旋筒風(fēng)帆助大型船舶駛向綠色低碳

操秀英

近日，中國海油發(fā)布消息，我國自主研發(fā)制造的亞洲首套船用風(fēng)力旋筒助推系統(tǒng)在萬噸級大型甲板運輸船“海洋石油226”上成功投用。這標志著我國在商用船舶旋筒風(fēng)帆系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了零的突破，對于推動船舶運輸行業(yè)綠色低碳發(fā)展具有重要示范意義。

旋筒風(fēng)帆長什么樣，給船舶裝上旋筒風(fēng)帆有多難，這種風(fēng)帆有什么作用？筆者就這些問題采訪了相關(guān)專家。

旋筒風(fēng)帆最早出現(xiàn)于20世紀20年代。由于旋筒的重量限制以及柴油機和蒸汽輪機的出現(xiàn)，該技術(shù)最終沒能被廣泛應(yīng)用。近兩年，隨著國內(nèi)外研究與實船實踐的成熟，這項技術(shù)在歐洲等國際重點航運市場重新得到廣泛研究與應(yīng)用。旋筒風(fēng)帆在船舶上的安裝與應(yīng)用即將進入一個新的發(fā)展階段。

2023年8月，歐盟研究報告顯示，目前主流的風(fēng)力輔助推進系統(tǒng)包含了旋筒風(fēng)帆、硬質(zhì)翼帆、吸力翼帆、天帆、軟質(zhì)風(fēng)帆。旋筒風(fēng)帆是目前國際上應(yīng)用最廣、技術(shù)最為成熟、減排潛力最大的一種風(fēng)力輔助推進系統(tǒng)。截至2023年，共有將近60艘船舶安裝了風(fēng)力輔助推進系統(tǒng)，其中40%以上的船舶選擇安裝了旋筒風(fēng)帆。

“項目團隊在設(shè)計前期深入開展了船舶應(yīng)用環(huán)境與能耗仿真模擬分析。研究顯示，加裝旋筒風(fēng)帆系統(tǒng)后，這艘船平均每年可節(jié)約12%的燃料，減少二氧化碳排放量約412噸，并可實現(xiàn)全生命周期受益?！薄昂Ｑ笫?26”船船長吳力國說。

“總體思路上，‘海洋石油226’的改裝借鑒了德國愛納康（Enercon）公司旗下‘E-Ship 1’號旋筒風(fēng)帆貨船的成功經(jīng)驗?！眳橇f，該船于2010年正式投入運營，與“海洋石油226”的船型以及總噸都十分近似。借助4臺高27米、直徑4米的旋筒風(fēng)帆，“E-Ship 1”號旋筒風(fēng)帆貨船與同型號貨船相比燃料損耗減少了約25%，并且在2016年德國漢堡國際海事展上獲得國際帆船協(xié)會的風(fēng)力推進創(chuàng)新獎。

但是，“E-Ship 1”號旋筒風(fēng)帆貨船雖然節(jié)能減排效果非常優(yōu)異，但其旋筒風(fēng)帆的布置方式對甲板空間占用較大，會影響船舶日常的貨物裝卸?！拔覀儾捎昧藢Υ把b載面積影響最小的改造設(shè)計。這種設(shè)計僅占用了原船上層建筑后方臨時集裝箱的位置，并用旋筒風(fēng)帆固定底座的內(nèi)部空間補償了原集裝箱工具間的功能。旋筒風(fēng)帆固定底座可拆卸，特殊情況下可以簡單快捷地將旋筒風(fēng)帆整體吊裝下船，最大限度地保持了原船功能?！焙Ｓ凸こ绦诧L(fēng)帆系統(tǒng)項目負責(zé)人楊云展說。

雖然有成功經(jīng)驗可借鑒，但給“海洋石油226”裝上風(fēng)筒并非簡單的“依樣畫葫蘆”。

“我們制作并分析了多臺內(nèi)筒的小尺寸樣機，不斷改進產(chǎn)品設(shè)計，并從中選取了最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式。”楊云展說。

外筒的設(shè)計和制造也是項目主要難點之一。為了實現(xiàn)更高的推力，風(fēng)筒既要足夠輕，以達到更高的轉(zhuǎn)速、更低的消耗功率，又要有足夠的強度和防腐性，能承受海上的各種工況?！盀榇?，我們論證了多種材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式的外筒。論證材質(zhì)包括小型旋筒的鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)、鋁合金材質(zhì)、非金屬復(fù)合材料與碳纖維材料，通過對材質(zhì)重量、強度、防腐性以及經(jīng)濟性的對比，我們最終選取了非金屬復(fù)合材料并對結(jié)構(gòu)形式進行了優(yōu)化，從而減輕外筒的重量，提高強度。”楊云展說。

另一個要攻克的難題是旋筒風(fēng)帆的自動化控制。為了實現(xiàn)讓旋筒風(fēng)帆能夠根據(jù)不同風(fēng)速風(fēng)向自動判斷旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度，項目團隊對旋筒風(fēng)帆在不同風(fēng)速風(fēng)向條件下形成的推力、阻力以及電機消耗功率，通過流體力學(xué)仿真計算進行了模擬。

“僅僅通過數(shù)值模擬計算還不夠。我們還對旋筒風(fēng)帆的模型進行了風(fēng)洞試驗，以測試旋筒風(fēng)帆在不同風(fēng)速不同轉(zhuǎn)速下的氣動力特性?！睏钤普拐f。

該項目首創(chuàng)了一體化智能中控系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以自動獲取航線風(fēng)速和風(fēng)向，并調(diào)整旋筒風(fēng)帆工作姿態(tài)以獲取最大動能，為船舶行業(yè)綠色發(fā)展和智能化操控提供一種全新模式。

隨著國際航運向著脫碳方向發(fā)展以及日益嚴格的空氣排放和氣候立法，航運業(yè)面臨重大挑戰(zhàn)。

工業(yè)和信息化部等五部委近日發(fā)布的《船舶制造業(yè)綠色發(fā)展行動綱要（2024～2030年）》提出，要加快甲醇、氨動力船型研發(fā)，探索開發(fā)燃料電池等新型動力船型；積極穩(wěn)妥推動具備條件的客船、貨船、工程船、漁船等LNG、電池動力船型研發(fā)和示范應(yīng)用，推動甲醇、氫等動力船型研發(fā)和試點；加快液氨、液氫、液態(tài)二氧化碳等新型運輸船研發(fā)等。

吳力國說，大型工程船舶是航運行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要部分。綠色低碳轉(zhuǎn)型對大型工程船舶的能耗管理等提出了更高要求。旋筒風(fēng)帆具有輕巧靈活、改造簡單、投資回報快等顯著優(yōu)點，可以在油輪、客輪、散貨船、滾裝船等多種具有空曠甲板面的船型上安裝，平均節(jié)省燃料可達5%～25%。

這套船用風(fēng)力旋筒助推系統(tǒng)是天津海洋裝備產(chǎn)業(yè)（人才）聯(lián)盟內(nèi)合作的首臺套旋筒風(fēng)帆項目。海洋石油工程股份有限公司相關(guān)負責(zé)人表示，海洋石油工程股份有限公司作為主席單位，很好地踐行了聯(lián)盟關(guān)于未來發(fā)展的倡議，在聯(lián)盟內(nèi)形成帶動作用。此次成功合作，將推動天津地區(qū)的海洋裝備產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展邁上新臺階。