小清河綠色智能船舶關(guān)鍵技術(shù)研究

張道南，裴志勇，鄧超風(fēng)，于華

（1.山東海運(yùn)股份有限公司，山東 青島 266034；2.武漢理工大學(xué)綠色智能江海直達(dá)船舶與郵輪游艇研究中心，湖北 武漢430063）

小清河是橫貫魯中地區(qū)的一條東西向重要航道，其流域地處山東省腹地，發(fā)源于山東省會濟(jì)南市，經(jīng)歷城、章丘、鄒平、高青、桓臺、博興、廣饒、壽光，在羊口以東注入渤海萊州灣，全長237km。

近年來，國家對內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展十分重視。2011年，國務(wù)院出臺了“關(guān)于加快長江等內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展的意見”；山東省政府也不失時(shí)機(jī)地出臺了“關(guān)于貫徹國發(fā)〔2011〕2 號文件加快內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展的意見”，以及《山東省內(nèi)河航道與港口布局規(guī)劃》，將小清河作為山東省內(nèi)河“一縱三橫”水運(yùn)主通道之一。2012 年10 月，省政府正式批復(fù)了《小清河流域生態(tài)環(huán)境綜合治理規(guī)劃方案》（以下簡稱《規(guī)劃方案》），計(jì)劃將小清河打造成一條集防洪、生態(tài)、航運(yùn)、景觀旅游、文化于一體的黃金水道。

2019 年4 月10 日，山東海洋集團(tuán)有限公司與中國鐵建投資集團(tuán)組成的聯(lián)合體中標(biāo)小清河復(fù)航工程PPP項(xiàng)目。項(xiàng)目合作期30 年，其中建設(shè)期3 年，運(yùn)營期27 年，采用政府可行性缺口補(bǔ)貼+使用者付費(fèi)回報(bào)機(jī)制，總投資137 億元。小清河復(fù)航工程于2020 年2 月29 日正式開工建設(shè)。

結(jié)合小清河復(fù)航工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)，量身定制、創(chuàng)新研發(fā)通用性強(qiáng)、適貨性好，以節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效為特征的適用船型，助推小清河航運(yùn)蓬勃發(fā)展。攻克低速電動船型、高效電力推進(jìn)、結(jié)構(gòu)輕量化、箱式電源安全性，智能能效、智能機(jī)艙、智能桅桿等關(guān)鍵技術(shù)，打造節(jié)能高效、安全可靠、智能協(xié)同的生態(tài)運(yùn)輸示范線，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸新舊動能轉(zhuǎn)換，促進(jìn)國家“山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)”、“黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)”兩大戰(zhàn)略區(qū)和省會城市群經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)。

1 小清河船舶設(shè)計(jì)理念

小清河船舶的開發(fā)要具有時(shí)代特征，符合當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的要求。結(jié)合作者們的科研經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)體會，小清河船舶的設(shè)計(jì)開發(fā)基于“4E”設(shè)計(jì)理念，即以節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效為船舶主要特征，這四個(gè)詞的首字母均是E，稱為“4E”船舶設(shè)計(jì)理念，如圖1 所示。

圖1 小清河船舶設(shè)計(jì)理念

（1）節(jié)能：船型開發(fā)關(guān)鍵，體現(xiàn)船舶優(yōu)異性能；通過新技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用，提升船舶產(chǎn)品核心競爭力；

（2）環(huán)保：當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的需要，符合時(shí)代發(fā)展主旋律，“碳達(dá)峰·碳中和”戰(zhàn)略部署的需要；

（3）經(jīng)濟(jì)：當(dāng)前嚴(yán)酷的航運(yùn)市場中，船舶生存發(fā)展之根本，立足市場之利器，更是復(fù)航工程成敗之關(guān)鍵；

（4）高效：提高運(yùn)輸效率，降低物流成本，為沿線經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展提供可靠的航運(yùn)支撐，占據(jù)更多市場份額，促進(jìn)小清河航運(yùn)蓬勃發(fā)展。

2 小清河船型探討

小清河復(fù)航有其特殊性，使得小清河適航船舶也與眾不同。首先，復(fù)航后航道收費(fèi)、增加一次裝卸等因素?zé)o疑為復(fù)航船舶運(yùn)營增加了難度。其次，小清河沿線現(xiàn)有運(yùn)輸方式為海港中轉(zhuǎn)公路的模式，公路運(yùn)輸?shù)目旖荨⒈憷诙叹嚯x運(yùn)輸中占據(jù)一定優(yōu)勢，復(fù)航后要從現(xiàn)有運(yùn)輸格局中搶占部分市場，有一定難度和過程。

（1）江海直達(dá)船型。當(dāng)前船舶規(guī)范體系有江船和海船之分，江船由于頻繁靠離碼頭，對操縱性有著較高要求，海船遭受的風(fēng)浪較大，對耐波性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求要高。為有序推進(jìn)長江黃金水道建設(shè)，對長江口到大小洋山/寧波舟山的特定航線考慮海上波浪狀況基于江船出海理念制定有特定航線江海直達(dá)船舶建造規(guī)范，小清河出海至萊州灣波浪狀況及相應(yīng)的江海直達(dá)船舶建造規(guī)范尚在研究中，暫沒有有效地江海直達(dá)船舶規(guī)范可依，須待相關(guān)規(guī)范和政策落實(shí)后方可進(jìn)行該類船舶的設(shè)計(jì)建造。

（2）江船。江船的設(shè)計(jì)制造都比較簡單，且配置要求不高，造船成本較海船要低一些。但江船只能在小清河航道內(nèi)航行，貨物須從沿海港口用海船運(yùn)抵河港，再用江船轉(zhuǎn)運(yùn)，航道收費(fèi)、碼頭裝卸費(fèi)等增加了船舶運(yùn)營成本，降低了運(yùn)輸效率，增加了損耗。綜合運(yùn)輸分析表明，江船轉(zhuǎn)運(yùn)方式的經(jīng)濟(jì)性不佳。

（3）海船。航道水深及橋梁凈空高限制，使得能進(jìn)入到小清河的海船尺度較小，最大載貨量2000 噸，造船成本較高，同時(shí)船員配員較多，船員工資標(biāo)準(zhǔn)也高，這些因素使得營運(yùn)成本數(shù)倍于江船。綜合運(yùn)輸分析表明，海船建造成本高，船員配員多，工資基準(zhǔn)高，小清河航線采用海船運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性差。

（4）江船兼海駁船型。綜合考慮各種因素，充分發(fā)揮江船和海駁的優(yōu)勢，創(chuàng)新研發(fā)江船兼海駁船型，實(shí)現(xiàn)江海聯(lián)運(yùn)。在小清河內(nèi)是電動江船，配4 名內(nèi)河船員，在河口港跟海拖接駁，以一頂一方式航行，避免貨物二次轉(zhuǎn)運(yùn)。該船型在小清河航道內(nèi)可實(shí)現(xiàn)零碳排放，同時(shí)進(jìn)行智能能效、智能倒升桅等智能技術(shù)示范應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)船舶智能化。經(jīng)充分論證分析，該船型較適合用作小清河復(fù)航后的營運(yùn)船舶。

3 小清河綠色智能船舶關(guān)鍵技術(shù)

為使小清河船舶具有強(qiáng)大生命力，需攻克低阻船型、綠色動力以及智能裝備等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 小清河低阻船型關(guān)鍵技術(shù)

為推進(jìn)“碳達(dá)峰·碳中和”目標(biāo)達(dá)早日成，內(nèi)河船舶行業(yè)掀起電動船熱潮，集裝箱換電模式興起，一方面有效減少碳排放，也使得機(jī)艙區(qū)縮短，增大載貨量，另一方面機(jī)艙更簡潔，易于維保。集裝箱電池容量有限，為保證一定的續(xù)航力，低阻船型的研發(fā)要比常規(guī)燃油動力船舶重要得多。

（1）總布置優(yōu)化。針對小清河電動船舶特性，進(jìn)行模塊化分區(qū)劃分，通過布置優(yōu)化分析，以重力與浮力差最小為目標(biāo)，進(jìn)行總布置優(yōu)化研究。

（2）低阻高效首型優(yōu)化。采用STAR CCM+軟件實(shí)現(xiàn)船舶/船槳繞流場的數(shù)值模擬并基于數(shù)值結(jié)果進(jìn)行船舶阻力、螺旋槳敞水性征以及船舶快速性的數(shù)值預(yù)報(bào)。通過對浮心縱向位置、進(jìn)水角以及中縱剖線抬升角的優(yōu)化，獲取低阻高效首型。

（3）外旋雙尾鰭尾型優(yōu)化。采用外旋雙尾鰭尾型，通過對尾鰭形狀、尾鰭間距、尾鰭角度的優(yōu)化分析，獲取高效、低推力減額尾型。

（4）結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)。開展載荷結(jié)構(gòu)一體化分析、結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研發(fā)，在安全可靠前提下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，降低建造成本，增加載貨量，提升盈利能力。

3.2 綠色動力關(guān)鍵技術(shù)

（1）電力驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對當(dāng)前電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)、船用電池產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和航道營運(yùn)動力需求，在明確對電力驅(qū)動系統(tǒng)核心組成部件及設(shè)計(jì)要求前提下，完成電力驅(qū)動系統(tǒng)總體技術(shù)方案，安全可靠地使用電池動力輸出。

（2）船機(jī)槳匹配技術(shù)。對電動機(jī)各工況下電能供應(yīng)過程進(jìn)行分析，確保其安全可靠運(yùn)行；對動力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性進(jìn)行分析，確保電動機(jī)提供穩(wěn)定的動力源；開展船機(jī)槳匹配特性研究，改善各工況下電動機(jī)動力系統(tǒng)的動態(tài)特性。

（3）電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)所選電池組以及電池管理系統(tǒng)，兼顧船舶整體工作性能的要求，結(jié)合智能信息處理技術(shù)，搭建實(shí)時(shí)電力微網(wǎng)系統(tǒng)、能量管理可視化系統(tǒng)、安保監(jiān)控系統(tǒng)等，完成整船電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（4）高安全性箱式移動電源。進(jìn)行箱式移動電源安全可靠性、集成設(shè)計(jì)與接口匹配以及智能控制等研究工作，設(shè)計(jì)大容量、高安全、高穩(wěn)定、易控制的箱式移動電源，為小清河船舶提供穩(wěn)定、可靠動力源。

3.3 智能裝備關(guān)鍵技術(shù)

（1）智能能效系統(tǒng)。構(gòu)建計(jì)及自由面、淺水效應(yīng)、船舶航態(tài)以及船槳耦合的船舶阻力與浮態(tài)的數(shù)學(xué)模型，攻克淺水、多體耦合、粘性流等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶快速性及能耗預(yù)報(bào)，通過姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)感知船舶浮態(tài)，及時(shí)調(diào)整至最佳航態(tài)，以有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

（2）智能倒升桅系統(tǒng)。將紅外測距、液壓自動控制等技術(shù)集成，開發(fā)智能感知、智能控制于一體的智能桅桿系統(tǒng)，視橋梁凈空和船舶狀況智能倒桅升桅，有效提升船舶航行安全可靠性。

4 結(jié)論

針對小清河航道、碼頭、貨源狀況，創(chuàng)新研發(fā)江船兼海駁船型，攻克限制航道電動船型技術(shù)、綠色動力技術(shù)和智能裝備等關(guān)鍵技術(shù)，成功研制小清河綠色智能船舶，具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效的特點(diǎn)，推進(jìn)內(nèi)河船舶技術(shù)發(fā)展，形成內(nèi)河電動船示范。