī)功率的船舶,在頂風(fēng)頂浪的情況下以一定的航速向前行駛,在受到任意方向的風(fēng)壓下應(yīng)仍能夠保持航向穩(wěn)定[8-9]。該評(píng)估僅考慮船舶在沿船長(zhǎng)方向做定常運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況。通過(guò)調(diào)節(jié)船舶在逆風(fēng)迎浪中的前進(jìn)航速使其滿足要求,來(lái)評(píng)估船舶在風(fēng)浪中保持航向所需的最小主機(jī)功率。確定船舶在頂風(fēng)頂浪時(shí)保證航向穩(wěn)定性的最小航速Vs。

Vs=max(Vnav,Vck)

(2)

式中:Vnav=4 kn,Vck=Vck,ref=10.0×(AR/LPPTM(1.0+25.0(Bwl/LPP)2)-0.9)航行保持參考航速Vref可以通過(guò)AF/AL的值來(lái)計(jì)算:當(dāng)AF/AL≤0.1,Vref=0.9;當(dāng)AF/AL≥0.4,Vref= 0.4;當(dāng)0.1

對(duì)于N786船,LPP=265.0 m,AR=64.05 m2,Bwl=47.00 m,AF=1 020.00 m2,AL=2 954.00 m2,TM=17.3 m,因此可以得到Vck,ref=4.91 kn,Vck=6.09 kn,故本船最小航速Vs為6.09 kn。另外,因?yàn)镹786船的LPP>250 m,對(duì)于本船惡劣海況定義為有義波高HS=5.5 m,浪周期TP=7.0～15.0 s,風(fēng)速Vw=19.0 m/s。

(2)計(jì)算船舶在惡劣海況下維持操縱性需要克服的阻力,包括靜水阻力Rcw、附體阻力Rapp、空氣阻力Rair和波浪增阻Raw。對(duì)于靜水阻力Rcw,按照公式(3)計(jì)算。對(duì)于空氣阻力Rair按照公式(4)進(jìn)行。波浪增阻Raw,按照公式(5)計(jì)算?？傋枇按照公式(6)計(jì)算。附體阻力忽略不計(jì)。

(3)

(4)

(5)

式中:HS為有義波高,這里取值為5.5 m。

R=RCW+Rapp+Rair+Raw

(6)

計(jì)算結(jié)果:Rcw=193.68 kN,Rair=264.20 kN,Raw=790.13 kN,R=1 248.01 kN。

除了印刷技術(shù)方面，在環(huán)保方面，利豐雅高也響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，積極進(jìn)行環(huán)保生產(chǎn)。公司在空氣治理方面投入400萬(wàn)安裝了VOCs末端催化燃燒裝置；積極做好源頭控制，禁用含酒精的異丙醇洗車水；嚴(yán)格進(jìn)行過(guò)程管控，比如將擦拭布放在密封箱里等。末端治理方面，利豐雅高安裝了廢水凈化裝置，保證排出的是符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的廢水。對(duì)于廢固，其按照規(guī)定碼放、建立臺(tái)賬、交由資質(zhì)公司處置?？梢哉f(shuō)，利豐雅高在環(huán)保的路上真正做到了源頭控制、過(guò)程管控、末端治理。

3)計(jì)算螺旋槳克服總阻力所需推力和螺旋槳進(jìn)速系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)。根據(jù)螺旋槳敞水試驗(yàn),螺旋槳克服總阻力所需要的推力為

T=R/(1-t)

(7)

式中:t為推力減額系數(shù),R為總阻力。

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果,t取值為0.181。根據(jù)前方計(jì)算結(jié)果,得到T=1 523.82 kN。

根據(jù)公式(8)并結(jié)合螺旋槳敞水試驗(yàn)數(shù)據(jù), 計(jì)算螺旋槳進(jìn)速系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

(8)

式中:ρ為海水密度。ua為螺旋槳前進(jìn)速度,按ua=Vs(1-w)計(jì)算,w為伴流系數(shù);Dp為螺旋槳直徑;KT/J2為螺旋槳負(fù)荷系數(shù)。

按模型試驗(yàn)報(bào)告,伴流系數(shù)w取值0.254,Vs為6.09 kn,得到ua為2.337 m/s,Dp為8.3 m。計(jì)算得到KT/J2為3.946 5。結(jié)合螺旋槳的敞水試驗(yàn)結(jié)果,得到進(jìn)速系數(shù)J為0.276 2,轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ為0.035 87。

4)計(jì)算螺旋槳轉(zhuǎn)速n、主機(jī)功率Ps和轉(zhuǎn)矩Q。

(9)

PS=PD/ηS

(10)

Q=PD/ηS/(2πn)

(11)

式中:ηS為軸的傳遞效率,PD為螺旋槳收到功率。通常尾機(jī)型船舶月為0.98,中機(jī)型船舶為0.97,N786船ηS取值0.98。計(jì)算后得到轉(zhuǎn)速為61.167,主機(jī)功率PS為9 846.25 kW,轉(zhuǎn)矩Q為1 537.18 kN·m。

5)核查主機(jī)資料,確認(rèn)功率、轉(zhuǎn)矩可以滿足計(jì)算要求結(jié)果(見圖1)。綜合以上,主機(jī)對(duì)應(yīng)機(jī)型MAN 6G70ME-C10.5 Tier II,SMCR14,675 kW,74 r/min完全滿足EEDI-II的制動(dòng)功率需求。

圖1 主機(jī)負(fù)載、要求轉(zhuǎn)速與功率轉(zhuǎn)矩校核結(jié)果

N786與N687/728船體線型一致,且N786與N687/728空船重量和載重噸沒有變化。但N786調(diào)整了自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)系數(shù)。因此,為了簡(jiǎn)單比較降低主機(jī)功率對(duì)能效水平的影響,假設(shè)自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)系數(shù)一致。通過(guò)模型試驗(yàn),得到此時(shí)N687/N728 EEDI航速為14.02 kn,N786 EEDI航速為13.60 kn。由表3 可知,即便是主機(jī)功率降低引起船舶航速降低0.42 kn,但對(duì)EEDI折減系數(shù)有5.75%的提升。

表3 主機(jī)功率降低與航速優(yōu)化對(duì)穿梭油輪能效水平的影響效果

2.3 安裝節(jié)能裝置

節(jié)能導(dǎo)管通常適用于油船類艉部肥大的船舶,此裝置一方面可以減少艉部的流動(dòng)分離,降低形狀阻力;另一方面可以加速螺旋槳上部進(jìn)流,使槳盤面的進(jìn)流更加均勻,提高了推進(jìn)效率;同時(shí)可調(diào)整螺旋槳進(jìn)流的預(yù)旋程度,減少艉流中的旋轉(zhuǎn)能力損失。該裝置能夠有效改善螺旋槳入流場(chǎng)的均勻性,通過(guò)提高船身效率和降低螺旋槳艉流場(chǎng)旋轉(zhuǎn)能量的損失,能獲得較好的節(jié)能效果。

舟山中遠(yuǎn)建造的5艘穿梭油輪中,N574、N686中沒有添加節(jié)能導(dǎo)管,N687、N728、N786船舶中有添加節(jié)能導(dǎo)管。在開發(fā)N786的時(shí)候,通過(guò)船模拖曳實(shí)驗(yàn)分析節(jié)能導(dǎo)管的添加對(duì)船舶阻力降低和航速提升的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,加裝節(jié)能導(dǎo)管能使船舶結(jié)構(gòu)吃水下達(dá)到同等航速所需要的主機(jī)功率降低4.3%以上,意味著相同主機(jī)功率時(shí)船舶航速能提高達(dá)0.22 kn(圖2)。通過(guò)EEDI計(jì)算方法可以看出,安裝節(jié)能導(dǎo)管對(duì)N786船EEDI有1.23%的提升,見表4。

圖2 安裝節(jié)能導(dǎo)管前后功率和航速比較

表4 安裝節(jié)能導(dǎo)管對(duì)穿梭油輪能效水平的影響效果

2.4 船體結(jié)構(gòu)減重

船體重量減輕也是提高船舶能效水平的重要技術(shù)手段之一。對(duì)于N786船舶的貨艙而言,載荷上高速透氣閥壓力減小導(dǎo)致貨艙壓力減小,所以在材料屬性不變的情況下相對(duì)于母型船而言,設(shè)計(jì)船貨艙板厚有減小的余地。

通過(guò)提高構(gòu)件鋼材等級(jí),對(duì)高應(yīng)力區(qū)的角隅和開孔進(jìn)行細(xì)化有限元分析,根據(jù)分析結(jié)果對(duì)比調(diào)整板厚和構(gòu)件大小反復(fù)進(jìn)行驗(yàn)算,得到:貨艙區(qū)主甲板從28.5 mm板厚減薄到18.5 mm,內(nèi)底板平均減厚1 mm,主甲板,內(nèi)底板縱向筋整體減小;上建甲板的部分室內(nèi)甲板減薄1 mm,共減重7 t;主甲板艙蓋墊板減薄減重5.7 t,同時(shí)背部加強(qiáng)取消減重18.7 t;面板小于400的防傾肘板背肘板取消,減重3.5 t;機(jī)艙3平臺(tái)下的隔離空艙反到甲板上,減重12.3 t。減重后貨艙區(qū)船體結(jié)構(gòu)理論重量由母型船19 057 t減為16 922 t。最終經(jīng)傾斜試驗(yàn)驗(yàn)證,全船優(yōu)化后空船重量實(shí)際為29 067 t,相比母型船實(shí)現(xiàn)減重2 242 t。N786船將空船重量的部分用于提高船舶載重量,結(jié)構(gòu)減重對(duì)于該船舶EEDI數(shù)值降低0.45%,見表5。

表5 船體結(jié)構(gòu)減重對(duì)穿梭油輪能效水平的影響效果

2.5 船舶特定的自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

根據(jù)MEPC.308(73)EEDI計(jì)算指南,船舶自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)系數(shù)fi VSE為

fi VSE=DWTreference design/DWTenhanced design

(14)

式中:DWTreference design為去除自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的載重噸,DWTenhanced design為保留自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的載重噸。若不考慮船舶特定的自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng),fi VSE可取值為1。

穿梭油輪在裝卸油期間為保持動(dòng)力定位功能,除配備主推進(jìn)器外,還額外配備了2個(gè)側(cè)推和3個(gè)方位推。另外與常規(guī)油輪相比,穿梭油輪還多了一套艏裝載系統(tǒng)。這些導(dǎo)致船舶載重噸損失的設(shè)備及相應(yīng)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)都可視作特定的自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。已建造的穿梭油輪項(xiàng)目中,N574、N686、N687、N728均未考慮船舶特定的自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng),N786船考慮了特定的自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。在與船級(jí)社探討后,需提交兩套不同的圖紙進(jìn)行評(píng)定特定的自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。一套圖紙為正常設(shè)計(jì)包含特定的自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng),而另外一套圖紙則是去除特定的自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)圖紙和穩(wěn)性計(jì)算資料。通過(guò)計(jì)算去除特定的自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的船舶空船重量和重心位置,并對(duì)計(jì)算的空船重量和重心位置進(jìn)行船舶穩(wěn)性校核,確保去除特定的自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的船舶設(shè)計(jì)也能滿足完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性的要求。

經(jīng)傾斜試驗(yàn)驗(yàn)證,N786船加強(qiáng)后的載重噸為154 955 t,加強(qiáng)前的載重噸為156 586 t,因此可得fi VSE為1.010 5。經(jīng)對(duì)比計(jì)算,考慮N786船特定的自愿加強(qiáng)fi VSE數(shù)值能降低EEDI,使折減系數(shù)提高0.79%,見表6。

表6 自愿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)系數(shù)調(diào)整對(duì)穿梭油輪能效水平的影響效果

3 效果分析

綜合以上,通過(guò)圖3可以確認(rèn)各項(xiàng)綠色船舶技術(shù)對(duì)EEDI折減系數(shù)的提升效果。首先,降低主機(jī)功率能夠提升船舶能效水平5.75%。而對(duì)于船型優(yōu)化、安裝節(jié)能導(dǎo)管裝置、船體結(jié)構(gòu)減重和調(diào)整自愿加強(qiáng)系數(shù)等技術(shù)對(duì)于該類船舶的能效水平的提高水平相當(dāng),提升效果在0.45%～1.43%。需要強(qiáng)調(diào)的是,EEDI要求的第一階段對(duì)比0階段要求提升能效水平10%,第二階段對(duì)比第一階段要求能效水平提升10%。考慮到這一點(diǎn),各綠色船舶技術(shù)提升效果明顯,特別是降低主機(jī)功率這一技術(shù),原因是EEDI評(píng)價(jià)技術(shù)主要評(píng)價(jià)船舶能效水平,而能效水平與主機(jī)功率、燃油消耗量有直接關(guān)系。其他技術(shù)通過(guò)降低船舶阻力或增加船舶的載重量來(lái)降低其船舶能耗水平。

圖3 綠色船舶技術(shù)對(duì)于穿梭油輪能效水平提升效果比較

4 結(jié)論

1)滿足最小推進(jìn)功率的前提下降低主機(jī)功率對(duì)EEDI的提升效果最大,比其他優(yōu)化技術(shù)對(duì)于穿梭油輪的能效水平高出5倍左右。

2)船型優(yōu)化、安裝節(jié)能裝置對(duì)EEDI的提升效果相當(dāng),略高于船體結(jié)構(gòu)減重與自愿加強(qiáng)系數(shù)調(diào)整。

3)在不能滿足EEDI能效水平要求時(shí),可優(yōu)先考慮從主機(jī)功率降低或者低碳燃料的使用等方面優(yōu)先考慮,其他綠色船舶技術(shù)協(xié)同應(yīng)用,以提高能效水平,滿足EEDI要求。