某穿梭油輪EEDI多方案優化對比分析

周建華 ,韓志強,,朱漢華,范世東

(1.舟山中遠海運重工有限公司,浙江 舟山 316131;2.武漢理工大學 a.船海與能源動力工程學院;b.交通與物流工程學院,武漢 430063)

為了滿足EEDI要求,降低船舶運營階段的碳排放,提高能效水平,以新造船為對象的一系列技術雖然廣泛應用[1-6],但各優化技術對船舶綠色度提升效果的比較分析很少有公開的文獻報道。因此,有必要分析船舶優化技術對船舶綠色度提升效果,為船舶設計提供滿足船舶綠色指標的思路。

舟山中遠海運重工有限公司(以下簡稱:舟山中遠)建造的15萬噸級穿梭油輪上應用了主機功率降低、船型優化、船體減重設計、節能裝置安裝等綠色船舶技術?？紤]利用EEDI分析各優化技術對穿梭油輪的能效水平提升效果的貢獻度。

1 示例船相關技術參數

舟山中遠建造的5艘穿梭油輪均為國外船東,入級挪威船級社,無限航區。系列船中N574于2014年交付,后續N686、N687、N728、N786于2017年至2022年間交付。其中N574和 N686船型一致,N687/N728與N786船型一致。N687/N728和N786的船型是在N574/N686型線的基礎上進行改變并設計,由于船東對SUEZMAX級穿梭油輪貨油艙容積要求有所提高,滿載載重變大,貨艙容積由N574/N686的162 300 m3擴大到N687/N728/N786的173 200 m3。5艘穿梭油輪的主尺度、主機、航速、EEDI值等相關信息見表1。

表1 5艘系列穿梭油輪主要尺度等信息

系列船中N574、N686應用了船型優化技術,N687、N728、N786安裝了節能裝置。N786單獨應用主機功率降低技術、船體減重技術、并調整了船舶自愿結構加強修正系數。

2 綠色設計技術應用與效果比較

2.1 船型優化技術

示例船按船體型線分為兩類,N574、N686型線相同,N786與N687/N728的船型一致。N687、N728和N786的船型是在N574、N686型線的基礎上進行設計和優化的,但貨艙容積比不同,兩類船型差別較大,選擇N574作為示例。

為避免或減少船體艉部邊界層分離引起的能量損失,低速肥大型船舶通常將浮心的縱向位置設定在舯前2.0%Lpp至3.5%Lpp之間(Lpp為垂線間長),取值受主尺度、方型系數、航速等因素的影響[7]。N574船型的最優主尺度是通過已造類似船型統計分析得到,初步船型是根據功能和噸位要求,選擇母型船,由NAPA軟件型線變換得到。該船浮心縱向位置在舯前2.9%Lpp。

對初步船型進行型線光順和快速性優化。優化以降低船舶阻力為主要目的,需要實現設計吃水下船舶濕表面積最小化,以減少摩擦阻力。此外,船艏部分需要進一步減少形狀阻力、興波阻力和首底漩渦等阻力因素的影響,船艉部分也需要適當調節水線面與螺旋槳軸線之間的角度,以避免或減少艉部邊界層分離的出現,促使船體艉部的伴流分布更加均勻的同時,降低粘壓阻力。

使用商用CFD軟件數值模擬N574穿梭油輪優化前和優化后的阻力性能,對比船體周圍流場的興波、流線、壓力分布、速度分布,發現優化后的穿梭油輪阻力性能明顯改善。球鼻艏表現出更好的消波效果,艏肩和艉肩的壓力梯度減小,興波阻力降低。此外,優化后的尾流場漩渦明顯減少。另外,通過對比優化前后艉部船體表面的流線和壓力分布圖,確認了優化后的船體在艉軸附近的流線分布更加均勻,壓力梯度顯著降低,邊界層分離程度減小,降低了船體阻力。

完成型線優化以后,由船模拖曳實驗得到阻力與船舶功率。根據船模試驗得到的航速功率預估曲線可知,在結構吃水為17.55 m、主機功率為75%MCR,沒有海洋儲備的情況下,N574船的EEDI航速約為14.25 kn,比優化前提高0.24 kn。N574與N686船型一致,兩船EEDI值的變化見表2。

表2 船型優化技術對穿梭油輪能效水平的影響效果比較

2.2 主機功率降低

降低主機功率是降低EEDI值的最便捷途徑之一,系列船中N574、N686、N687、N728 滿足EEDI 第一階段即可,但N786需要滿足EEDI的第二階段。經EEDI初步設計計算,N786船的主機SMCR功率需從N687、N728的16 060 kW降低到14 675 kW才能滿足第二階段的要求。但主機功率過低會增加安全事故發生的可能性,因為在惡劣海況下功率過低會降低航向穩定性導致無法駛離危險區域。為此,需確認船舶主機最小功率能否正常工作。

根據MEPC.1/Circ.850-Rev.2,維持船舶在惡劣海況下仍有良好操縱性的最小推進功率有兩個層次的評價方法。①第一層次的評估是基于統計分析結果,從最小功率推進曲線中得到船舶的最小推進功率;②第二層次的評估基于數值計算,根據簡化評估方法確定船舶最小推進功率。船舶裝機功率只要能夠滿足兩個層次評估中的任何一個最小功率,就可以認為該船滿足在惡劣海況下維持操縱性要求的最小功率。結合穿梭油輪N786的狀況,簡述兩個方法評估過程和結果。

1)第一層次的評估方法。

W=a×DWT+b

(1)

式中:W為最小推進功率;DWT為船舶載重噸,t;根據MEPC.1/Circ.850-Rev.2,對于油船參數a=0.065 2,b=5 960.2。

主機額定功率(MCR)大于最小推進功率曲線值,則認為滿足評估要求。根據第一層次評估方法計算本船的主機最小功率為16 001 kW,比擬定的主機SMCR功率14 675 kW要大,所以需要進行第二層次的評估方法。

2)第二層次的評估方法。

(1)第二層次評估的原則是具備足夠裝機功率的船舶,在頂風頂浪的情況下以一定的航速向前行駛,在受到任意方向的風壓下應仍能夠保持航向穩定[8-9]。該評估僅考慮船舶在沿船長方向做定常運動時的情況。通過調節船舶在逆風迎浪中的前進航速使其滿足要求,來評估船舶在風浪中保持航向所需的最小主機功率。確定船舶在頂風頂浪時保證航向穩定性的最小航速Vs。

Vs=max(Vnav,Vck)

(2)

式中:Vnav=4 kn,Vck=Vck,ref=10.0×(AR/LPPTM(1.0+25.0(Bwl/LPP)2)-0.9)航行保持參考航速Vref可以通過AF/AL的值來計算:當AF/AL≤0.1,Vref=0.9;當AF/AL≥0.4,Vref= 0.4;當0.1

對于N786船,LPP=265.0 m,AR=64.05 m2,Bwl=47.00 m,AF=1 020.00 m2,AL=2 954.00 m2,TM=17.3 m,因此可以得到Vck,ref=4.91 kn,Vck=6.09 kn,故本船最小航速Vs為6.09 kn。另外,因為N786船的LPP>250 m,對于本船惡劣海況定義為有義波高HS=5.5 m,浪周期TP=7.0～15.0 s,風速Vw=19.0 m/s。

(2)計算船舶在惡劣海況下維持操縱性需要克服的阻力,包括靜水阻力Rcw、附體阻力Rapp、空氣阻力Rair和波浪增阻Raw。對于靜水阻力Rcw,按照公式(3)計算。對于空氣阻力Rair按照公式(4)進行。波浪增阻Raw,按照公式(5)計算?？傋枇按照公式(6)計算。附體阻力忽略不計。

(3)

(4)

(5)

式中:HS為有義波高,這里取值為5.5 m。

R=RCW+Rapp+Rair+Raw

(6)

計算結果:Rcw=193.68 kN,Rair=264.20 kN,Raw=790.13 kN,R=1 248.01 kN。

除了印刷技術方面，在環保方面，利豐雅高也響應國家號召，積極進行環保生產。公司在空氣治理方面投入400萬安裝了VOCs末端催化燃燒裝置；積極做好源頭控制，禁用含酒精的異丙醇洗車水；嚴格進行過程管控，比如將擦拭布放在密封箱里等。末端治理方面，利豐雅高安裝了廢水凈化裝置，保證排出的是符合國家標準的廢水。對于廢固，其按照規定碼放、建立臺賬、交由資質公司處置?？梢哉f，利豐雅高在環保的路上真正做到了源頭控制、過程管控、末端治理。

3)計算螺旋槳克服總阻力所需推力和螺旋槳進速系數和轉矩系數。根據螺旋槳敞水試驗,螺旋槳克服總阻力所需要的推力為

T=R/(1-t)

(7)

式中:t為推力減額系數,R為總阻力。

根據模型試驗結果,t取值為0.181。根據前方計算結果,得到T=1 523.82 kN。

根據公式(8)并結合螺旋槳敞水試驗數據, 計算螺旋槳進速系數和轉矩系數。

(8)

式中:ρ為海水密度。ua為螺旋槳前進速度,按ua=Vs(1-w)計算,w為伴流系數;Dp為螺旋槳直徑;KT/J2為螺旋槳負荷系數。

按模型試驗報告,伴流系數w取值0.254,Vs為6.09 kn,得到ua為2.337 m/s,Dp為8.3 m。計算得到KT/J2為3.946 5。結合螺旋槳的敞水試驗結果,得到進速系數J為0.276 2,轉矩系數KQ為0.035 87。

4)計算螺旋槳轉速n、主機功率Ps和轉矩Q。

(9)

PS=PD/ηS

(10)

Q=PD/ηS/(2πn)

(11)

式中:ηS為軸的傳遞效率,PD為螺旋槳收到功率。通常尾機型船舶月為0.98,中機型船舶為0.97,N786船ηS取值0.98。計算后得到轉速為61.167,主機功率PS為9 846.25 kW,轉矩Q為1 537.18 kN·m。

5)核查主機資料,確認功率、轉矩可以滿足計算要求結果(見圖1)。綜合以上,主機對應機型MAN 6G70ME-C10.5 Tier II,SMCR14,675 kW,74 r/min完全滿足EEDI-II的制動功率需求。

圖1 主機負載、要求轉速與功率轉矩校核結果

N786與N687/728船體線型一致,且N786與N687/728空船重量和載重噸沒有變化。但N786調整了自愿結構加強系數。因此,為了簡單比較降低主機功率對能效水平的影響,假設自愿結構加強系數一致。通過模型試驗,得到此時N687/N728 EEDI航速為14.02 kn,N786 EEDI航速為13.60 kn。由表3 可知,即便是主機功率降低引起船舶航速降低0.42 kn,但對EEDI折減系數有5.75%的提升。

表3 主機功率降低與航速優化對穿梭油輪能效水平的影響效果

2.3 安裝節能裝置

節能導管通常適用于油船類艉部肥大的船舶,此裝置一方面可以減少艉部的流動分離,降低形狀阻力;另一方面可以加速螺旋槳上部進流,使槳盤面的進流更加均勻,提高了推進效率;同時可調整螺旋槳進流的預旋程度,減少艉流中的旋轉能力損失。該裝置能夠有效改善螺旋槳入流場的均勻性,通過提高船身效率和降低螺旋槳艉流場旋轉能量的損失,能獲得較好的節能效果。

舟山中遠建造的5艘穿梭油輪中,N574、N686中沒有添加節能導管,N687、N728、N786船舶中有添加節能導管。在開發N786的時候,通過船模拖曳實驗分析節能導管的添加對船舶阻力降低和航速提升的效果。實驗結果顯示,加裝節能導管能使船舶結構吃水下達到同等航速所需要的主機功率降低4.3%以上,意味著相同主機功率時船舶航速能提高達0.22 kn(圖2)。通過EEDI計算方法可以看出,安裝節能導管對N786船EEDI有1.23%的提升,見表4。

圖2 安裝節能導管前后功率和航速比較

表4 安裝節能導管對穿梭油輪能效水平的影響效果

2.4 船體結構減重

船體重量減輕也是提高船舶能效水平的重要技術手段之一。對于N786船舶的貨艙而言,載荷上高速透氣閥壓力減小導致貨艙壓力減小,所以在材料屬性不變的情況下相對于母型船而言,設計船貨艙板厚有減小的余地。

通過提高構件鋼材等級,對高應力區的角隅和開孔進行細化有限元分析,根據分析結果對比調整板厚和構件大小反復進行驗算,得到:貨艙區主甲板從28.5 mm板厚減薄到18.5 mm,內底板平均減厚1 mm,主甲板,內底板縱向筋整體減小;上建甲板的部分室內甲板減薄1 mm,共減重7 t;主甲板艙蓋墊板減薄減重5.7 t,同時背部加強取消減重18.7 t;面板小于400的防傾肘板背肘板取消,減重3.5 t;機艙3平臺下的隔離空艙反到甲板上,減重12.3 t。減重后貨艙區船體結構理論重量由母型船19 057 t減為16 922 t。最終經傾斜試驗驗證,全船優化后空船重量實際為29 067 t,相比母型船實現減重2 242 t。N786船將空船重量的部分用于提高船舶載重量,結構減重對于該船舶EEDI數值降低0.45%,見表5。

表5 船體結構減重對穿梭油輪能效水平的影響效果

2.5 船舶特定的自愿結構加強

根據MEPC.308(73)EEDI計算指南,船舶自愿結構加強系數fi VSE為

fi VSE=DWTreference design/DWTenhanced design

(14)

式中:DWTreference design為去除自愿結構加強后的載重噸,DWTenhanced design為保留自愿結構加強后的載重噸。若不考慮船舶特定的自愿結構加強,fi VSE可取值為1。

穿梭油輪在裝卸油期間為保持動力定位功能,除配備主推進器外,還額外配備了2個側推和3個方位推。另外與常規油輪相比,穿梭油輪還多了一套艏裝載系統。這些導致船舶載重噸損失的設備及相應結構加強都可視作特定的自愿結構加強。已建造的穿梭油輪項目中,N574、N686、N687、N728均未考慮船舶特定的自愿結構加強,N786船考慮了特定的自愿結構加強。在與船級社探討后,需提交兩套不同的圖紙進行評定特定的自愿結構加強。一套圖紙為正常設計包含特定的自愿結構加強,而另外一套圖紙則是去除特定的自愿結構加強后的結構圖紙和穩性計算資料。通過計算去除特定的自愿結構加強后的船舶空船重量和重心位置,并對計算的空船重量和重心位置進行船舶穩性校核,確保去除特定的自愿結構加強后的船舶設計也能滿足完整穩性和破艙穩性的要求。

經傾斜試驗驗證,N786船加強后的載重噸為154 955 t,加強前的載重噸為156 586 t,因此可得fi VSE為1.010 5。經對比計算,考慮N786船特定的自愿加強fi VSE數值能降低EEDI,使折減系數提高0.79%,見表6。

表6 自愿結構加強系數調整對穿梭油輪能效水平的影響效果

3 效果分析

綜合以上,通過圖3可以確認各項綠色船舶技術對EEDI折減系數的提升效果。首先,降低主機功率能夠提升船舶能效水平5.75%。而對于船型優化、安裝節能導管裝置、船體結構減重和調整自愿加強系數等技術對于該類船舶的能效水平的提高水平相當,提升效果在0.45%～1.43%。需要強調的是,EEDI要求的第一階段對比0階段要求提升能效水平10%,第二階段對比第一階段要求能效水平提升10%?？紤]到這一點,各綠色船舶技術提升效果明顯,特別是降低主機功率這一技術,原因是EEDI評價技術主要評價船舶能效水平,而能效水平與主機功率、燃油消耗量有直接關系。其他技術通過降低船舶阻力或增加船舶的載重量來降低其船舶能耗水平。

圖3 綠色船舶技術對于穿梭油輪能效水平提升效果比較

4 結論

1)滿足最小推進功率的前提下降低主機功率對EEDI的提升效果最大,比其他優化技術對于穿梭油輪的能效水平高出5倍左右。

2)船型優化、安裝節能裝置對EEDI的提升效果相當,略高于船體結構減重與自愿加強系數調整。

3)在不能滿足EEDI能效水平要求時,可優先考慮從主機功率降低或者低碳燃料的使用等方面優先考慮,其他綠色船舶技術協同應用,以提高能效水平,滿足EEDI要求。