特种深水海工作业船节能环保设计思路

焦新华 陆懿东 桂满海

（1.中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300451；2.上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

随着国家蓝海战略的不断前进，特种深水海工作业船舶需求不断增加，如何在既能满足船舶作业功能要求，又不增加船舶主尺度的前提下，提高船舶续航力和自持力两大指标，延长船舶在海上的作业周期，提高船舶营运的经济性，是现代特种深水海工作业船设计成功与否的关键技术指标。

深水工程勘察作为特种深水海工作业的重要内容之一，是深水海洋石油开采的排头兵。本文通过对深水工程勘察船的节能环保设计研究，依据安全性、先进性和实用性的原则，结合工程美学设计，在突出船舶满足海上作业功能需要的同时，提高船舶使用的经济性，在满足需要的情况下，通过设计的优化进一步提升了船舶节能水平。

1 线型设计

特种海工作业船对耐波性和动力定位能力要求通常比较高，尤其是在深水区作业的船舶，海况恶劣，要实现的功能要求却很高，设备的配置越来越先进。以深水工程勘察船为例，需要承担的作业包括模拟工程物探调查、单电缆二维高精度数字地震调查、海上工程支持服务、工程地质钻孔、水下机器人（ROV）支持、海底表层采样、原位静力触探（CPT）测试等作业功能等。精细的海工作业对于船舶的耐波性和在恶劣海况下的动力定位能力要求也越来越高，由此带来的燃油消耗占船舶营运费用的比例也在增加。不同的线型，在相同的主尺度及主机功率下，耐波性、快速性和操纵性有很大的差异，航速有时相差接近1.0 kn，或在相同的航速下可使主机功率下降20%，可见选择优良的线型能得到很好的节能效果。

按照傅氏数计算，深水工程作业船多为中速船，这种类型船舶的兴波阻力占总阻力中较大的部分，设计时需要充分考虑如何降低兴波阻力。船舶首部的线型设计至关重要，设计船的傅汝德数Fn=0.25～0.35时，采用球鼻首可降低兴波阻力、破波阻力和舭涡阻力，一般可降低船舶总阻力10%左右。球鼻首的形式有水滴形、瓜子型、椭圆形和上翘形等。在船舶设计过程中通常都会通过数值计算软件或船模试验来进行球鼻首的设计和优化。图1为通过CFD优化球鼻首后船舶兴波阻力的对比。

优良的线型不仅对减少阻力、增加推进效率、降低油耗起到关键作用，而且影响到耐波性的好坏。耐波性优良的船型，可明显减小风浪中螺旋桨出水的概率，减小首部抨击频率，减小船体绝对运动幅值，以保证推进效率和减少所需功率，还能提高各种设备仪器的安全性，提高舒适度；而耐波性较差的船舶在风浪中失速问题是不容忽视的。有资料表明，当北大西洋上蒲式风6级时迎浪航行失速达12%，与静水相比主机马力相应增加了80%。因此在线型设计时应当充分考虑耐波性的影响。

图1 CFD优化球鼻首前后兴波的对比

深水工程勘察船外观采用长首楼，流线型设计，可以进一步降低风阻，且外观更加优美，并且在细节上进一步优化布置。

2 月池设计

月池的设计首先要满足勘察作业和井口维护支持作业的要求。但这种主船体大开口的结构形式也带来了船舶设计的两个问题：第一，航行中水流对船体的冲击，造成局部区域结构需要加强，引起船舶空船重量的增加；第二，中部的大开口结构形式会大大增加船舶的阻力，也就是会增加船舶的装机功率。因此如何在满足作业功能要求的前提下，尽量减少由月池产生的影响是船舶能否可以实现节能的关键之一。为此在设计中，可以考虑在结构形式上做消波处理，尽量减少水流冲击的影响，从而可以有效减少局部的骨材强度和重量；其次在月池底部考虑采用流线型设计，减缓开口对于船舶阻力的影响。图2反映月池的结构设计特点。

图2 月池结构设计

考虑到许多作业设备需要通过月池来工作，所以必须有效利用月池口周边的空间，在满足作业的情况下优化月池周边设备和辅助设备的布置，协调作业流程，减少不必要的管路和构件，以达到降低空船重量的目的。

3 推进系统优化

作为船舶最主要的能耗源，如何优化推进系统是实现节能减排的重要关键。国际海事组织（IMO）2013年1月1日已生效的EEDI要求对运输船的设计和建造制订了具体的节能要求，对于海洋工程作业船，尚未制定明确的指标来约束船舶的能耗。但是国际主流设计公司和海上作业公司都开始关注海工作业船如何能更好地减少作业和航行时的能耗。以一艘半潜式钻井平台为例，在动力定位（DP）模式下的油耗高达100 t/d以上。国际上主流的近似尺度特种海工作业船，航行时的能耗约40 t/d，DP模式下达到了20 t/d的油耗。按照轻柴油每吨8000元计算，每天的营运费用至少20万元人民币，如果能到达10%的节能效果，按照一年工作240 d来计算，其节能效益相当可观。

最有效的方法就是对推进系统进行优化，选择合适的推进形式，合理配置设备，在保证船舶作业能力的前提下，可以显著地降低船舶能耗。

3.1 推进形式选择

作为海工作业船，其最主要的功能就是满足船舶海上作业的需要，因此对船舶动力定位的能力要求比较高，在任何作业工况下船舶必须保持住船位才能正常进行作业。船舶航速对作业船而言相对不是最关键的。因此，我们比较了几种不同的推进形式：一是柴油机直接机械推进+轴带发电机+柴油发电机组+侧推+伸缩桨；二是电力推进+舵桨+侧推+伸缩桨；三是电力推进+电动机机械推进+侧推+伸缩桨。从桨的效率来看，机械推进所采用的定距桨和可调桨拥有比舵桨更高的效率，但是只是针对船舶的前进和倒车，而船舶在动力定位时，所需要的推力是360°全方位的，是机械推进无法实现的。因此在DP状态下，如果采取常规的机械推进，则必须在尾部附加侧推以提供必要的侧向推力。这就意味着，在DP状态下，船舶主柴油机需要驱动螺旋桨提供一定的轴向推力，但此时推力很小，柴油机工作在低负荷状态下，船上的电站又需要提供额外的电力用于尾部侧推提供侧向推力，从节能角度来看是非常不经济的。即使采用轴发对尾部侧推进行供电，柴油机的实际工作负荷仍非常低，非常不经济。

从图3可以看出，正常工作状态下，柴油机在85%左右的功率输出时的单位油耗是最低的。过低的功率输出和过高的功率输出都会使柴油机的理论油耗偏高，柴油机的特性显示柴油机维持在60%～100%的功率输出时，油耗差异不是很大，但是在50%以下功率输出时，油耗会增加很多。如果采用柴油机直接驱动的常规机械推进方式，在船舶航行时会获得比较好的经济性，但是在DP状态下，油耗会增加很多。海上作业船的实际使用工况主要还是在DP状态下作业，并非像运输船一样以跑航速为主，因此从节能角度出发，柴油机直接驱动的常规机械推进方式不适用于该船。

图3 柴油机功率与油耗关系图

比较电机直接机械推进方式与舵桨推进方式，舵桨由于可以360°全回转，其对于DP的响应非常迅速，通常不需要做过多调整，就可以满足定位要求，由此DP的偏差比较小，DP需要的时间也比较少，相对来说，需要推进器动作的时间也会少，整个DP过程需要耗费的燃油也比较少。而常规螺旋桨，从正车到倒车需要的时间比较长（根据厂商资料，至少需要20 s以上，而舵桨的时间不超过10 s），依靠侧推提供的侧向推力相对于360°的全回转舵桨响应时间也比较慢，由此导致DP到位的时间花费相对比较长，整个过程偏差会大一些，所耗费的燃油也会多一些，影响DP状态下的油耗。因此在DP模式下，采用舵桨方式的推进系统的效率要比常规机械推进系统的效率高10%～15%。鉴于此，采用电推+舵桨的方案可以达到节能的效果，减少船舶运营周期的能耗。

3.2 电站配置选择

确定船舶采用的推进形式后，就是要分析船舶的电力负荷情况，根据船舶的实际作业情况，确定电站的最终方案。

该船的几大主要工况：

1）进、出港；

2）全速航行15 kn；

3）经济航行12 kn；

4）250 t起重机海上作业+DP2；

5）钻孔作业+DP2；

6）250 t A架作业；

7）饱和潜水（SAT）+DP2；

8）ROV+DP2。

分析上述几类工况，最大电力负荷出现在全速航行工况下。根据实际使用惯例，在全速航行下应有1台发电机作为备用。另DP2模式下，2台发电机工作、2台发电机备用。发电机组的配置充分考虑到满足全负荷时的功率，也要确保在各个不同工况下，每台在用的发电机组尽可能运行在油耗相对比较低的功率范围内。单台柴油机的负荷维持在70%～85%的区间，使柴油机运行在最佳的油耗点，有效降低单位油耗，保证营运期间的低能耗，实现节能目标。

总之，动力配置的选择需根据项目的技术形态要求、技术适宜性、初始投资、运营成本（包括设备的维护保养、燃油费以及人员成本等）以及作业可靠性、维护方便性等方面综合考虑，达到最大经济节能效益。

3.3 导流罩的选用

考虑到DP状态下，对推力的要求比较高，舵桨配置导流罩有助于提升单位功率下的推力。合理的螺旋桨和导流罩的设计，有助于增加导流罩内水的流速，在相同的主机功率下，可增加该船推力。但是导流罩对航速有一定的影响，综合推力和航速要求，结合船舶实际使用工况，舵桨配置导流罩有助于降低船舶运营周期内的功率消耗 （主要是DP模式下），从而有助于减少全船营运油耗。

图4 导流罩产生的推力原理图

从图4可以看出，安装导流罩可提高船舶推力的原理是水流动速度而引起的压力差作用在导流罩上产生的推力。

由于导流罩在船舶航行速度很高时产生的阻力大于它产生的推力，所以对于航速要求高的船舶一般不会安装导流罩。深水工程勘察船航速要求15 kn并不高，在DP模式下，基本为0航速，但是此时的推力要求很高，在此状态下，这类海工作业船安装带高效导流罩的舵桨能提高推力5%～10%，系柱拖力提高更多。所以，为该船螺旋桨安装流线型导流罩也是节能的有效措施之一。

4 淡水系统优化

淡水是船舶长期航行在海上非常宝贵的资源。深水作业要求船舶具有长期的海上作业能力，而淡水是对船舶的自持力提出的一个很大要求。配置大的淡水舱能提高船舶的自持力，但也占用了船舶的宝贵有效的舱容空间。因此在满足自持力要求的情况下，如何在确保船上人员生活用水和设备工作用水的前提下，尽量减少淡水舱的舱容，将更多的空间用于提高船舶的经济效益和功能完善，甚至于在某种程度上可以减小船舶的尺寸，从而达到降低船舶能耗的目的。

船舶对淡水的需求分为工作淡水和生活淡水。工作淡水主要用来补充机器的冷却水消耗量和锅炉用水。生活淡水主要是洗涤水、卫生水和饮用水。

目前船舶淡水通常通过两个方式实现。第一，淡水舱携带；第二，海水淡化。考虑到深水工程勘察船的海工作业特殊性，一旦开始工作，最好可以连续在海上作业，频繁返港反而会造成营运成本大，油耗增多。

基于此，我们主要是从两个方面来解决问题。第一，减少淡水的消耗；第二，采用节能制淡措施。

淡水系统设计时，考虑到将饮用水、生活用水和工作用水分开。船上设有饮用水舱用于满足人员饮水需求，设置生活淡水舱和技术淡水舱用于满足生活和工作用淡水需求。由于饮用水需求量不大，且制淡装置产生的淡水不宜长期饮用，因此饮用淡水舱舱容要按人员需求配齐。生活淡水舱和技术淡水舱，则考虑可以通过船上的海水淡化装置补水，舱容相对比较小。

4.1 淡水日消耗量

作业船舶的工作水主要供应各柴油发电机组的膨胀水箱补给水、分油机工作水、舱底水油水分离器工作水、锅炉水取样冷却器冷却水和海水淡化装置给水处理装置等设备用水。

供人员饮用和洗涤等生活淡水随船型、航区、人种国籍、气候季节以及人数装备等情况有较大的差异。该船常规量按式（1）计算：

式中：Qd——每人每天饮用水量，50 L/d；

Qbt——每人每天洗涤水量，110 L/d；

QW——每人每天洁具冲洗水量，25 L/d（真空便具）；

P——船上乘员人数，120人

综上所述，全船每天的生活淡水消耗量约为22.2 t，其中饮用水 6 t。

4.2 节水型器具使用

如果采用普通型重力式洁具，每天通过洁具所消耗的水量可以达到90～100 L/d·人，而采用真空式洁具，则可以减少到25 L/d·人。对于特种深水海工作业船而言，通常作业人员众多，以深水工程勘察船为例，达到了120人，因此每天通过真空系统可以实现的水量节省达到9 t/d，非常可观。船舶真空污水收集系统是一种依靠大气压与系统真空之间气压差产生的高速气流，裹挟集污器具中污水并将通过真空管路输送的污水收集系统，一般由真空泵站系统（螺杆泵或喷射泵）、真空集污装置、真空排污管道系统组成。该类技术相对于传统重力污水收集系统有如下优点：

1）冲水量少，重力式每冲洗一次大便器水量6 L，而真空式仅需其1/4的量，单次冲水量约1.5 L；

2）排污管路铺设不受重力影响，具有污水垂直提升能力，管路水平敷设无需坡度设计，不受船体倾斜或颠簸影响；

3）管路安装极具灵活性，可轻松避让障碍物，允许向上提升铺设，从而大大缩减安装工时，节约了安装成本；

4）排污管径小，管路允许长距离水平铺设，减少了立管的设置；

5）全负压的密闭式系统，无异味外泄，便于管路药剂清洗；

6）卫生间的布置相对宽松，方便了系统整体平面布置设计；

7）提升如厕环境舒适度，干净、无臭味；

8）节水冲洗以及管路污水气液充分混合，有效降低后续污水处理环节的负荷和处理成本；

9）节水型卫生排污系统产生的污水总量减少，大大减小了污水舱容积；

10）大大减少了污水管路重量，而且主要是降低了上建内管路的重量，有利于船舶重心的降低。

4.3 制淡装置的设置

深水工程勘察船配置了4台功率为3500 kW的主发电柴油机。假设按WARTSILAR 7L/32机进行设计计算，内部冷却水系统包括高温水和低温水循环，高温水冷却缸套和缸头，低温水冷却增压空气和滑油，图5为内部系统图。

图5 瓦锡兰7L/32内部冷却水系统图

每台主机机带1台高温淡水泵和1台低温淡水泵。机带高温淡水泵将高温淡水经冷却空冷器、缸套、缸头后到调温阀，根据柴油机负荷的大小（见表1），决定有多少水量进行再循环。蒸发式制淡装置同2台主柴油机的高温水系统相连（见图6）。

蒸发式制淡装置主要在航行工况下使用，此时可以达到系统额定设计淡水产量。在船舶作业工况（DP模式）下，也可以使用。此时的制淡装置产水量根据柴油机的负荷情况变化。

表1 WARTSILAR 7L/32缸套水参数

图6 外部系统图

理论造水量（85%负荷时）：

1）通过造水装置的高温水冷却水温差为10 K。

2）造水机可以回收的热量按60%～65%计算，85%工况下约为900 kW，即774000 kcal/h。

3）当海水温度为20℃，海水在真空汽化温度为60℃时，1 kg海水汽化所需的热量：

4）汽化潜热为560kcal/kg，两者共计600kcal/kg。

5）日造水量：

4.4 主机空冷器冷凝水的利用节能

含有湿度的空气在主机空冷器中，由于温度的下降，空气中的水分子会析出，形成凝水。这部分水是清洁和干净的，现有许多船舶都将它作为工作用水充分的利用起来。

每台主机的增压中冷器上都装有1个小的凝水泄放管口，V型机上有2个接口。凝水量的多少可以根据图7确定。

例如：1个大气压力、环境温度35℃、相对湿度80%时，空气中的含水量为 0.29 kg（水）/kg（空气）。如果在此环境条件下将空气吸入到增压器中增压至绝对压力0.35 MPa，空气中要含同样多的水而不析出，此时空气温度必须是55℃，因空气在这个状态下的露点是55℃。如果空气在增压器中的温度不是55℃而是被冷却到了45℃（主机增压中冷的目的，就是增加进气密度，保证足够的燃烧进气量）空气中将凝水0.018 kg/kg（空气），两者相差0.029-0.018=0.011 kg/kg（空气）。

图7 不同温度和压力下空气中的含水量

根据7L32主机技术参数，主机在100%负荷时，燃烧所需要的空气量为6.11 kg/s，假设在上述条件下，主机增压器每天的凝水量为：

主机空冷器冷凝水泄放量的多少与其工作时的环境温度和相对湿度相关。设计主机空冷器冷凝水收集系统，并将中央空调冷凝水一并考虑，将冷凝水收集后有效用于卫生水的冲洗和工作水系统，能有效节约船舶淡水。

5 结语

特种深水海工作业船，作业功能多，海上作业周期长，通过线型优化和结构设计优化，可以减小阻力，具备良好的耐波性，满足作业需求。同时根据船自身作业特点，合理配置推进方式，将大幅降低DP模式下的油耗，从而提高整船运营的经济性，提高船舶在市场上的商业竞争力。此外充分利用船上的余热资源，节约淡水资源，提高船舶自持力，满足长期海上作业的需求。