基于節(jié)能環(huán)保的31萬噸級油船優(yōu)化設(shè)計分析

鄭金偉，陸明鋒，劉燦波，李林海

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引言

隨著全球碳中和步伐日益加快，“節(jié)能、環(huán)?！币殉蔀楣沧R。為防止全球環(huán)境的惡化，國際海事組織(IMO)不斷推出愈加嚴格的新規(guī)范。各國出臺了減排區(qū)域標準，同時港口推行綠色船舶稅費減免、優(yōu)先靠港政策。在全球減排大背景下，如何從船型設(shè)計入手，研發(fā)節(jié)能降耗、環(huán)境友好的船型已成為船型設(shè)計人員所面臨的重大課題。目前，國內(nèi)外船廠及設(shè)計研究單位在節(jié)能環(huán)保船型設(shè)計方面已取得了一定進展，但各家采用的節(jié)能環(huán)保技術(shù)尚存在一定局限性，應(yīng)用船型和對象改變后，節(jié)能環(huán)保效果將大打折扣。因此，需要根據(jù)超大型油船(VLCC)船型的設(shè)計特點，在優(yōu)化比選諸多技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，找到符合船型自身節(jié)能環(huán)保需求的技術(shù)手段，以形成自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。

本文以某31萬噸級超大型油船為研究對象，首先，綜合運用CFD計算、水池試驗等手段，重點對艏部線型設(shè)計、節(jié)能裝置、減阻技術(shù)等方面進行優(yōu)化分析；其次，圍繞環(huán)保發(fā)展熱點，著重研究控制氮、碳等有害氣體、噪聲污染等方面的措施。

1 船舶概述

31萬噸級油船是全球首艘基于目標船型(GBS)標準建造的超大型油船。其主要參數(shù)如下：總長339.50 m，垂線間長334.10 m，型寬60.00 m，型深28.90 m，設(shè)計吃水20.50 m，結(jié)構(gòu)吃水21.00 m，滿載載重噸311 000 t，服務(wù)航速15.5 kn。

2 節(jié)能設(shè)計優(yōu)化亮點

2.1 船長優(yōu)化

以往設(shè)計的VLCC船型，其船長始終保持在333.00 m以內(nèi)(垂線間長為324.0 m)?？紤]到在原船長條件下的船型已經(jīng)歷了數(shù)輪升級優(yōu)化，性能方面很難再有大幅提升。因此，為較大幅度提升新開發(fā)船型的推進性能，將31萬噸級油船船長進行適當加長，達到了339.50 m(垂線間長為334.10 m)。

性能分析結(jié)果顯示：船寬不變的條件下，船長由333.00 m加長到339.50 m，/比值由5.40增大到5.57左右，推進效率可提高約1%。雖然就建造成本而言，增加船長意味著成本增加，但可有效提升推進效率，增加貨油艙艙容，保證了新開發(fā)船型在今后一段時間內(nèi)的競爭力。

2.2 線型優(yōu)化

相同尺度條件下，采用不同線型設(shè)計的船舶，油耗也不同，因此船體線型的好壞是決定船舶推進性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。在不增加建造成本的前提下，采用性能優(yōu)良的船體線型是節(jié)能降耗最優(yōu)先考慮的手段。該油船在母型船線型基礎(chǔ)上，綜合考慮船舶推進性能、布置便利性及建造成本等因素，重點對線型的艏部及艉部進行局部優(yōu)化，以提高新船型的節(jié)能效果。

考慮到船東降速航行的用船習(xí)慣及低速航行時興波阻力占比減少等因素，通過CFD軟件對艏部線型進行反復(fù)優(yōu)化，見圖1，最終結(jié)果顯示艏部興波不但沒有因球鼻艏取消變差，反而有所降低，見圖2。水池實驗也驗證：在低速條件下，興波確有改善。

圖1 目標船及母型船艏部線型對比

圖2 目標船及母型船的艏部興波對比

為與更大直徑螺旋槳相匹配，新一代31萬噸級油船優(yōu)化了艉封板區(qū)域的線型，見圖3。最終通過系列優(yōu)化，降低了粘壓阻力，同時提高了艉部伴流的均勻性。最終CFD結(jié)果顯示：該船艉部伴流目標函數(shù)比母型船降低2.4%，見圖4。

圖3 目標船及母型船的艉部線型對比

圖4 目標船及母型船的艉部伴流對比

2.3 節(jié)能附體

該油船在艉部加裝了新型的節(jié)能系統(tǒng)，包括槳前SDS-F(Semi-Duct System with Contra Fin)系統(tǒng)和槳后RBS-F(Rudder Bulb System with Fins)系統(tǒng)。槳前SDS-F系統(tǒng)可提高槳前水流的流速及均勻性，以提高螺旋槳效率。槳后RBS-F系統(tǒng)可減少槳后旋轉(zhuǎn)流，提高槳盤面處伴流場均勻度，并將槳后水流的轉(zhuǎn)能化為船舶的推力，提高船舶推進性能。水池試驗顯示：相同線型條件下，加裝節(jié)能附體后，整體推進性能可提高約5%～7%。

2.4 節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用

為提高操舵精度，減少操舵頻率和偏差，31萬噸級油船配備了智能操舵系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實時收集舵機系統(tǒng)、主機、發(fā)電機、船位、船速等大數(shù)據(jù)信息，并利用先進算法進行統(tǒng)計和分析，用于舵機系統(tǒng)和船舶操控系統(tǒng)的優(yōu)化，從而有效提高操舵精度，減少操舵次數(shù)，避免大舵角操作，降低舵機系統(tǒng)的損耗，達到節(jié)能降耗的目的。

對于中低速航行的船舶而言，摩擦阻力約占總阻力的70%～80%。船體水下形狀不變時，采用低摩擦阻力油漆，油漆表面在水流沖刷條件下實現(xiàn)自拋光，可降低表面粗糙度，減少摩擦阻力，降低燃油消耗。據(jù)測算，31萬噸級油船采用低摩擦阻力的節(jié)能型防污漆，每年可節(jié)省約4%燃油消耗。

在冷卻水管路設(shè)計上，31萬噸級油船采用了冷卻水管路艏密封艙設(shè)計。該設(shè)計能有效避免艏密封滑油高溫的問題，同時可免安裝冷卻水循環(huán)系統(tǒng)(2臺泵、1個冷卻器)。主機負載在60%最大連續(xù)輸出功率(MCO)以下工作時，每天可降低電力消耗約60 kW，燃油消耗約0.3 t。

31萬噸級油船在燃油大艙內(nèi)布置一小加熱艙室。駁油前，僅加熱小加熱艙室使其達到較高溫度，用小加熱艙室內(nèi)的熱油去加熱需要駁運的燃油，可有效避免加熱無駁運需求的燃油以減少熱能散失。相比加熱整個燃油大艙的方案，所需加熱燃油量大幅減少，可減少約70%的蒸汽消耗。

2.5 節(jié)能效果

31萬噸級油船的實船試航結(jié)果顯示，最終的船舶能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)比規(guī)范要求值降低約20%。能效設(shè)計水平已滿足了IMO第二階段(到2024年)要求。

3 環(huán)保設(shè)計優(yōu)化亮點

隨著國際船舶環(huán)保法規(guī)的相繼出臺和越來越多的排放控制區(qū)的設(shè)立，31萬噸級油船在環(huán)保設(shè)計上除了滿足國際法規(guī)基本要求外，還應(yīng)圍繞有害氣體排放控制、燃油污染控制、噪聲污染控制等方面進行研究，強化新技術(shù)應(yīng)用，突出環(huán)保特色。

3.1 有害氣體排放控制

2016年1月1日后建造的船舶進入北美及加勒比海排放控制區(qū)(ECA)時，氮氧化物排放需要滿足NOTier III排放標準，且2021年1月1日起，北海及波羅的海也將新增為NOTier III 的排放控制區(qū)(ECA)?？紤]到船東用船航線的差異，該船除了提供NOTier II設(shè)計(適合于終身在ECA區(qū)外航行的船舶)外，還提供了2種滿足NOTier III排放標準的技術(shù)選擇方案(適合于有排放控制區(qū)內(nèi)航行需求的船舶)，見表1。

表1 EGR和SCR NOx排放控制方案對比

(1)廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation,EGR) 方案：通過在掃氣中混入一部分廢氣，用廢氣替換掉掃氣中的一部分新鮮空氣，可以有效降低燃燒室中的高溫，改善富氧的環(huán)境，從而減少廢氣中氮氧化物的生成。

(2)選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction,SCR ) 方案：通過氮氧化物和氨氣在高溫條件下發(fā)生還原反應(yīng)，生成氮氣和水，以減少廢氣中氮氧化物的含量。

IMO確認全球海域2020年1月1日開始實行0.5%硫排放限制的規(guī)定。為此，31萬噸級油船設(shè)計時考慮了以下2種解決方案供選擇：

(1)低硫燃油方案：設(shè)計多個油艙，采用螺桿泵和燃油冷卻器等，通過在排放控制區(qū)內(nèi)使用低硫油的方式來滿足SO排放限制要求，同時還配備了儲存低堿值汽缸油的專用油艙。

(2)洗滌塔方案：交船前安裝SOscrubber或預(yù)留SOscrubber安裝空間。

3.2 其他環(huán)保技術(shù)和措施

31萬噸級油船配置單獨的艙底水循環(huán)泵，從艙底水柜和污水井內(nèi)抽吸的不同類別的油水可以分開處理，并設(shè)置獨立的主機空冷器泄放柜，使機艙內(nèi)油、水盡可能分開收集與處理，避免混合污染。

借助CFD仿真軟件對鍋爐送風管進行數(shù)值模擬，實現(xiàn)了對風量的定量分析。根據(jù)分析結(jié)果對鍋爐風管布置方案進行優(yōu)化，提高了鍋爐燃燒效率，降低了因燃油燃燒不充分所造成的環(huán)境污染。

甲板上各驅(qū)動單元選用壓縮空氣驅(qū)動。相比液壓驅(qū)動方式，壓縮空氣驅(qū)動方式可有效避免因液壓油意外泄露所造成的環(huán)境污染，并且可滿足危險區(qū)劃內(nèi)各設(shè)備的防爆要求。

船舶的噪聲污染直接影響到船上人員健康和環(huán)境舒適性。31萬噸級油船噪聲等級嚴格按照最新的《船上噪聲等級規(guī)則》MSC.337(91)要求，從噪聲源入手，采用降噪技術(shù)，降低居住艙室、醫(yī)務(wù)室、餐廳、娛樂室及辦公室的噪聲等級。相關(guān)處所噪聲等級比IMO A.468(XII)標準低5 dB(A)左右。

為保證船舶全生命周期內(nèi)減少或消除環(huán)境污染，31萬噸級油船在設(shè)計建造過程中按照歐盟拆船公約的要求嚴格禁用A類有害物質(zhì)，盡可能限制B類有害物質(zhì)的使用，并為船舶提供實際有害物質(zhì)的特定信息清單，以便拆船廠保護拆船人員的健康和防止環(huán)境污染。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)實船測速分析，綜合油耗下降5%～7%，環(huán)保性能符合當下和未來一段時期內(nèi)的環(huán)保法規(guī)要求，確保了新一代VLCC船型的市場競爭力和生命力。

(2)該船型自投放市場以來，已接獲并交付多艘訂單，節(jié)能環(huán)保效果獲得了船東的高度認可。