續建環保船設計優化與經濟性分析

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(中海油能源發展采油服務公司，天津 300452)

續建環保船設計優化與經濟性分析

楊學利，時永軍，夏華波

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300452)

針對渤海環保船在油田運營服務中反饋的問題，在后續的天津環保船設計中進行改進，避免了同類問題的出現，通過優化設計不僅節約了初始投資，實現環保船的功能最優，并且降低了后期運營維護費用。

環保船；運營中主要問題；設計優化；經濟性分析

渤海環保船在中石油大連“7·16”溢油搶險事故中起到了主力軍的作用，受到了肯定，但在后期投入油田服務中逐步暴露出一些問題。例如：四機配置機艙日常保養維護工作量大、維護成本高。作為供應船航速偏低，且功能上不夠全面，缺少散料輸送功能，等。

天津環保船為渤海環保船的續建項目，目的是進一步增強渤海灣油田的溢油應急能力。4 400 kW天津環保船是一艘溢油回收船兼油田守護船、一級消防船及近海供應船，主要用途如下。

1)具有接收/返輸測試井液功能。

2)溢油監測與回收、消油功能。

3)海上平臺供應(燃油、淡水、鉆井水、鉆井器材及生活用品等)。

4)承擔平臺的守護、救生、值班等任務(搭乘獲救人員100人)。

5)對外進行消防滅火(入FIFI1級)。

6)具有冰區B2級加強及航行功能。

7)具有散料輸送功能。

為實現其功能，特進行優化設計。

1 設計優化

1.1 船型優化

1.1.1 主尺度優化

從波浪對船舶操縱方面的影響來講，足夠大的長度和寬度，顯然有利于船舶在波浪作用下產生的運動響應，其中，橫搖、縱搖和垂蕩對船舶安全威脅較大。但是過大的主尺度，不但會影響相應的性能及結構要求、同比上升的機/槳功率匹配、出現不必要的空間浪費，還會由此加大初始投入、降低船舶營運的性價比，經濟性降低。

從風對船舶操縱影響的角度來講，除了航行速度，還會使船舶產生向下風漂移；使船舶產生偏轉；并且，在風力傾側力矩的作用下，還產生一個風壓橫傾角，使船舶發生向下風傾斜，船舶側面受風面積越大、初穩性高度越小、船舶的重心越高，橫傾角就越大。當船舶在大風浪中航行，一旦船舶由風力傾側力矩引起的橫傾角與船舶在波浪中的橫搖角以及船舶在轉向和旋回中的外傾角在相位上一致時，極易導致船舶劇烈橫傾，使船舶有產生傾覆的危險。所以主尺度應根據海況需求優化。

因此，考慮參照MPSV通用主尺度，結合作業功能和“機、槳、殼”需要，選擇接近常態海況適用的船舶主尺度，并有足夠抵御極端海況的裕度；適當控制上建體積，通過合理布局構造，降低重心高度，提升初穩性高度。

服務于渤海海域的三用工作船其主機功率在4 400 kW左右，主尺度一般總長不超過70 m；型寬14～16 m；型深不超過7 m。根據渤海海域水深和本船使用要求，本船吃水應選在4.5～5.5 m之間。經濟航速在13～15 kn。主尺度的選取,主要依據功能要求和作業環境，在確保具有良好操縱性和足夠穩性的前提下，力求獲得良好的快速及適航性能。優化設計所參考的船型參數見表1。

1.1.2 取消球鼻艏

從設計的角度選用球鼻艏時，要綜合考慮快速性、耐波性，以及結構強度、造價、工藝、航行使用和錨泊設備布置等因素。安裝球鼻艏有利于提高推進效率，球鼻艏影響阻力的機理是復雜的，不僅與各種載況下的航速有關，而且與船型密切相關。有些十分成功的球鼻在其他船上應用時不一定獲得滿意效果。鑒于環保船使用工況復雜，日常服務區域海況良好，并且考慮停靠碼頭操作較困難而且要具有冰區B2級加強及航行功能，故取消母型船球鼻艏，改為垂直艏。垂直艏型船以其波浪中良好的快速性能，目前在運輸船與工作船中廣泛應用[3]。見圖1。

表1 優化設計參考船舶

注：海洋石油252即為渤海環保船。

圖1 船艏對比

1.1.3 增加分水踵結構

母型船艉部線型結構曲率變化較大，建造過程中艉側推安裝工藝性較差。且艉側推管隧開口位置與艉軸管有一定程度的遮擋。會減弱艉側推推力。另外，艉部吃水水線較為肥鈍。用船方反饋船舶倒車時水流抨擊船體，艉部振動與噪音較大。綜合以上問題，通過修改艉部線型并增加分水踵結構統籌解決。見圖2。

圖2 船艉對比

1.1.4 取消艉滾筒

母型船及后續新建船舶均無拖帶功能，因此可以取消艉滾筒。考慮溢油應急布放圍油欄需求，仍保留尾滾筒上部位置圓弧型結構。艏部布置散料灰罐4組總計170 m3。裝載散料后此時船舶浮態艏傾嚴重。因此要求最尾部的壓載艙艙容盡可能大，這樣才更有利于調整船舶浮態。結構設計上聯通艉壓載艙及不必要的隔離空艙，全部合并為艉壓載艙艙容，新增壓載水艙容近50 m3，對于解決裝載散料運輸，調整艏部傾斜問題保證安全航行具有重要作用。

1.2 動力推進系統優化

1.2.1 四機雙槳優化為雙機雙槳

母型船在進出航道、出港航行等大功率工況下需采用四機推進模式。而且在需要冗余功率的情況下如靠離碼頭、供應及測試井液接受/返輸等低負荷工況時，出于安全考慮也采用四機推進模式。四機方案較雙機方案在總功率一樣的情況下主機多了一倍，四機方案機艙空間的占有率較大,所需輔助設備及管系也相應增多，增加船舶布置難度,造成設備空間的擁擠，維修操作性差。雙機方案平時操作管理簡單，日常維護保養工作量較少，而四機方案在動力裝置操作管理和維護保養方面較雙機方案復雜。并且四機方案的齒輪箱也較雙機方案齒輪箱復雜，故障率也會相對增多，降低了船舶的在航率。同時四機方案備件庫存量也相應增加。

由表2所示對于主機的動力總負載，只有溢油回收和巡航守護這2種工況使用雙機。設備系統的數量上存在功率的備份或冗余，能夠體現其安全可靠性。其余工況必須開四機才能滿足作業要求。相對來說，溢油回收和巡航守護工況對船舶操作性要求不高，且作業風險評估值也較低，因此，理論上四機靈活適用各種工況，較雙機經濟省油且安全。就本船來說實際操作工況下主機功率的分配方案。四機優于雙機明顯缺乏說服力。

1.2.2 推進器優化

原導管調距槳槳葉直徑為2.8 m。一般來講，導管調距槳的優點是在低速負荷比較重的情況下能夠增加拖力。例如拖輪在拖拽作業速度為4～5 kn時，拖力可增加20%～30%。本船無拖帶任務，偏重于運輸類船舶。且低速工作時負荷較輕，所以采用意義不大；其次，作為油田平臺供應船舶作業時，帶有導流管船舶尾靠平臺倒車性能，較敞水槳船舶差；最后，平臺周圍受海流、風浪等作用，有時聚集漂浮的垃圾雜物。船舶作業時雜物易卷入導管中時，一但卡住槳葉。嚴重時需要停車清理。綜上，改為采用敞水調距槳。

表2 母型船主機工況負載表

普通敞水螺旋槳直徑大致范圍如下。

D=(0.7～0.8)TA(單槳)

D=(0.6～0.7)TA(雙槳)

式中：TA為滿載時船艉處吃水(本船為5.5 m)，故初步取螺旋槳直徑約為3.300 m；

一般來說，螺旋槳直徑越大，轉速越低者效率越高。但直徑受到船的吃水和艉部間隙所限制，從振動的方面考慮，螺旋槳與船體間的間隙不宜過小，否則，可能引起嚴重振動。參照《鋼制海船入級規范2014》第2篇第2.14.4節進行校核，滿足規范設計要求螺旋槳直徑實取3.200 m。

1.2.3 推進器支架優化

采集船模水池試驗數據進行優化螺旋槳設計。設計中發現原設計方案人字架布置伴流情況不好，出現了水流分離，可能導致振動、噪聲和空泡。修改人字架界面形狀、調整安裝角度，改善了人字架處伴流情況。見圖3。

圖3 人字架對比

2 優化設計總結

查閱母型船和后續船的船模試驗報告。對比發現優化設計取消球鼻艏，不帶槳進行船模阻力試驗。同一航速下船舶總阻力較母型船增加約10%。本船總長及型深均較原母型船增大(見表3)，理論上阻力會有增加。取消球鼻艏是否獲得優化有利因素，需進一步研究。

艉部線型的優化，在船舶試航中。檢測位于尾甲板上表面槳葉上方振動噪音，滿足規范標準且較母型船改善明顯。尤其倒車過程中檢測數據具有說服力。需要指出的是本船具有冰區B2級加強及航行功能。因此，船體結構強度提高也是其中的一個積極因素。

表3 續建船與母型船參數對比

對比母型船和后續船在帶槳帶舵，設計吃水狀態下自由航行船模試驗報告。后續船的伴流分數、推力減額分數較母型船均有下降。在同一船型條件下螺旋槳直徑的增減對伴流分數的影響是顯著的[4]。螺旋槳直徑增減10%，相應伴流分數減少或增加8%～9%。作為船舶自航2個重要因子，伴流分數、推力減額分數是推進器設計的重要參數。

3 經濟性分析

3.1 運營經濟性分析

以2015年為計算基礎，由此推斷計算船舶四機聯動最低工作時間取為3 916 h。考慮到船舶頻繁停靠碼頭次數較多，以及存在低速巡航和穿梭平臺群、浮油回收、應急演習等工況。依據表2按占總工作時間46%考慮；母型船原動力為四機4 400 kW；理論油耗≤192 g/(kW·h)+3%；續建船為雙機4 400 kW；理論油耗≤189 g/(kW·h)+3%；假定2者相同取低值；假定后續船與母型船同條航線，執行同一工作任務。則單船每年節約燃油費用約55.9萬元。

3.2 維護保養經濟性分析

四機變雙機單船備件減少一半。根據用船方提供資料每年減少備件采供費用約3萬元，降低支付設備商維護工時費約2萬元，共計5萬元。年運營總成本降低約61萬元。

4 結論

在當前全球經濟不景氣，國際油價持續低迷，中海油必須堅持節能降耗、降本增效。更為重要的是，作為浮油回收船，在溢油應急、對外消防等特殊情況下，航速提高及早到達事故現場能夠減小事故災害的擴大，降低災害損失。

[1] 中國船級社.鋼制海船入級規范[S].北京：人民交通出版社,2014。

[2] 陳可越.船舶設計實用手冊[M].ISBN7-88619-128-8北京：中國交通科技出版社，2007.

[3] 謝嫦娥，何靜，秦江濤.垂直艏船型阻力性能的數值與試驗研究[J].中國水運，2015,15(8)：13-14：1006-7973

[4] 陳昌運，陳霞萍.螺旋槳直徑對伴流分數的影響研究[C].船舶水動力學學術會議暨中國船舶學術界進入ITCC 30周年紀念會，2008.

[5] 盛振邦、劉應中.船舶原理[M].上海：上海交通大學出版社，2003.

[6] 陶秋霞.萬噸級江海直達肥大型散貨船線型優化設計[J].船海工程，2009(6):2-5.

Optimization Design and Economic Analysis of Environmental Protection Ship

YANGXue-li,SHIYong-jun,XIAHua-bo

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300451, China)

Aiming at the feedback of environmental protection vessel in operation service of Bohai oilfield, the design phase was optimized so as to avoid the emergence of similar problems. Through the optimization design, not only the initial investment was saved, the function of the environmental protection ship was optimized, but also the late operation and maintenance cost was reduced.

environmental protection vessel; main problems in operation; optimal design; economic analysis

U662

A

1671-7953(2017)05-0013-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.005

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

楊學利(1974—)，男，大學，工程師

研究方向：船舶與海洋工程設計建造