續(xù)建環(huán)保船設(shè)計優(yōu)化與經(jīng)濟性分析

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(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

續(xù)建環(huán)保船設(shè)計優(yōu)化與經(jīng)濟性分析

楊學(xué)利，時永軍，夏華波

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

針對渤海環(huán)保船在油田運營服務(wù)中反饋的問題，在后續(xù)的天津環(huán)保船設(shè)計中進(jìn)行改進(jìn)，避免了同類問題的出現(xiàn)，通過優(yōu)化設(shè)計不僅節(jié)約了初始投資，實現(xiàn)環(huán)保船的功能最優(yōu)，并且降低了后期運營維護(hù)費用。

環(huán)保船；運營中主要問題；設(shè)計優(yōu)化；經(jīng)濟性分析

渤海環(huán)保船在中石油大連“7·16”溢油搶險事故中起到了主力軍的作用，受到了肯定，但在后期投入油田服務(wù)中逐步暴露出一些問題。例如：四機配置機艙日常保養(yǎng)維護(hù)工作量大、維護(hù)成本高。作為供應(yīng)船航速偏低，且功能上不夠全面，缺少散料輸送功能，等。

天津環(huán)保船為渤海環(huán)保船的續(xù)建項目，目的是進(jìn)一步增強渤海灣油田的溢油應(yīng)急能力。4 400 kW天津環(huán)保船是一艘溢油回收船兼油田守護(hù)船、一級消防船及近海供應(yīng)船，主要用途如下。

1)具有接收/返輸測試井液功能。

2)溢油監(jiān)測與回收、消油功能。

3)海上平臺供應(yīng)(燃油、淡水、鉆井水、鉆井器材及生活用品等)。

4)承擔(dān)平臺的守護(hù)、救生、值班等任務(wù)(搭乘獲救人員100人)。

5)對外進(jìn)行消防滅火(入FIFI1級)。

6)具有冰區(qū)B2級加強及航行功能。

7)具有散料輸送功能。

為實現(xiàn)其功能，特進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 設(shè)計優(yōu)化

1.1 船型優(yōu)化

1.1.1 主尺度優(yōu)化

從波浪對船舶操縱方面的影響來講，足夠大的長度和寬度，顯然有利于船舶在波浪作用下產(chǎn)生的運動響應(yīng)，其中，橫搖、縱搖和垂蕩對船舶安全威脅較大。但是過大的主尺度，不但會影響相應(yīng)的性能及結(jié)構(gòu)要求、同比上升的機/槳功率匹配、出現(xiàn)不必要的空間浪費，還會由此加大初始投入、降低船舶營運的性價比，經(jīng)濟性降低。

從風(fēng)對船舶操縱影響的角度來講，除了航行速度，還會使船舶產(chǎn)生向下風(fēng)漂移；使船舶產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)；并且，在風(fēng)力傾側(cè)力矩的作用下，還產(chǎn)生一個風(fēng)壓橫傾角，使船舶發(fā)生向下風(fēng)傾斜，船舶側(cè)面受風(fēng)面積越大、初穩(wěn)性高度越小、船舶的重心越高，橫傾角就越大。當(dāng)船舶在大風(fēng)浪中航行，一旦船舶由風(fēng)力傾側(cè)力矩引起的橫傾角與船舶在波浪中的橫搖角以及船舶在轉(zhuǎn)向和旋回中的外傾角在相位上一致時，極易導(dǎo)致船舶劇烈橫傾，使船舶有產(chǎn)生傾覆的危險。所以主尺度應(yīng)根據(jù)海況需求優(yōu)化。

因此，考慮參照MPSV通用主尺度，結(jié)合作業(yè)功能和“機、槳、殼”需要，選擇接近常態(tài)海況適用的船舶主尺度，并有足夠抵御極端海況的裕度；適當(dāng)控制上建體積，通過合理布局構(gòu)造，降低重心高度，提升初穩(wěn)性高度。

服務(wù)于渤海海域的三用工作船其主機功率在4 400 kW左右，主尺度一般總長不超過70 m；型寬14～16 m；型深不超過7 m。根據(jù)渤海海域水深和本船使用要求，本船吃水應(yīng)選在4.5～5.5 m之間。經(jīng)濟航速在13～15 kn。主尺度的選取,主要依據(jù)功能要求和作業(yè)環(huán)境，在確保具有良好操縱性和足夠穩(wěn)性的前提下，力求獲得良好的快速及適航性能。優(yōu)化設(shè)計所參考的船型參數(shù)見表1。

1.1.2 取消球鼻艏

從設(shè)計的角度選用球鼻艏時，要綜合考慮快速性、耐波性，以及結(jié)構(gòu)強度、造價、工藝、航行使用和錨泊設(shè)備布置等因素。安裝球鼻艏有利于提高推進(jìn)效率，球鼻艏影響阻力的機理是復(fù)雜的，不僅與各種載況下的航速有關(guān)，而且與船型密切相關(guān)。有些十分成功的球鼻在其他船上應(yīng)用時不一定獲得滿意效果。鑒于環(huán)保船使用工況復(fù)雜，日常服務(wù)區(qū)域海況良好，并且考慮?？看a頭操作較困難而且要具有冰區(qū)B2級加強及航行功能，故取消母型船球鼻艏，改為垂直艏。垂直艏型船以其波浪中良好的快速性能，目前在運輸船與工作船中廣泛應(yīng)用[3]。見圖1。

表1 優(yōu)化設(shè)計參考船舶

注：海洋石油252即為渤海環(huán)保船。

圖1 船艏對比

1.1.3 增加分水踵結(jié)構(gòu)

母型船艉部線型結(jié)構(gòu)曲率變化較大，建造過程中艉側(cè)推安裝工藝性較差。且艉側(cè)推管隧開口位置與艉軸管有一定程度的遮擋。會減弱艉側(cè)推推力。另外，艉部吃水水線較為肥鈍。用船方反饋船舶倒車時水流抨擊船體，艉部振動與噪音較大。綜合以上問題，通過修改艉部線型并增加分水踵結(jié)構(gòu)統(tǒng)籌解決。見圖2。

圖2 船艉對比

1.1.4 取消艉滾筒

母型船及后續(xù)新建船舶均無拖帶功能，因此可以取消艉滾筒?？紤]溢油應(yīng)急布放圍油欄需求，仍保留尾滾筒上部位置圓弧型結(jié)構(gòu)。艏部布置散料灰罐4組總計170 m3。裝載散料后此時船舶浮態(tài)艏傾嚴(yán)重。因此要求最尾部的壓載艙艙容盡可能大，這樣才更有利于調(diào)整船舶浮態(tài)。結(jié)構(gòu)設(shè)計上聯(lián)通艉壓載艙及不必要的隔離空艙，全部合并為艉壓載艙艙容，新增壓載水艙容近50 m3，對于解決裝載散料運輸，調(diào)整艏部傾斜問題保證安全航行具有重要作用。

1.2 動力推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化

1.2.1 四機雙槳優(yōu)化為雙機雙槳

母型船在進(jìn)出航道、出港航行等大功率工況下需采用四機推進(jìn)模式。而且在需要冗余功率的情況下如靠離碼頭、供應(yīng)及測試井液接受/返輸?shù)鹊拓?fù)荷工況時，出于安全考慮也采用四機推進(jìn)模式。四機方案較雙機方案在總功率一樣的情況下主機多了一倍，四機方案機艙空間的占有率較大,所需輔助設(shè)備及管系也相應(yīng)增多，增加船舶布置難度,造成設(shè)備空間的擁擠，維修操作性差。雙機方案平時操作管理簡單，日常維護(hù)保養(yǎng)工作量較少，而四機方案在動力裝置操作管理和維護(hù)保養(yǎng)方面較雙機方案復(fù)雜。并且四機方案的齒輪箱也較雙機方案齒輪箱復(fù)雜，故障率也會相對增多，降低了船舶的在航率。同時四機方案備件庫存量也相應(yīng)增加。

由表2所示對于主機的動力總負(fù)載，只有溢油回收和巡航守護(hù)這2種工況使用雙機。設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)量上存在功率的備份或冗余，能夠體現(xiàn)其安全可靠性。其余工況必須開四機才能滿足作業(yè)要求。相對來說，溢油回收和巡航守護(hù)工況對船舶操作性要求不高，且作業(yè)風(fēng)險評估值也較低，因此，理論上四機靈活適用各種工況，較雙機經(jīng)濟省油且安全。就本船來說實際操作工況下主機功率的分配方案。四機優(yōu)于雙機明顯缺乏說服力。

1.2.2 推進(jìn)器優(yōu)化

原導(dǎo)管調(diào)距槳槳葉直徑為2.8 m。一般來講，導(dǎo)管調(diào)距槳的優(yōu)點是在低速負(fù)荷比較重的情況下能夠增加拖力。例如拖輪在拖拽作業(yè)速度為4～5 kn時，拖力可增加20%～30%。本船無拖帶任務(wù)，偏重于運輸類船舶。且低速工作時負(fù)荷較輕，所以采用意義不大；其次，作為油田平臺供應(yīng)船舶作業(yè)時，帶有導(dǎo)流管船舶尾靠平臺倒車性能，較敞水槳船舶差；最后，平臺周圍受海流、風(fēng)浪等作用，有時聚集漂浮的垃圾雜物。船舶作業(yè)時雜物易卷入導(dǎo)管中時，一但卡住槳葉。嚴(yán)重時需要停車清理。綜上，改為采用敞水調(diào)距槳。

表2 母型船主機工況負(fù)載表

普通敞水螺旋槳直徑大致范圍如下。

D=(0.7～0.8)TA(單槳)

D=(0.6～0.7)TA(雙槳)

式中：TA為滿載時船艉處吃水(本船為5.5 m)，故初步取螺旋槳直徑約為3.300 m；

一般來說，螺旋槳直徑越大，轉(zhuǎn)速越低者效率越高。但直徑受到船的吃水和艉部間隙所限制，從振動的方面考慮，螺旋槳與船體間的間隙不宜過小，否則，可能引起嚴(yán)重振動。參照《鋼制海船入級規(guī)范2014》第2篇第2.14.4節(jié)進(jìn)行校核，滿足規(guī)范設(shè)計要求螺旋槳直徑實取3.200 m。

1.2.3 推進(jìn)器支架優(yōu)化

采集船模水池試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化螺旋槳設(shè)計。設(shè)計中發(fā)現(xiàn)原設(shè)計方案人字架布置伴流情況不好，出現(xiàn)了水流分離，可能導(dǎo)致振動、噪聲和空泡。修改人字架界面形狀、調(diào)整安裝角度，改善了人字架處伴流情況。見圖3。

圖3 人字架對比

2 優(yōu)化設(shè)計總結(jié)

查閱母型船和后續(xù)船的船模試驗報告。對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計取消球鼻艏，不帶槳進(jìn)行船模阻力試驗。同一航速下船舶總阻力較母型船增加約10%。本船總長及型深均較原母型船增大(見表3)，理論上阻力會有增加。取消球鼻艏是否獲得優(yōu)化有利因素，需進(jìn)一步研究。

艉部線型的優(yōu)化，在船舶試航中。檢測位于尾甲板上表面槳葉上方振動噪音，滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)且較母型船改善明顯。尤其倒車過程中檢測數(shù)據(jù)具有說服力。需要指出的是本船具有冰區(qū)B2級加強及航行功能。因此，船體結(jié)構(gòu)強度提高也是其中的一個積極因素。

表3 續(xù)建船與母型船參數(shù)對比

對比母型船和后續(xù)船在帶槳帶舵，設(shè)計吃水狀態(tài)下自由航行船模試驗報告。后續(xù)船的伴流分?jǐn)?shù)、推力減額分?jǐn)?shù)較母型船均有下降。在同一船型條件下螺旋槳直徑的增減對伴流分?jǐn)?shù)的影響是顯著的[4]。螺旋槳直徑增減10%，相應(yīng)伴流分?jǐn)?shù)減少或增加8%～9%。作為船舶自航2個重要因子，伴流分?jǐn)?shù)、推力減額分?jǐn)?shù)是推進(jìn)器設(shè)計的重要參數(shù)。

3 經(jīng)濟性分析

3.1 運營經(jīng)濟性分析

以2015年為計算基礎(chǔ)，由此推斷計算船舶四機聯(lián)動最低工作時間取為3 916 h?？紤]到船舶頻繁?？看a頭次數(shù)較多，以及存在低速巡航和穿梭平臺群、浮油回收、應(yīng)急演習(xí)等工況。依據(jù)表2按占總工作時間46%考慮；母型船原動力為四機4 400 kW；理論油耗≤192 g/(kW·h)+3%；續(xù)建船為雙機4 400 kW；理論油耗≤189 g/(kW·h)+3%；假定2者相同取低值；假定后續(xù)船與母型船同條航線，執(zhí)行同一工作任務(wù)。則單船每年節(jié)約燃油費用約55.9萬元。

3.2 維護(hù)保養(yǎng)經(jīng)濟性分析

四機變雙機單船備件減少一半。根據(jù)用船方提供資料每年減少備件采供費用約3萬元，降低支付設(shè)備商維護(hù)工時費約2萬元，共計5萬元。年運營總成本降低約61萬元。

4 結(jié)論

在當(dāng)前全球經(jīng)濟不景氣，國際油價持續(xù)低迷，中海油必須堅持節(jié)能降耗、降本增效。更為重要的是，作為浮油回收船，在溢油應(yīng)急、對外消防等特殊情況下，航速提高及早到達(dá)事故現(xiàn)場能夠減小事故災(zāi)害的擴大，降低災(zāi)害損失。

[1] 中國船級社.鋼制海船入級規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2014。

[2] 陳可越.船舶設(shè)計實用手冊[M].ISBN7-88619-128-8北京：中國交通科技出版社，2007.

[3] 謝嫦娥，何靜，秦江濤.垂直艏船型阻力性能的數(shù)值與試驗研究[J].中國水運，2015,15(8)：13-14：1006-7973

[4] 陳昌運，陳霞萍.螺旋槳直徑對伴流分?jǐn)?shù)的影響研究[C].船舶水動力學(xué)學(xué)術(shù)會議暨中國船舶學(xué)術(shù)界進(jìn)入ITCC 30周年紀(jì)念會，2008.

[5] 盛振邦、劉應(yīng)中.船舶原理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

[6] 陶秋霞.萬噸級江海直達(dá)肥大型散貨船線型優(yōu)化設(shè)計[J].船海工程，2009(6):2-5.

Optimization Design and Economic Analysis of Environmental Protection Ship

YANGXue-li,SHIYong-jun,XIAHua-bo

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300451, China)

Aiming at the feedback of environmental protection vessel in operation service of Bohai oilfield, the design phase was optimized so as to avoid the emergence of similar problems. Through the optimization design, not only the initial investment was saved, the function of the environmental protection ship was optimized, but also the late operation and maintenance cost was reduced.

environmental protection vessel; main problems in operation; optimal design; economic analysis

U662

A

1671-7953(2017)05-0013-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.005

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

楊學(xué)利(1974—)，男，大學(xué)，工程師

研究方向：船舶與海洋工程設(shè)計建造