電動(dòng)船舶高效設(shè)計(jì)建造技術(shù)研究

摘" 要：電動(dòng)船舶的設(shè)計(jì)對(duì)于提高船舶作業(yè)效率、保障船舶安全、降低生產(chǎn)成本和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度具有十分重要的意義。該文主要對(duì)電動(dòng)船舶高效設(shè)計(jì)建造技術(shù)展開研究，主要涉及基于制圖軟件二維/三維交互的一體化集成設(shè)計(jì)技術(shù)、基于部件構(gòu)架的模塊化的生產(chǎn)技術(shù)以及其他提升設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率的管控措施，最終實(shí)現(xiàn)電動(dòng)船舶高效安全的設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)船舶;一體化集成設(shè)計(jì);模塊化生產(chǎn);效率提升;管控措施

中圖分類號(hào)：U671" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）18-0185-04

Abstract： The design of the electric ship is very important for improving the efficiency of ship operation， ensuring ship safety， reducing production cost and reducing labor intensity. This paper mainly studies the efficient design and construction technology of electric ships， which mainly involves the integrated design technology based on 2D/3D interaction of drawing software， modular production technology based on component architecture and other control measures to improve the efficiency of design and production. The research in this paper is intended to realize the efficient and safe design and production of electric ships.

Keywords： electric ship; integrated design; modular production; efficiency improvement; control measure

隨著“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，內(nèi)河航運(yùn)企業(yè)的電動(dòng)化已成為必然，本文通過(guò)實(shí)地調(diào)研和專家訪談，對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并指出了目前存在的技術(shù)和政策障礙，并從社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的角度對(duì)電動(dòng)船行業(yè)發(fā)展的前景進(jìn)行了展望，結(jié)合市場(chǎng)實(shí)際為行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)健康發(fā)展提出針對(duì)性的對(duì)策建議。

1" 中國(guó)電動(dòng)船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展及研究現(xiàn)狀

挪威等國(guó)家在2010年左右就開始了電動(dòng)船產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而我國(guó)的電動(dòng)船產(chǎn)業(yè)則相對(duì)起步較晚[1]，其研究多集中在技術(shù)方面，比如：船舶充電方式、船舶直流并網(wǎng)設(shè)計(jì)研究、不同材質(zhì)的船用電池安全性能分析以及電動(dòng)船舶的能量管理等，主要聚焦電池本體及安全管理、能效管理等領(lǐng)域，缺少針對(duì)行業(yè)的頂層設(shè)計(jì)與系統(tǒng)性研究論述，主要從行業(yè)宏觀層面分析行業(yè)發(fā)展所面臨的困難挑戰(zhàn)并給出解決方案。

近年來(lái)，由于電動(dòng)車行業(yè)技術(shù)的不斷積累和廣闊的水域應(yīng)用場(chǎng)景，國(guó)內(nèi)電動(dòng)船舶行業(yè)發(fā)展迅速[2]，示范工程數(shù)量眾多，應(yīng)用船型也十分豐富。自2019年廣州首艘2 000噸級(jí)電動(dòng)船舶“河豚”開始，到2022年3月“長(zhǎng)江三峽1”號(hào)純電動(dòng)郵輪首次啟航，其動(dòng)力為7 500 kW/h，這一切都說(shuō)明了“雙碳”戰(zhàn)略下我國(guó)電動(dòng)船舶工業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛。在國(guó)家政策方面，從2016年到現(xiàn)在，國(guó)家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、交通運(yùn)輸部等多個(gè)部門相繼發(fā)布了一批引導(dǎo)性文件，目的是增強(qiáng)市場(chǎng)參與者的積極性。

2" 電動(dòng)船舶的特點(diǎn)

2.1" 電動(dòng)船舶的優(yōu)勢(shì)

全電動(dòng)船拋棄了傳統(tǒng)的燃料機(jī)械，采用了更加靈活、智能化的電子設(shè)備，自動(dòng)化水平更高，更有利于“機(jī)駕合一”，更好地推動(dòng)船舶智能化發(fā)展，具體優(yōu)點(diǎn)如下。

經(jīng)濟(jì)效益。以拖船為例，全電動(dòng)船在30年內(nèi)的能源消耗可以節(jié)約一艘普通拖輪的費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

操縱性能。在純電動(dòng)船舶中，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的速度可調(diào)，螺旋槳為全旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，可在不同的速度下提供穩(wěn)定的力矩，從而達(dá)到最優(yōu)的工作性能。

可靠性。柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的船舶，其主要部件或舵機(jī)、輔機(jī)發(fā)生故障，常常造成船舶的癱瘓。全電動(dòng)船采用多個(gè)電池組為動(dòng)力，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)各電池組的有效保護(hù)。

空間利用率。在常規(guī)的船舶中，軸系長(zhǎng)度一般約為總長(zhǎng)度的40%，采用全電驅(qū)動(dòng)的船舶，取代了傳統(tǒng)的傳動(dòng)軸系、發(fā)電機(jī)、分油機(jī)、油柜和燃油鍋爐等，改進(jìn)了結(jié)構(gòu)，使機(jī)艙空間得到了充分的利用。

環(huán)境保護(hù)。全電驅(qū)動(dòng)的船舶在工作過(guò)程中，降低了船體的振動(dòng)、噪聲，提高了乘員和旅客的舒適感，而且在作業(yè)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生廢氣，降低了燃料對(duì)水體的污染。電池壽命達(dá)到后，由生產(chǎn)企業(yè)將其回收，并進(jìn)行集中處理，以防止對(duì)環(huán)境的污染。

2.2" 電動(dòng)船舶的風(fēng)險(xiǎn)

船舶失電風(fēng)險(xiǎn)。電池動(dòng)力系統(tǒng)是全船唯一的能源，除了為船舶航行提供所需的電能外，還要為船舶的正常航行、船舶安全、冷藏等設(shè)備和生活環(huán)境提供動(dòng)力。當(dāng)電池功率系統(tǒng)受到嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，很容易發(fā)生碰撞、擱淺等嚴(yán)重的事故。所以，在設(shè)計(jì)電池電力船時(shí)，必須慎重地考慮船體的失電危險(xiǎn)。

火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。隨著電動(dòng)汽車的廣泛運(yùn)用，我國(guó)已經(jīng)有多起新能源車著火的案例，世界上電動(dòng)船舶數(shù)量還比較少，缺乏運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn);由于船舶與車輛之間存在著顯著的工作環(huán)境差異，因此不能只從已有的電動(dòng)汽車經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，需要對(duì)電動(dòng)船舶進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

3" 電動(dòng)船舶的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

國(guó)際海上人命安全公約（SOLAS）對(duì)電力和發(fā)電機(jī)的需求以及國(guó)際海運(yùn)危險(xiǎn)品法規(guī)（IMDG CODE）對(duì)鋰電池的運(yùn)輸提出了要求，但未詳細(xì)預(yù)定，因此制約了鋰電池動(dòng)力船舶發(fā)展。對(duì)于純電動(dòng)船舶的結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備、防火布置、防污染要求、船員培訓(xùn)、發(fā)證和值班等，目前國(guó)際公約和國(guó)內(nèi)法律法規(guī)的要求不能完全應(yīng)用于純電動(dòng)船舶，有關(guān)法規(guī)的要求還有待于進(jìn)一步地探討和研究。

此外，各國(guó)船級(jí)社均已制訂相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)方針，并根據(jù)實(shí)際情況不斷修改和改進(jìn)。在國(guó)外船級(jí)社，2012年挪威船級(jí)社（DNV）首次將電池功率標(biāo)準(zhǔn)列入船舶入級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，隨后經(jīng)過(guò)數(shù)輪修訂完善，目前最新版本為2020年版，章節(jié)名稱更改為電能儲(chǔ)備（Electric energy storage）。美國(guó)船級(jí)社（ABS）于2017年發(fā)布了《鋰電池在船舶與海洋工程中的應(yīng)用指南》。

鑒于目前鋰電池動(dòng)力船的主要相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)選擇了安全可靠的磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力來(lái)源，并制訂相應(yīng)的法規(guī)、規(guī)范、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，建立了較為完善的系統(tǒng)。截至2020年，中國(guó)海事和中國(guó)船級(jí)社發(fā)布的法規(guī)、規(guī)范和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要有：《內(nèi)河小型船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（2019年修改通報(bào)）》《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（2019）》《太陽(yáng)能光伏電池系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》《直流配電電力推進(jìn)系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》《混合動(dòng)力船舶檢驗(yàn)指南》《純電池動(dòng)力電動(dòng)船舶檢驗(yàn)指南（2019）》。

4" 電動(dòng)船舶高效設(shè)計(jì)建造技術(shù)研究

4.1" 一體化集成設(shè)計(jì)技術(shù)與運(yùn)用

在建造船舶時(shí)設(shè)計(jì)程序相當(dāng)復(fù)雜，尤其是在建造全船的過(guò)程中，更是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，其將會(huì)直接影響到整個(gè)船體的工作效率。在這一部分，主要是利用有關(guān)技術(shù)將船舶的各個(gè)部件與設(shè)備進(jìn)行合理地集成，并形成一個(gè)相對(duì)完善的操作系統(tǒng)，以確保其在使用中不會(huì)發(fā)生任何問(wèn)題和意外。

電動(dòng)船舶的基本模塊采用一體化集成設(shè)計(jì)技術(shù)，具體包括：運(yùn)用CAD制圖軟件在一維場(chǎng)景下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)行定義，在二維場(chǎng)景下設(shè)計(jì)初步原理圖或布局圖，在二維與三維場(chǎng)景下進(jìn)行建模以及模塊之間的交互，同時(shí)在三維場(chǎng)景下進(jìn)行模型細(xì)化與交互，并最終完成圖形的設(shè)計(jì)。管井、通風(fēng)口主要干涉部件等采用已有船舶設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)和資料數(shù)據(jù)，提前進(jìn)行三維場(chǎng)景建模和空間協(xié)調(diào)，并不斷細(xì)化。通過(guò)開發(fā)與開放設(shè)計(jì)平臺(tái)，可讓機(jī)電部件制造商直接在平臺(tái)上建模，或?qū)胙b置文件（STP或IGS格式化）的通用格式化，并參與整合協(xié)同設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)與建造過(guò)程中，按圖1的方式進(jìn)行一體化集成設(shè)計(jì)。

在某型號(hào)沿海動(dòng)力渡船的設(shè)計(jì)上，在原有柴油動(dòng)力船的基礎(chǔ)上，優(yōu)化2D/3D場(chǎng)景，采用船首設(shè)計(jì)前傾首柱與平切式艏封及升高登船平臺(tái)，使船舶既有分流作用，又適合船艏登船;尾部采用平尾縱流線型，使水流更為流暢，從而減小阻力;設(shè)有呆木和壓浪板，減小雙槳工作的相互干擾，提高航向穩(wěn)定性。

此外，針對(duì)已有的船舶船艙布局結(jié)構(gòu)，在尾部右舷增設(shè)七氟丙烷工作間，把下機(jī)艙的門由艙內(nèi)改為艙外，將原先機(jī)艙前面空艙內(nèi)的清水箱和污水箱前移到前面一個(gè)空艙內(nèi)，肋位12#—19#艙底空艙改為蓄電池艙，安裝純電池動(dòng)力機(jī)組，采用雙線絕緣制，輸入DC576 V，使用左、右推進(jìn)變頻電機(jī)，實(shí)現(xiàn)零污染、零噪聲，杜絕二氧化碳、氮氧化合物、硫氧化合物等大量污染物及柴油機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的油污水排放，更加綠色環(huán)保、節(jié)能高效。

4.2" 模塊化的生產(chǎn)與應(yīng)用

由于現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，在船舶建造時(shí)，要充分考慮到裝備的作用，將電力、機(jī)械等設(shè)備劃分為多個(gè)模塊，從系統(tǒng)功能、協(xié)同能力、質(zhì)量和預(yù)算成本等方面進(jìn)行分析，最后確定最佳方案[3-4]。在生產(chǎn)建設(shè)階段，根據(jù)庫(kù)存與部件價(jià)值以及自我生產(chǎn)程度，將零部件劃分為ABC三類，按整體系統(tǒng)、各個(gè)子系統(tǒng)、施工區(qū)域以及施工種類劃分成組。按模塊化、單元、大單元對(duì)甲板卸貨、動(dòng)力、生活、控制系統(tǒng)等區(qū)域進(jìn)行分裝，最終在分裝的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)總裝與調(diào)試，縮短了建設(shè)周期，提高了生產(chǎn)效率。模塊化生產(chǎn)示意圖如圖2所示。

在某型號(hào)近海雙體風(fēng)電運(yùn)維巡檢船上，采用雙體、雙機(jī)、雙槳、雙舵拼接，船片體和連接橋采用鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，甲板室采用鋁合金焊接而成，主甲板與甲板室之間采用符合船級(jí)社要求的鋼鋁過(guò)渡接頭焊接連接，減小船舶的重量重心，提高船舶的可靠性、操縱性，從而提高穩(wěn)定性和航速，實(shí)現(xiàn)船舶頂靠風(fēng)電樁時(shí)的可控性。

某型號(hào)新能源動(dòng)力水上巴士，采用全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)安裝方式，推進(jìn)器布置于左右片體機(jī)艙，2臺(tái)全回轉(zhuǎn)舵槳，Ⅱ型艦船用阻尼涂料，使船舶操縱更靈活，可實(shí)現(xiàn)原地調(diào)頭（相比常規(guī)船舶即螺旋槳+舵裝置船舶，2～3倍的回轉(zhuǎn)直徑），使船舶更適合于在較為狹窄的航道中使用，減震降噪。

4.3" 其他提升設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率的管控措施

4.3.1" 配件標(biāo)準(zhǔn)化

制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有利于工業(yè)的整體生產(chǎn)與發(fā)展。造船工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，已經(jīng)對(duì)船舶的裝備進(jìn)行了統(tǒng)一的規(guī)范化，使得船舶具備了普適性。通過(guò)對(duì)各種類型的船舶進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化，使設(shè)計(jì)人員能夠方便地進(jìn)行船舶的設(shè)計(jì)。為此，船廠的有關(guān)設(shè)計(jì)單位應(yīng)制定相應(yīng)的船舶設(shè)計(jì)規(guī)范，使其符合船廠的設(shè)計(jì)規(guī)范。避免因其他因素導(dǎo)致的后期建造與制造設(shè)計(jì)不相符的問(wèn)題。

4.3.2" 加強(qiáng)電動(dòng)船舶制造全過(guò)程生產(chǎn)管理

電動(dòng)船舶的制造要建立在現(xiàn)代造船技術(shù)的基礎(chǔ)上，因此，要改變經(jīng)營(yíng)方式，尤其是在進(jìn)行專業(yè)管理的時(shí)候，要運(yùn)用相應(yīng)的管理手段，進(jìn)行專業(yè)的管理和技術(shù)整合[5-6]。專業(yè)化管理的首要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)成本控制、節(jié)約成本、調(diào)整產(chǎn)業(yè)周期、提高生產(chǎn)率，確保高質(zhì)量完成任務(wù)。在現(xiàn)代船舶生產(chǎn)中，除了要做好生產(chǎn)管理，還要注重對(duì)資源的合理使用和合理調(diào)度。在現(xiàn)代船舶管理中，隨著信息化、速度的提高，對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行了持續(xù)優(yōu)化，必須采用更加先進(jìn)的專業(yè)化管理技術(shù)，以保證船舶的設(shè)計(jì)與制造。

5" 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)，我國(guó)將會(huì)出現(xiàn)中小型船舶的電動(dòng)化工業(yè)集群，并將成為中短途、中小量運(yùn)輸?shù)墓歉闪α浚渲袑⒁越玉g船、渡輪、觀光船、公務(wù)船、港口拖輪、班輪和貨運(yùn)船等領(lǐng)域?yàn)橹攸c(diǎn)。由于我國(guó)內(nèi)河船舶數(shù)量龐大，按照國(guó)家有關(guān)規(guī)定，今后將逐步淘汰不合格的船舶，如純電動(dòng)、氫能、氨能等船舶。假定1.37億載重噸內(nèi)河船舶中，50%改用全電力，國(guó)內(nèi)純電動(dòng)船舶的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)5 000億元（不包括電池系統(tǒng)成本），將有助于我國(guó)航運(yùn)綠色轉(zhuǎn)型，形成以電動(dòng)船舶設(shè)計(jì)建造產(chǎn)業(yè)為龍頭、相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的綠色船舶研發(fā)生產(chǎn)體系，促進(jìn)我國(guó)綠色港航新能源產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。

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