“雙碳”背景下散貨船優(yōu)化升級(jí)思路

焦宇清

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前 言

“雙碳”為“碳達(dá)峰”與“碳中和”的簡稱，“雙碳”戰(zhàn)略倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、低碳的生活方式。 加快降低碳排放步伐，有利于引導(dǎo)綠色技術(shù)創(chuàng)新，提高產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的全球競爭力。2020 年9 月22 日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上宣布，中國二氧化碳排放力爭2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示， 船舶行業(yè)每年的碳排放量為11.2 億t 以上，約占世界二氧化碳排放總量的4.5%，并呈繼續(xù)增加的趨勢。 在“雙碳”目標(biāo)壓力下，船舶行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型迫在眉睫。 近年來，國際海事組織（IMO）等機(jī)構(gòu)相繼制定推出了各項(xiàng)舉措，如：船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI、現(xiàn)有船舶能效指數(shù)EEXI、船舶能效營運(yùn)指數(shù)EEOI、碳強(qiáng)度指標(biāo)CII、船舶能效管理計(jì)劃SEEMP 等，對船舶設(shè)計(jì)建造、營運(yùn)管理的全過程加以監(jiān)管，以期嚴(yán)格控制和持續(xù)降低溫室氣體的排放強(qiáng)度。

在此背景下，現(xiàn)有的船型設(shè)計(jì)顯然已不能適應(yīng)法規(guī)發(fā)展和未來市場變化的需要，船型的優(yōu)化升級(jí)轉(zhuǎn)迫在眉睫。本文以散貨船為代表，對船型升級(jí)的新思路、新技術(shù)以及可能的各項(xiàng)優(yōu)化升級(jí)措施進(jìn)行探討。

1 傳統(tǒng)技術(shù)路徑下的優(yōu)化挖潛

1.1 針對目標(biāo)需求的線型優(yōu)化

線型是船舶設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，線型優(yōu)化是船舶設(shè)計(jì)永恒的主題。 隨著認(rèn)知水平的提高、計(jì)算能力和試驗(yàn)手段的進(jìn)步，線型的設(shè)計(jì)優(yōu)化水平也在不斷改進(jìn)提升中。

從適應(yīng)實(shí)際運(yùn)營的角度，采用多目標(biāo)的優(yōu)化策略。 例如對于吃水，考慮設(shè)計(jì)吃水、結(jié)構(gòu)吃水和壓載吃水，分別給予不同的權(quán)重，進(jìn)行綜合的優(yōu)化。 同樣，航速方面需要綜合考慮設(shè)計(jì)航速和經(jīng)濟(jì)航速對線型的不同要求，海況則需要分別考慮靜水條件和適度的風(fēng)浪條件。 多目標(biāo)優(yōu)化的線型，在實(shí)際海況和運(yùn)營條件下的綜合油耗水平更優(yōu)，更符合節(jié)能減排的目標(biāo)需求。

從改進(jìn)EEDI 性能的角度出發(fā)， 在線型優(yōu)化中可考慮給予結(jié)構(gòu)吃水更高的權(quán)重，以提升結(jié)構(gòu)吃水下的快速性，提升EEDI 能效。 同時(shí)，波浪增阻性能的改善對于最小功率的優(yōu)化起到重要作用，在線型優(yōu)化設(shè)計(jì)中的權(quán)重應(yīng)給予提高。

線型設(shè)計(jì)的目標(biāo)，除了降低船體阻力之外，就是產(chǎn)生有利的伴流場， 這是螺旋槳設(shè)計(jì)和推進(jìn)性能優(yōu)化的前提和基礎(chǔ)條件， 在線型優(yōu)化中考慮減阻的同時(shí)也需要重點(diǎn)考慮對伴流場的優(yōu)化。

1.2 螺旋槳的節(jié)能增效

螺旋槳節(jié)能增效的優(yōu)化需要從3 個(gè)方面考慮，即槳與尾部線型的整體優(yōu)化、螺旋槳自身效率的提升以及螺旋槳尾流能量損失的控制。

按前述，船體尾部線型、其產(chǎn)生的伴流場以及螺旋槳自身，三者形成一個(gè)整體，以伴流場為媒介，使螺旋槳的運(yùn)動(dòng)與船體尾部線型協(xié)調(diào)一致而形成最佳配合，是我們在一體化優(yōu)化中追求的目標(biāo)。

螺旋槳自身效率的提升要從螺旋槳幾何形狀參數(shù)的優(yōu)化著手，并合理控制和分配作用在槳盤面各部位的載荷，達(dá)到效率和振動(dòng)性能的綜合提高。

控制和減少螺旋槳尾流能量的損失也是提高推進(jìn)效率的一個(gè)重要途徑， 包括尾流旋轉(zhuǎn)能量、軸向能量、轂渦和梢渦能量等。

1.3 水動(dòng)力節(jié)能裝置

通過選用合適的節(jié)能裝置對螺旋槳尾流能量進(jìn)行回收是船舶推進(jìn)節(jié)能的一個(gè)重要手段，在雙碳背景下其必要性更為突出；而另一種類型的節(jié)能裝置是在螺旋槳前通過對伴流場進(jìn)行優(yōu)化整合，提供更好的螺旋槳進(jìn)流，從而有助于提高螺旋槳的推進(jìn)效率。

比較常見的節(jié)能裝置包括扇形導(dǎo)管、節(jié)能轂帽/消渦鰭、舵球、扭曲舵等。 通過節(jié)能裝置的合理選用和優(yōu)化組合，可以達(dá)到比較明顯的節(jié)能效果，例如節(jié)能轂帽（Fan Cap）+節(jié)能導(dǎo)管（Fan Duct）的組合，可使航速提高約0.25 kn，EEDI 能效提升約1%。

1.4 船-槳-舵-節(jié)能裝置的一體化優(yōu)化

傳統(tǒng)的優(yōu)化方式是對線型、螺旋槳、節(jié)能裝置和舵分別做優(yōu)化，難以達(dá)到系統(tǒng)能效的最優(yōu)。 船舶在實(shí)際水流中船-槳-舵-節(jié)能裝置實(shí)際上是一個(gè)整體， 在設(shè)計(jì)中有必要統(tǒng)一考慮進(jìn)行一體化優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)的整體效率， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能效的最優(yōu)化，有助于EEDI 性能的提升， 同時(shí)考慮船-機(jī)-槳的匹配使能量得到最佳轉(zhuǎn)換和傳遞。

1.5 機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的節(jié)能增效同樣不可或缺。 主機(jī)方面，EcoEGR 的配置可顯著降低主機(jī)的單位油耗，與同型主機(jī)匹配HPSCR 相比，T-II 模式下的單位油耗有約3.5%的顯著降低，EEDI 能效提升約2%。設(shè)備配置方面，可以適度采納日本在散貨船上精簡節(jié)省的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行合理的精簡配置，減小不必要的冗余度，節(jié)省配置電站功率。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面也可以做很多優(yōu)化工作，例如：優(yōu)化機(jī)艙通風(fēng)布置，通過引入主機(jī)自然進(jìn)風(fēng)優(yōu)化管路阻力和風(fēng)量設(shè)計(jì)，從而降低風(fēng)機(jī)壓頭、降低電功率；冷卻系統(tǒng)可部分采用海水冷卻，進(jìn)而降低系統(tǒng)能耗。 另外，變頻設(shè)備的使用、機(jī)艙能量的綜合利用等都是可考慮采用的節(jié)能手段。

1.6 空船重量的持續(xù)優(yōu)化

空船重量優(yōu)化同樣是船舶設(shè)計(jì)的永恒主題，在“雙碳”背景下對于船舶能效的提高起到直接作用。從EEDI 的計(jì)算公式可以看到，作為分母，載重量的提高就意味著EEDI 指數(shù)的下降， 所以優(yōu)化空船重量從而提高載重量是提升EEDI 能效的重要手段。

作為三大主力船型之一的散貨船雖然已是成熟船型， 但隨著技術(shù)的發(fā)展和設(shè)計(jì)手段的進(jìn)步，仍然存在優(yōu)化空間。 日本設(shè)計(jì)建造的散貨船空船重量普遍控制較好，其采用的技術(shù)方法和措施存在一定的參考借鑒價(jià)值。

針對散貨船特點(diǎn)，空船重量的優(yōu)化可從3 個(gè)方面入手。 首先，在總體性能方面，通過對貨艙分艙方案的優(yōu)選和裝載工況的優(yōu)化，篩選出總縱彎矩最小的方案，為結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。 其次，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，選擇較大還是較小的肋骨間距、強(qiáng)框間距以及縱骨間距，有管弄還是無管弄，在多大程度上使用高強(qiáng)度鋼尤其是40 鋼等，都存在比較、選擇和優(yōu)化的空間，包括一些細(xì)節(jié)上的處理，例如塢墩肘板、短縱桁、屈曲筋等，根據(jù)具體情況選擇合理的處理方式。 另外，機(jī)電和內(nèi)外舾裝設(shè)備，通過合理選型、優(yōu)化參數(shù)配置，在滿足功能需求條件下選擇重量較輕、體積較小的設(shè)備，積少成多，對空船減重也能起到積極作用。

2 新技術(shù)新思路

2.1 風(fēng)力助推技術(shù)

自古以來風(fēng)能就一直被用做船舶推進(jìn)的動(dòng)力，直到近代才被機(jī)器動(dòng)力取代，近年來由于節(jié)能環(huán)保政策的壓力和推動(dòng)，風(fēng)能又重新獲得船舶和航運(yùn)業(yè)的關(guān)注， 通過對風(fēng)能的開發(fā)利用來減少燃油消耗、減少碳排放已成為行業(yè)內(nèi)的共識(shí)，風(fēng)帆動(dòng)力船煥發(fā)出勃勃生機(jī)，各種形式的現(xiàn)代風(fēng)帆船相繼問世。

轉(zhuǎn)筒帆，通過馬格努斯效應(yīng)形成風(fēng)推力，可產(chǎn)生3%～8%的節(jié)能效果。 轉(zhuǎn)筒帆作為新型推進(jìn)裝置，系統(tǒng)構(gòu)造簡單、自重小，只需要很小的電機(jī)就能產(chǎn)生明顯的推力， 且可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)筒帆的轉(zhuǎn)速、升力大小等從而實(shí)現(xiàn)能源合理分配降低海運(yùn)成本。 相比于傳統(tǒng)風(fēng)帆，轉(zhuǎn)筒帆占用很小的甲板空間，受惡劣風(fēng)況的影響不大，對側(cè)向風(fēng)效果最明顯。

圖1 和圖2 分別顯示的是轉(zhuǎn)筒帆的工作原理和安裝布置效果。

圖1 轉(zhuǎn)筒帆升力原理圖

圖2 轉(zhuǎn)筒帆安裝布置效果圖

翼型帆，推進(jìn)原理與機(jī)翼類似，當(dāng)翼型遇到與其弦線成一定夾角（可稱為攻角）的來流時(shí)，翼背流速大，另一側(cè)流速小、壓強(qiáng)高。 根據(jù)伯努利定律，氣流繞過翼型時(shí)流速大的地方流體壓強(qiáng)較小，流速小的地方壓強(qiáng)較大，所以翼型的上下表面由于流速的不同產(chǎn)生了壓差。

圖3 和圖4 分別顯示的是翼型帆的工作原理和安裝布置效果。

圖3 翼型帆的剖面形狀

圖4 翼型帆VLCC 實(shí)船安裝布置效果圖

散貨船具有寬敞的甲板面積， 沒有甲板貨，大型散貨船通常不設(shè)起重吊機(jī)， 不會(huì)對風(fēng)力產(chǎn)生阻擋，因而非常適合安裝上述的風(fēng)帆系統(tǒng)。 散貨船良好的穩(wěn)性也可以確保風(fēng)帆系統(tǒng)的安裝和運(yùn)行，不會(huì)對船舶穩(wěn)性和航行安全帶來危險(xiǎn)。

風(fēng)箏系統(tǒng)（windkite system），利用現(xiàn)代型的巨型風(fēng)箏將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為船舶推進(jìn)力。 風(fēng)箏系統(tǒng)布置在船首，占用甲板面積小，易于安裝，適合包括散貨船在內(nèi)的各種船型。 安裝布置效果見圖5。

圖5 風(fēng)箏系統(tǒng)

上述是風(fēng)能在船舶輔助推進(jìn)上成功應(yīng)用的幾個(gè)示范案例，前兩種已形成實(shí)船交付，后一種正在實(shí)施過程中。 隨著時(shí)間的推移，更多形式的風(fēng)力助推技術(shù)將會(huì)推出。

2.2 新型減阻技術(shù)

2.2.1 氣膜潤滑減阻

氣膜潤滑減阻的原理是通過向船底表面噴射空氣產(chǎn)生微氣泡形成空氣膜，從而減少船體與水流之間的摩擦阻力，達(dá)到推進(jìn)節(jié)能的效果，有助于EEDI 能效的提升。 考慮了系統(tǒng)本身耗電的影響以后，通?？蛇_(dá)到3%～8%的凈節(jié)能效果。

散貨船線型比較豐滿，平底面積大，有條件做到比較大的氣膜覆蓋比例，從而達(dá)到更好的減阻效果，因此非常適合安裝氣膜減阻系統(tǒng)。

圖6 和圖7 分別是氣膜潤滑系統(tǒng)的模型和實(shí)船效果。

圖6 氣膜潤滑系統(tǒng)（模型）

圖7 氣膜潤滑系統(tǒng)（實(shí)船）

2.2.2 低阻油漆

低阻油漆的作用是降低船體表面粗糙度，從而減小船體摩擦阻力，幫助提升快速性，對EEDI 在有限范圍內(nèi)有正向影響。 SPC A/F（tin free）silylated acrylate 甲硅烷基化的丙烯酸鹽是典型的一種低阻油漆。

采用低阻油漆后的水下船體表面粗糙度比常規(guī)有明顯降低，通常能達(dá)到不超過100 μm 的水平，從一系列實(shí)船測量的例子來看，最好的結(jié)果是達(dá)到88 μm。 SPSS 水池的初步評估認(rèn)為20 μm 對推進(jìn)功率的影響約為1%。

2.2.3 低風(fēng)阻上建

船舶航行中的空氣阻力主要來自上建，降低上建風(fēng)阻有多種途徑，包括采用窄上建設(shè)計(jì)、優(yōu)化上建造型等方式。

窄上建設(shè)計(jì)直接減小迎風(fēng)面積，但在甲板面積分配和布置上需做適當(dāng)籌劃，要有足夠的長度來容納同等的居住面積。

優(yōu)化上建造型是通過上建外形的局部改變來改善流動(dòng)分離從而達(dá)到降低流體阻力的目的。 可采取的具體措施包括：上建與機(jī)艙棚合并、上建前端壁傾斜、前端壁兩側(cè)倒角、上建與貨艙口之間增設(shè)凸臺(tái)、煙囪頂部倒圓等等。 某10 萬噸級(jí)散貨船的計(jì)算案例顯示通過優(yōu)化組合，上建風(fēng)阻在浦氏7 級(jí)風(fēng)力下可達(dá)到35%以上的下降幅度，效果顯著。

圖8 和圖9 是該船型上建風(fēng)阻優(yōu)化的計(jì)算模型。

圖8 上建風(fēng)阻優(yōu)化（流場分布）

圖9 上建風(fēng)阻優(yōu)化（壓力分布）

雖然空氣阻力在船舶總阻力中所占比例不大，但對實(shí)船油耗的降低仍然是有可見作用的。

2.3 設(shè)計(jì)創(chuàng)新思路

主機(jī)工況點(diǎn)的選擇：從EEDI 能效的角度，較低的SMCR 顯然更有利于EEDI 指數(shù)的降低， 但也意味著主機(jī)功率儲(chǔ)備的降低，目前有些設(shè)計(jì)的CSR 已經(jīng)用到了90%SMCR，意味著相對偏高的單位油耗，因此EEDI 指數(shù)和油耗的選擇，對設(shè)計(jì)、對船東都是一個(gè)問題；另一方面，主機(jī)功率的降低受到最小推進(jìn)功率要求的限制，而如何降低限制值，又跟波浪增阻和線型優(yōu)化密切相關(guān)， 是需要深入研究的課題；轉(zhuǎn)速方面，低轉(zhuǎn)速大槳徑是大方向，但也需注意與線型和吃水的匹配關(guān)系，避免螺旋槳吸氣和激振力過大。

PTO 的選用： 傳統(tǒng)上中速機(jī)+PTO+可調(diào)槳是黃金搭配， 而散貨船上典型的低速機(jī)+定距槳配置很少會(huì)用到PTO，但在目前的“雙碳”背景下PTO 的好處日益顯現(xiàn)。 根據(jù)EEDI 計(jì)算規(guī)則，配置PTO 則校核EEDI 的主機(jī)功率可以做相應(yīng)扣除， 計(jì)算和實(shí)例都表明，對EEDI 能效會(huì)有3%～4%的提升。 實(shí)船油耗方面，PTO 同樣有明顯效果， 畢竟主機(jī)的單位油耗比副機(jī)要低很多。 因此在成本許可的情況下，散貨船配置PTO 是符合節(jié)能減碳目標(biāo)的理想選擇。

吃水和載重量的選項(xiàng)： 各種計(jì)算案例表明，提高或增設(shè)結(jié)構(gòu)吃水通常對EEDI 能效會(huì)起到正面效果， 并且在一些集裝箱船等船型上已經(jīng)得到驗(yàn)證。其原因是，EEDI 公式中同在分母的載重量和航速，吃水增加對載重量的提高比例比其導(dǎo)致的航速降低比例更大。 當(dāng)然對大多數(shù)散貨船這不是一個(gè)選項(xiàng)，因?yàn)橐呀?jīng)按最小干舷設(shè)計(jì)了，沒有增加吃水的可能性，但對某些有航道吃水限制的散貨船，以及因需要偏大艙容而把型深加大了的散貨船，是有條件增加虛擬結(jié)構(gòu)吃水的， 對此類散貨船這是改進(jìn)EEDI 指標(biāo)的一個(gè)途徑。

冰區(qū)選項(xiàng)：EEDI 計(jì)算中對冰區(qū)有相應(yīng)的修正因子，EEDI 指數(shù)會(huì)得到一定程度的下降，而普通冰區(qū)導(dǎo)致的空船重量增加相當(dāng)有限，對載重量的影響明顯小于冰區(qū)修正帶來的正面效果，因此增設(shè)冰區(qū)是改進(jìn)EEDI 指標(biāo)的一個(gè)選項(xiàng)。

3 燃料變革及設(shè)計(jì)應(yīng)對

大量的研究表明，僅靠常規(guī)技術(shù)很難達(dá)到碳減排碳中和的最終目標(biāo)，CII 每年遞增2%～3%的折減系數(shù)就說明得很清楚了，因此燃料的變革才是最終的應(yīng)對方案。

船舶上可用的替代燃料和新能源型式，按照碳減排程度和發(fā)展順序，大致可以分為三大類，即低碳燃料、碳中和燃料和零碳燃料。

1） 低碳燃料主要有：化石燃料（LNG）、通過化石原料制備的化工燃料（LPG、甲醇、乙烷等）；

2） 碳中和燃料主要有：生物燃料（生物柴油、生物甲醇等）、合成燃料（電化甲醇、電化氨等）；

3） 零碳燃料主要有：氨燃料、氫燃料和電池技術(shù)（包括儲(chǔ)能電池和燃料電池）。

3.1 燃料型式的選擇

各種替代燃料和新能源型式的應(yīng)用隨著時(shí)間推進(jìn)呈現(xiàn)不同的發(fā)展趨勢。當(dāng)前階段以LNG 為主流選擇， 甲醇燃料的應(yīng)用正逐漸走向成熟和推廣，之后的重點(diǎn)將會(huì)轉(zhuǎn)向氨燃料為主；而生物燃料和合成燃料是在燃料產(chǎn)業(yè)鏈前端的技術(shù)創(chuàng)新，對船舶的設(shè)計(jì)和建造不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響；氫燃料是終極解決方案，碳、硫、氮的排放均為零，但因在儲(chǔ)存技術(shù)和能量密度等方面的技術(shù)障礙，在比較長的時(shí)間內(nèi)還不具備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的條件； 其他如電池技術(shù)，現(xiàn)階段受能量密度制約，純電池動(dòng)力（包括儲(chǔ)能電池和燃料電池）主要應(yīng)用于小型和短途船舶，在可預(yù)見的未來還無法成為主流船舶特別是大型散貨船的選擇。

選擇幾種主流替代燃料，并以傳統(tǒng)常規(guī)燃料的重油（HFO）為參照，對主要技術(shù)參數(shù)和特性以及減排效果做對比，見表1。

表1 主流替代燃料的技術(shù)特性和減排效果比較

散貨船的替代燃料選擇，由于氫燃料技術(shù)及其基礎(chǔ)和配套遠(yuǎn)未成熟，電池技術(shù)的能量密度至少在中短期內(nèi)無法滿足大型散貨船的需求，都只能作為未來選項(xiàng)。 現(xiàn)階段及今后一段時(shí)間內(nèi)的主流選擇將是LNG、甲醇和氨燃料。

LNG 屬于中短期過渡階段的燃料， 由于先行的關(guān)系成為目前階段應(yīng)用最為成熟的一種替代燃料，是當(dāng)前設(shè)計(jì)建造新船的主流選擇。 但是LNG 的減碳效果并不顯著，從整個(gè)生命周期（包括預(yù)處理、液化、運(yùn)輸、再氣化和最終使用）來看碳排放量仍然較大。

甲醇的理化特性相對最接近于燃油，可用常溫常壓方式存儲(chǔ)，現(xiàn)有的船舶設(shè)計(jì)更新轉(zhuǎn)換到甲醇燃料設(shè)計(jì)是相對最容易的。 從表1 可以看到甲醇的減碳效果不顯著，還不如LNG，但因?yàn)榇嬖诰G甲醇的未來選項(xiàng)，其生命力相較于LNG 更長，是今后一段時(shí)間的重要選擇。

氨燃料是一種零碳燃料（也可以理解為氫的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)方式），減碳效果顯著，是LNG 和甲醇之后的發(fā)展方向。 但是氨具有毒性和較強(qiáng)的腐蝕性，能量密度較低， 相比LNG 和甲醇需要更大的存儲(chǔ)空間，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)尚未成熟，法規(guī)體系也不完善，因此距離實(shí)際應(yīng)用還有較大距離，目前處于研發(fā)和建設(shè)階段。

3.2 新燃料帶來的設(shè)計(jì)變更

散貨船適用的3 種主流替代燃料中，LNG 已經(jīng)全面應(yīng)用于新船設(shè)計(jì)，相關(guān)技術(shù)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)已經(jīng)比較熟悉，這里不再討論；甲醇和氨燃料相對陌生，對散貨船設(shè)計(jì)將會(huì)帶來的影響和變更大致可歸納為以下一些方面。

燃料艙容積和續(xù)航力： 需從滿足EEDI、CII 和船東營運(yùn)需求等方面綜合考慮。 首先，從滿足當(dāng)前階段船東需求考慮，燃油必須保留，且容積不宜過小，避免加油頻率過高；EEDI 方面，對甲醇燃料，因減碳效果有限，對大多數(shù)散貨船需要做到主燃料的比例才能滿足三階段要求，而氨燃料因其零碳的原因用較低的比例就可以滿足；CII 方面，雖然理論上在有零碳燃料（氨燃料和綠甲醇）的情況下，未來只要不斷地減少燃油的使用比例就可以維持船舶的營運(yùn)資格， 但為了保持適當(dāng)?shù)睦m(xù)航力而不過于降低，新燃料比例不能過低，根據(jù)案例測算，對氨燃料通常要提高到比較接近主燃料的比例。 需要注意的是，對氨燃料，能量密度更低，體積比更大，還有絕緣層的損失，因而燃料艙的空間需求明顯大于甲醇燃料。

燃料艙形式和布置位置：IGC Code 中定義的A型、B 型、C 型都可以選擇， 但C 型罐因空間利用率相對較低，對艙容和續(xù)航力要求較高的項(xiàng)目就不建議選擇。 布置位置可以是貨艙區(qū)或尾部甲板上，尾部甲板可以布置在上建后方、下方或兩側(cè)，可以疊加組合。 另外，對甲醇艙，還可以布置在頂邊艙內(nèi)（即傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的油艙位置），因不需要絕緣層，空間利用率是可以接受的。 圖10 是幾種典型布置位置的示意圖。 但對甲醇艙目前有個(gè)尾尖艙壁位置的限制，即MSC.1/Circ.1621 通函里的“燃料維護(hù)系統(tǒng)應(yīng)位于防撞艙壁的后方和尾尖艙壁的前方”［1］要求，布置時(shí)需注意。

圖10 燃料艙布置位置示例

上層建筑包括煙囪的位置、形狀和內(nèi)部布置需結(jié)合燃料艙的布置做相應(yīng)調(diào)整，需要注意燃料艙透氣桅帶來的危險(xiǎn)區(qū)的影響：甲醇是10 m 半徑，容易避開；氨燃料是25 m 半徑，對于較小的散貨船，布置上的難度相對較大。 另外，尾部系泊的布置也有可能發(fā)生變化。

新燃料艙的設(shè)置對空船重量、總縱強(qiáng)度、穩(wěn)性和浮態(tài)都會(huì)帶來不同程度的影響。 對于燃料艙布置在尾部的設(shè)計(jì)，縱傾會(huì)增加，彎矩也會(huì)加大。 對于燃料艙布置在貨艙區(qū)的設(shè)計(jì)，貨艙容積和裝載工況會(huì)發(fā)生更大的變化。

雙燃料主機(jī)選型， 相關(guān)系統(tǒng)包括加注系統(tǒng)、供給系統(tǒng)、尾氣處理、蒸發(fā)氣處理等，安全性方面的通風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、危險(xiǎn)區(qū)域等，都會(huì)產(chǎn)生一系列變化和調(diào)整，或者全新的設(shè)計(jì)。 特別是對于氨燃料船，由于氨燃料的毒性， 低濃度的氨氣會(huì)刺激人的眼睛、肺部和皮膚，若直接接觸高濃度的氨氣則會(huì)立即危及生命，因此在安全防護(hù)方面需做周密考慮。

多燃料艙是更進(jìn)一步的選項(xiàng)。 通過預(yù)留多燃料艙的設(shè)計(jì)， 兼顧以后進(jìn)行不同形式燃料的轉(zhuǎn)換，可以根據(jù)未來形勢發(fā)展，選擇轉(zhuǎn)換為LNG、甲醇或者氨燃料，在很大程度上提高了靈活性。 多燃料艙的設(shè)計(jì)需從艙容、艙型、布置、絕緣和安全防護(hù)等方面兼顧考慮多種燃料的特點(diǎn)和需求， 以涂料為例，不同燃料對涂料的性能要求是不同的，可以選擇在未來轉(zhuǎn)換時(shí)重新涂裝，也可以直接選用成本更高的兼用型涂料。

4 結(jié) 語

著眼于“雙碳”背景下散貨船的優(yōu)化升級(jí)需求，通過分析燃料變革的趨勢和替代燃料的選擇策略，梳理設(shè)計(jì)創(chuàng)新思路以及應(yīng)對措施。 研究探討傳統(tǒng)技術(shù)路徑下的優(yōu)化挖潛途徑，特別是風(fēng)力助推技術(shù)和新型減阻技術(shù)。 更多的節(jié)能設(shè)計(jì)方案將在未來的實(shí)踐中產(chǎn)生，希望能為散貨船節(jié)能優(yōu)化升級(jí)提供一些思路和參考。

文章撰寫過程中得到了業(yè)內(nèi)專家學(xué)者和相關(guān)專業(yè)同事的指導(dǎo)和幫助，在此表示感謝。