續(xù)建環(huán)保船設(shè)計(jì)優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)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(jì)優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)性分析

楊學(xué)利，時(shí)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(duì)渤海環(huán)保船在油田運(yùn)營(yíng)服務(wù)中反饋的問(wèn)題，在后續(xù)的天津環(huán)保船設(shè)計(jì)中進(jìn)行改進(jìn)，避免了同類問(wèn)題的出現(xiàn)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅節(jié)約了初始投資，實(shí)現(xiàn)環(huán)保船的功能最優(yōu)，并且降低了后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用。

環(huán)保船；運(yùn)營(yíng)中主要問(wèn)題；設(shè)計(jì)優(yōu)化；經(jīng)濟(jì)性分析

渤海環(huán)保船在中石油大連“7·16”溢油搶險(xiǎn)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(wèn)題。例如：四機(jī)配置機(jī)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(xiàng)目，目的是進(jìn)一步增強(qiáng)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(jí)消防船及近海供應(yīng)船，主要用途如下。

1)具有接收/返輸測(cè)試井液功能。

2)溢油監(jiān)測(cè)與回收、消油功能。

3)海上平臺(tái)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(tái)的守護(hù)、救生、值班等任務(wù)(搭乘獲救人員100人)。

5)對(duì)外進(jìn)行消防滅火(入FIFI1級(jí))。

6)具有冰區(qū)B2級(jí)加強(qiáng)及航行功能。

7)具有散料輸送功能。

為實(shí)現(xiàn)其功能，特進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 船型優(yōu)化

1.1.1 主尺度優(yōu)化

從波浪對(duì)船舶操縱方面的影響來(lái)講，足夠大的長(zhǎng)度和寬度，顯然有利于船舶在波浪作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，其中，橫搖、縱搖和垂蕩對(duì)船舶安全威脅較大。但是過(guò)大的主尺度，不但會(huì)影響相應(yīng)的性能及結(jié)構(gòu)要求、同比上升的機(jī)/槳功率匹配、出現(xiàn)不必要的空間浪費(fèi)，還會(huì)由此加大初始投入、降低船舶營(yíng)運(yùn)的性價(jià)比，經(jīng)濟(jì)性降低。

從風(fēng)對(duì)船舶操縱影響的角度來(lái)講，除了航行速度，還會(huì)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(gè)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(shí)，極易導(dǎo)致船舶劇烈橫傾，使船舶有產(chǎn)生傾覆的危險(xiǎn)。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(jī)、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(guò)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(jī)功率在4 400 kW左右，主尺度一般總長(zhǎng)不超過(guò)70 m；型寬14～16 m；型深不超過(guò)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(jì)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(jì)所參考的船型參數(shù)見(jiàn)表1。

1.1.2 取消球鼻艏

從設(shè)計(jì)的角度選用球鼻艏時(shí)，要綜合考慮快速性、耐波性，以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、造價(jià)、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(jī)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(shí)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，并且考慮停靠碼頭操作較困難而且要具有冰區(qū)B2級(jí)加強(qiáng)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(yùn)輸船與工作船中廣泛應(yīng)用[3]。見(jiàn)圖1。

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)參考船舶

注：海洋石油252即為渤海環(huán)保船。

圖1 船艏對(duì)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(guò)程中艉側(cè)推安裝工藝性較差。且艉側(cè)推管隧開(kāi)口位置與艉軸管有一定程度的遮擋。會(huì)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(shí)水流抨擊船體，艉部振動(dòng)與噪音較大。綜合以上問(wèn)題，通過(guò)修改艉部線型并增加分水踵結(jié)構(gòu)統(tǒng)籌解決。見(jiàn)圖2。

圖2 船艉對(duì)比

1.1.4 取消艉滾筒

母型船及后續(xù)新建船舶均無(wú)拖帶功能，因此可以取消艉滾筒。考慮溢油應(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(jì)170 m3。裝載散料后此時(shí)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(jì)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(duì)于解決裝載散料運(yùn)輸，調(diào)整艏部?jī)A斜問(wèn)題保證安全航行具有重要作用。

1.2 動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化

1.2.1 四機(jī)雙槳優(yōu)化為雙機(jī)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(jī)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(cè)試井液接受/返輸?shù)鹊拓?fù)荷工況時(shí)，出于安全考慮也采用四機(jī)推進(jìn)模式。四機(jī)方案較雙機(jī)方案在總功率一樣的情況下主機(jī)多了一倍，四機(jī)方案機(jī)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(jī)方案平時(shí)操作管理簡(jiǎn)單，日常維護(hù)保養(yǎng)工作量較少，而四機(jī)方案在動(dòng)力裝置操作管理和維護(hù)保養(yǎng)方面較雙機(jī)方案復(fù)雜。并且四機(jī)方案的齒輪箱也較雙機(jī)方案齒輪箱復(fù)雜，故障率也會(huì)相對(duì)增多，降低了船舶的在航率。同時(shí)四機(jī)方案?jìng)浼?kù)存量也相應(yīng)增加。

由表2所示對(duì)于主機(jī)的動(dòng)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(jī)。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(kāi)四機(jī)才能滿足作業(yè)要求。相對(duì)來(lái)說(shuō)，溢油回收和巡航守護(hù)工況對(duì)船舶操作性要求不高，且作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值也較低，因此，理論上四機(jī)靈活適用各種工況，較雙機(jī)經(jīng)濟(jì)省油且安全。就本船來(lái)說(shuō)實(shí)際操作工況下主機(jī)功率的分配方案。四機(jī)優(yōu)于雙機(jī)明顯缺乏說(shuō)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(lái)講，導(dǎo)管調(diào)距槳的優(yōu)點(diǎn)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(shí)，拖力可增加20%～30%。本船無(wú)拖帶任務(wù)，偏重于運(yùn)輸類船舶。且低速工作時(shí)負(fù)荷較輕，所以采用意義不大；其次，作為油田平臺(tái)供應(yīng)船舶作業(yè)時(shí)，帶有導(dǎo)流管船舶尾靠平臺(tái)倒車性能，較敞水槳船舶差；最后，平臺(tái)周圍受海流、風(fēng)浪等作用，有時(shí)聚集漂浮的垃圾雜物。船舶作業(yè)時(shí)雜物易卷入導(dǎo)管中時(shí)，一但卡住槳葉。嚴(yán)重時(shí)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(jī)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(shí)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(lái)說(shuō)，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(dòng)的方面考慮，螺旋槳與船體間的間隙不宜過(guò)小，否則，可能引起嚴(yán)重振動(dòng)。參照《鋼制海船入級(jí)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(jì)要求螺旋槳直徑實(shí)取3.200 m。

1.2.3 推進(jìn)器支架優(yōu)化

采集船模水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化螺旋槳設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)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(dòng)、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(jiàn)圖3。

圖3 人字架對(duì)比

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)總結(jié)

查閱母型船和后續(xù)船的船模試驗(yàn)報(bào)告。對(duì)比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)取消球鼻艏，不帶槳進(jìn)行船模阻力試驗(yàn)。同一航速下船舶總阻力較母型船增加約10%。本船總長(zhǎng)及型深均較原母型船增大(見(jiàn)表3)，理論上阻力會(huì)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(cè)位于尾甲板上表面槳葉上方振動(dòng)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(guò)程中檢測(cè)數(shù)據(jù)具有說(shuō)服力。需要指出的是本船具有冰區(qū)B2級(jí)加強(qiáng)及航行功能。因此，船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高也是其中的一個(gè)積極因素。

表3 續(xù)建船與母型船參數(shù)對(duì)比

對(duì)比母型船和后續(xù)船在帶槳帶舵，設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下自由航行船模試驗(yàn)報(bào)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(duì)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(gè)重要因子，伴流分?jǐn)?shù)、推力減額分?jǐn)?shù)是推進(jìn)器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性分析

以2015年為計(jì)算基礎(chǔ)，由此推斷計(jì)算船舶四機(jī)聯(lián)動(dòng)最低工作時(shí)間取為3 916 h?？紤]到船舶頻繁停靠碼頭次數(shù)較多，以及存在低速巡航和穿梭平臺(tái)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(shí)間46%考慮；母型船原動(dòng)力為四機(jī)4 400 kW；理論油耗≤192 g/(kW·h)+3%；續(xù)建船為雙機(jī)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(fèi)用約55.9萬(wàn)元。

3.2 維護(hù)保養(yǎng)經(jīng)濟(jì)性分析

四機(jī)變雙機(jī)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(fèi)用約3萬(wàn)元，降低支付設(shè)備商維護(hù)工時(shí)費(fèi)約2萬(wàn)元，共計(jì)5萬(wàn)元。年運(yùn)營(yíng)總成本降低約61萬(wàn)元。

4 結(jié)論

在當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)不景氣，國(guó)際油價(jià)持續(xù)低迷，中海油必須堅(jiān)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(duì)外消防等特殊情況下，航速提高及早到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)能夠減小事故災(zāi)害的擴(kuò)大，降低災(zāi)害損失。

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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(jì)建造