某穿梭油轮EEDI多方案优化对比分析

2023-12-27周建华韩志强朱汉华范世东

船海工程 2023年6期

周建华 ,韩志强,,朱汉华,范世东

(1.舟山中远海运重工有限公司,浙江舟山 316131;2.武汉理工大学 a.船海与能源动力工程学院;b.交通与物流工程学院,武汉 430063)

为了满足EEDI要求,降低船舶运营阶段的碳排放,提高能效水平,以新造船为对象的一系列技术虽然广泛应用[1-6],但各优化技术对船舶绿色度提升效果的比较分析很少有公开的文献报道。因此,有必要分析船舶优化技术对船舶绿色度提升效果,为船舶设计提供满足船舶绿色指标的思路。

舟山中远海运重工有限公司(以下简称:舟山中远)建造的15万吨级穿梭油轮上应用了主机功率降低、船型优化、船体减重设计、节能装置安装等绿色船舶技术。考虑利用EEDI分析各优化技术对穿梭油轮的能效水平提升效果的贡献度。

1 示例船相关技术参数

舟山中远建造的5艘穿梭油轮均为国外船东,入级挪威船级社,无限航区。系列船中N574于2014年交付,后续N686、N687、N728、N786于2017年至2022年间交付。其中N574和 N686船型一致,N687/N728与N786船型一致。N687/N728和N786的船型是在N574/N686型线的基础上进行改变并设计,由于船东对SUEZMAX级穿梭油轮货油舱容积要求有所提高,满载载重变大,货舱容积由N574/N686的162 300 m3扩大到N687/N728/N786的173 200 m3。5艘穿梭油轮的主尺度、主机、航速、EEDI值等相关信息见表1。

表1 5艘系列穿梭油轮主要尺度等信息

系列船中N574、N686应用了船型优化技术,N687、N728、N786安装了节能装置。N786单独应用主机功率降低技术、船体减重技术、并调整了船舶自愿结构加强修正系数。

2 绿色设计技术应用与效果比较

2.1 船型优化技术

示例船按船体型线分为两类,N574、N686型线相同,N786与N687/N728的船型一致。N687、N728和N786的船型是在N574、N686型线的基础上进行设计和优化的,但货舱容积比不同,两类船型差别较大,选择N574作为示例。

为避免或减少船体艉部边界层分离引起的能量损失,低速肥大型船舶通常将浮心的纵向位置设定在舯前2.0%Lpp至3.5%Lpp之间(Lpp为垂线间长),取值受主尺度、方型系数、航速等因素的影响[7]。N574船型的最优主尺度是通过已造类似船型统计分析得到,初步船型是根据功能和吨位要求,选择母型船,由NAPA软件型线变换得到。该船浮心纵向位置在舯前2.9%Lpp。

对初步船型进行型线光顺和快速性优化。优化以降低船舶阻力为主要目的,需要实现设计吃水下船舶湿表面积最小化,以减少摩擦阻力。此外,船艏部分需要进一步减少形状阻力、兴波阻力和首底漩涡等阻力因素的影响,船艉部分也需要适当调节水线面与螺旋桨轴线之间的角度,以避免或减少艉部边界层分离的出现,促使船体艉部的伴流分布更加均匀的同时,降低粘压阻力。

使用商用CFD软件数值模拟N574穿梭油轮优化前和优化后的阻力性能,对比船体周围流场的兴波、流线、压力分布、速度分布,发现优化后的穿梭油轮阻力性能明显改善。球鼻艏表现出更好的消波效果,艏肩和艉肩的压力梯度减小,兴波阻力降低。此外,优化后的尾流场漩涡明显减少。另外,通过对比优化前后艉部船体表面的流线和压力分布图,确认了优化后的船体在艉轴附近的流线分布更加均匀,压力梯度显著降低,边界层分离程度减小,降低了船体阻力。

完成型线优化以后,由船模拖曳实验得到阻力与船舶功率。根据船模试验得到的航速功率预估曲线可知,在结构吃水为17.55 m、主机功率为75%MCR,没有海洋储备的情况下,N574船的EEDI航速约为14.25 kn,比优化前提高0.24 kn。N574与N686船型一致,两船EEDI值的变化见表2。

表2 船型优化技术对穿梭油轮能效水平的影响效果比较

2.2 主机功率降低

降低主机功率是降低EEDI值的最便捷途径之一,系列船中N574、N686、N687、N728 满足EEDI 第一阶段即可,但N786需要满足EEDI的第二阶段。经EEDI初步设计计算,N786船的主机SMCR功率需从N687、N728的16 060 kW降低到14 675 kW才能满足第二阶段的要求。但主机功率过低会增加安全事故发生的可能性,因为在恶劣海况下功率过低会降低航向稳定性导致无法驶离危险区域。为此,需确认船舶主机最小功率能否正常工作。

根据MEPC.1/Circ.850-Rev.2,维持船舶在恶劣海况下仍有良好操纵性的最小推进功率有两个层次的评价方法。①第一层次的评估是基于统计分析结果,从最小功率推进曲线中得到船舶的最小推进功率;②第二层次的评估基于数值计算,根据简化评估方法确定船舶最小推进功率。船舶装机功率只要能够满足两个层次评估中的任何一个最小功率,就可以认为该船满足在恶劣海况下维持操纵性要求的最小功率。结合穿梭油轮N786的状况,简述两个方法评估过程和结果。

1)第一层次的评估方法。

W=a×DWT+b

(1)

式中:W为最小推进功率;DWT为船舶载重吨,t;根据MEPC.1/Circ.850-Rev.2,对于油船参数a=0.065 2,b=5 960.2。

主机额定功率(MCR)大于最小推进功率曲线值,则认为满足评估要求。根据第一层次评估方法计算本船的主机最小功率为16 001 kW,比拟定的主机SMCR功率14 675 kW要大,所以需要进行第二层次的评估方法。

2)第二层次的评估方法。

(1)第二层次评估的原则是具备足够装机功率的船舶,在顶风顶浪的情况下以一定的航速向前行驶,在受到任意方向的风压下应仍能够保持航向稳定[8-9]。该评估仅考虑船舶在沿船长方向做定常运动时的情况。通过调节船舶在逆风迎浪中的前进航速使其满足要求,来评估船舶在风浪中保持航向所需的最小主机功率。确定船舶在顶风顶浪时保证航向稳定性的最小航速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)航行保持参考航速Vref可以通过AF/AL的值来计算:当AF/AL≤0.1,Vref=0.9;当AF/AL≥0.4,Vref= 0.4;当0.1

对于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为6.09 kn。另外,因为N786船的LPP>250 m,对于本船恶劣海况定义为有义波高HS=5.5 m,浪周期TP=7.0～15.0 s,风速Vw=19.0 m/s。

(2)计算船舶在恶劣海况下维持操纵性需要克服的阻力,包括静水阻力Rcw、附体阻力Rapp、空气阻力Rair和波浪增阻Raw。对于静水阻力Rcw,按照公式(3)计算。对于空气阻力Rair按照公式(4)进行。波浪增阻Raw,按照公式(5)计算。总阻力R按照公式(6)计算。附体阻力忽略不计。

(3)

(4)

(5)

式中:HS为有义波高,这里取值为5.5 m。

R=RCW+Rapp+Rair+Raw

(6)

计算结果:Rcw=193.68 kN,Rair=264.20 kN,Raw=790.13 kN,R=1 248.01 kN。

除了印刷技术方面，在环保方面，利丰雅高也响应国家号召，积极进行环保生产。公司在空气治理方面投入400万安装了VOCs末端催化燃烧装置；积极做好源头控制，禁用含酒精的异丙醇洗车水；严格进行过程管控，比如将擦拭布放在密封箱里等。末端治理方面，利丰雅高安装了废水净化装置，保证排出的是符合国家标准的废水。对于废固，其按照规定码放、建立台账、交由资质公司处置。可以说，利丰雅高在环保的路上真正做到了源头控制、过程管控、末端治理。

3)计算螺旋桨克服总阻力所需推力和螺旋桨进速系数和转矩系数。根据螺旋桨敞水试验,螺旋桨克服总阻力所需要的推力为

T=R/(1-t)

(7)

式中:t为推力减额系数,R为总阻力。

根据模型试验结果,t取值为0.181。根据前方计算结果,得到T=1 523.82 kN。

根据公式(8)并结合螺旋桨敞水试验数据, 计算螺旋桨进速系数和转矩系数。

(8)

式中:ρ为海水密度。ua为螺旋桨前进速度,按ua=Vs(1-w)计算,w为伴流系数;Dp为螺旋桨直径;KT/J2为螺旋桨负荷系数。

按模型试验报告,伴流系数w取值0.254,Vs为6.09 kn,得到ua为2.337 m/s,Dp为8.3 m。计算得到KT/J2为3.946 5。结合螺旋桨的敞水试验结果,得到进速系数J为0.276 2,转矩系数KQ为0.035 87。

4)计算螺旋桨转速n、主机功率Ps和转矩Q。

(9)

PS=PD/ηS

(10)

Q=PD/ηS/(2πn)

(11)

式中:ηS为轴的传递效率,PD为螺旋桨收到功率。通常尾机型船舶月为0.98,中机型船舶为0.97,N786船ηS取值0.98。计算后得到转速为61.167,主机功率PS为9 846.25 kW,转矩Q为1 537.18 kN·m。

5)核查主机资料,确认功率、转矩可以满足计算要求结果(见图1)。综合以上,主机对应机型MAN 6G70ME-C10.5 Tier II,SMCR14,675 kW,74 r/min完全满足EEDI-II的制动功率需求。

图1 主机负载、要求转速与功率转矩校核结果

N786与N687/728船体线型一致,且N786与N687/728空船重量和载重吨没有变化。但N786调整了自愿结构加强系数。因此,为了简单比较降低主机功率对能效水平的影响,假设自愿结构加强系数一致。通过模型试验,得到此时N687/N728 EEDI航速为14.02 kn,N786 EEDI航速为13.60 kn。由表3 可知,即便是主机功率降低引起船舶航速降低0.42 kn,但对EEDI折减系数有5.75%的提升。

表3 主机功率降低与航速优化对穿梭油轮能效水平的影响效果

2.3 安装节能装置

节能导管通常适用于油船类艉部肥大的船舶,此装置一方面可以减少艉部的流动分离,降低形状阻力;另一方面可以加速螺旋桨上部进流,使桨盘面的进流更加均匀,提高了推进效率;同时可调整螺旋桨进流的预旋程度,减少艉流中的旋转能力损失。该装置能够有效改善螺旋桨入流场的均匀性,通过提高船身效率和降低螺旋桨艉流场旋转能量的损失,能获得较好的节能效果。

舟山中远建造的5艘穿梭油轮中,N574、N686中没有添加节能导管,N687、N728、N786船舶中有添加节能导管。在开发N786的时候,通过船模拖曳实验分析节能导管的添加对船舶阻力降低和航速提升的效果。实验结果显示,加装节能导管能使船舶结构吃水下达到同等航速所需要的主机功率降低4.3%以上,意味着相同主机功率时船舶航速能提高达0.22 kn(图2)。通过EEDI计算方法可以看出,安装节能导管对N786船EEDI有1.23%的提升,见表4。

图2 安装节能导管前后功率和航速比较

表4 安装节能导管对穿梭油轮能效水平的影响效果

2.4 船体结构减重

船体重量减轻也是提高船舶能效水平的重要技术手段之一。对于N786船舶的货舱而言,载荷上高速透气阀压力减小导致货舱压力减小,所以在材料属性不变的情况下相对于母型船而言,设计船货舱板厚有减小的余地。

通过提高构件钢材等级,对高应力区的角隅和开孔进行细化有限元分析,根据分析结果对比调整板厚和构件大小反复进行验算,得到:货舱区主甲板从28.5 mm板厚减薄到18.5 mm,内底板平均减厚1 mm,主甲板,内底板纵向筋整体减小;上建甲板的部分室内甲板减薄1 mm,共减重7 t;主甲板舱盖垫板减薄减重5.7 t,同时背部加强取消减重18.7 t;面板小于400的防倾肘板背肘板取消,减重3.5 t;机舱3平台下的隔离空舱反到甲板上,减重12.3 t。减重后货舱区船体结构理论重量由母型船19 057 t减为16 922 t。最终经倾斜试验验证,全船优化后空船重量实际为29 067 t,相比母型船实现减重2 242 t。N786船将空船重量的部分用于提高船舶载重量,结构减重对于该船舶EEDI数值降低0.45%,见表5。

表5 船体结构减重对穿梭油轮能效水平的影响效果

2.5 船舶特定的自愿结构加强

根据MEPC.308(73)EEDI计算指南,船舶自愿结构加强系数fi VSE为

fi VSE=DWTreference design/DWTenhanced design

(14)

式中:DWTreference design为去除自愿结构加强后的载重吨,DWTenhanced design为保留自愿结构加强后的载重吨。若不考虑船舶特定的自愿结构加强,fi VSE可取值为1。

穿梭油轮在装卸油期间为保持动力定位功能,除配备主推进器外,还额外配备了2个侧推和3个方位推。另外与常规油轮相比,穿梭油轮还多了一套艏装载系统。这些导致船舶载重吨损失的设备及相应结构加强都可视作特定的自愿结构加强。已建造的穿梭油轮项目中,N574、N686、N687、N728均未考虑船舶特定的自愿结构加强,N786船考虑了特定的自愿结构加强。在与船级社探讨后,需提交两套不同的图纸进行评定特定的自愿结构加强。一套图纸为正常设计包含特定的自愿结构加强,而另外一套图纸则是去除特定的自愿结构加强后的结构图纸和稳性计算资料。通过计算去除特定的自愿结构加强后的船舶空船重量和重心位置,并对计算的空船重量和重心位置进行船舶稳性校核,确保去除特定的自愿结构加强后的船舶设计也能满足完整稳性和破舱稳性的要求。

经倾斜试验验证,N786船加强后的载重吨为154 955 t,加强前的载重吨为156 586 t,因此可得fi VSE为1.010 5。经对比计算,考虑N786船特定的自愿加强fi VSE数值能降低EEDI,使折减系数提高0.79%,见表6。

表6 自愿结构加强系数调整对穿梭油轮能效水平的影响效果

3 效果分析

综合以上,通过图3可以确认各项绿色船舶技术对EEDI折减系数的提升效果。首先,降低主机功率能够提升船舶能效水平5.75%。而对于船型优化、安装节能导管装置、船体结构减重和调整自愿加强系数等技术对于该类船舶的能效水平的提高水平相当,提升效果在0.45%～1.43%。需要强调的是,EEDI要求的第一阶段对比0阶段要求提升能效水平10%,第二阶段对比第一阶段要求能效水平提升10%。考虑到这一点,各绿色船舶技术提升效果明显,特别是降低主机功率这一技术,原因是EEDI评价技术主要评价船舶能效水平,而能效水平与主机功率、燃油消耗量有直接关系。其他技术通过降低船舶阻力或增加船舶的载重量来降低其船舶能耗水平。