基于節能環保的31萬噸級油船優化設計分析

鄭金偉，陸明鋒，劉燦波，李林海

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引言

隨著全球碳中和步伐日益加快，“節能、環保”已成為共識。為防止全球環境的惡化，國際海事組織(IMO)不斷推出愈加嚴格的新規范。各國出臺了減排區域標準，同時港口推行綠色船舶稅費減免、優先靠港政策。在全球減排大背景下，如何從船型設計入手，研發節能降耗、環境友好的船型已成為船型設計人員所面臨的重大課題。目前，國內外船廠及設計研究單位在節能環保船型設計方面已取得了一定進展，但各家采用的節能環保技術尚存在一定局限性，應用船型和對象改變后，節能環保效果將大打折扣。因此，需要根據超大型油船(VLCC)船型的設計特點，在優化比選諸多技術方案的基礎上，找到符合船型自身節能環保需求的技術手段，以形成自主知識產權的節能環保產品。

本文以某31萬噸級超大型油船為研究對象，首先，綜合運用CFD計算、水池試驗等手段，重點對艏部線型設計、節能裝置、減阻技術等方面進行優化分析；其次，圍繞環保發展熱點，著重研究控制氮、碳等有害氣體、噪聲污染等方面的措施。

1 船舶概述

31萬噸級油船是全球首艘基于目標船型(GBS)標準建造的超大型油船。其主要參數如下：總長339.50 m，垂線間長334.10 m，型寬60.00 m，型深28.90 m，設計吃水20.50 m，結構吃水21.00 m，滿載載重噸311 000 t，服務航速15.5 kn。

2 節能設計優化亮點

2.1 船長優化

以往設計的VLCC船型，其船長始終保持在333.00 m以內(垂線間長為324.0 m)。考慮到在原船長條件下的船型已經歷了數輪升級優化，性能方面很難再有大幅提升。因此，為較大幅度提升新開發船型的推進性能，將31萬噸級油船船長進行適當加長，達到了339.50 m(垂線間長為334.10 m)。

性能分析結果顯示：船寬不變的條件下，船長由333.00 m加長到339.50 m，/比值由5.40增大到5.57左右，推進效率可提高約1%。雖然就建造成本而言，增加船長意味著成本增加，但可有效提升推進效率，增加貨油艙艙容，保證了新開發船型在今后一段時間內的競爭力。

2.2 線型優化

相同尺度條件下，采用不同線型設計的船舶，油耗也不同，因此船體線型的好壞是決定船舶推進性能優劣的關鍵因素。在不增加建造成本的前提下，采用性能優良的船體線型是節能降耗最優先考慮的手段。該油船在母型船線型基礎上，綜合考慮船舶推進性能、布置便利性及建造成本等因素，重點對線型的艏部及艉部進行局部優化，以提高新船型的節能效果。

考慮到船東降速航行的用船習慣及低速航行時興波阻力占比減少等因素，通過CFD軟件對艏部線型進行反復優化，見圖1，最終結果顯示艏部興波不但沒有因球鼻艏取消變差，反而有所降低，見圖2。水池實驗也驗證：在低速條件下，興波確有改善。

圖1 目標船及母型船艏部線型對比

圖2 目標船及母型船的艏部興波對比

為與更大直徑螺旋槳相匹配，新一代31萬噸級油船優化了艉封板區域的線型，見圖3。最終通過系列優化，降低了粘壓阻力，同時提高了艉部伴流的均勻性。最終CFD結果顯示：該船艉部伴流目標函數比母型船降低2.4%，見圖4。

圖3 目標船及母型船的艉部線型對比

圖4 目標船及母型船的艉部伴流對比

2.3 節能附體

該油船在艉部加裝了新型的節能系統，包括槳前SDS-F(Semi-Duct System with Contra Fin)系統和槳后RBS-F(Rudder Bulb System with Fins)系統。槳前SDS-F系統可提高槳前水流的流速及均勻性，以提高螺旋槳效率。槳后RBS-F系統可減少槳后旋轉流，提高槳盤面處伴流場均勻度，并將槳后水流的轉能化為船舶的推力，提高船舶推進性能。水池試驗顯示：相同線型條件下，加裝節能附體后，整體推進性能可提高約5%～7%。

2.4 節能新技術的應用

為提高操舵精度，減少操舵頻率和偏差，31萬噸級油船配備了智能操舵系統。該系統可實時收集舵機系統、主機、發電機、船位、船速等大數據信息，并利用先進算法進行統計和分析，用于舵機系統和船舶操控系統的優化，從而有效提高操舵精度，減少操舵次數，避免大舵角操作，降低舵機系統的損耗，達到節能降耗的目的。

對于中低速航行的船舶而言，摩擦阻力約占總阻力的70%～80%。船體水下形狀不變時，采用低摩擦阻力油漆，油漆表面在水流沖刷條件下實現自拋光，可降低表面粗糙度，減少摩擦阻力，降低燃油消耗。據測算，31萬噸級油船采用低摩擦阻力的節能型防污漆，每年可節省約4%燃油消耗。

在冷卻水管路設計上，31萬噸級油船采用了冷卻水管路艏密封艙設計。該設計能有效避免艏密封滑油高溫的問題，同時可免安裝冷卻水循環系統(2臺泵、1個冷卻器)。主機負載在60%最大連續輸出功率(MCO)以下工作時，每天可降低電力消耗約60 kW，燃油消耗約0.3 t。

31萬噸級油船在燃油大艙內布置一小加熱艙室。駁油前，僅加熱小加熱艙室使其達到較高溫度，用小加熱艙室內的熱油去加熱需要駁運的燃油，可有效避免加熱無駁運需求的燃油以減少熱能散失。相比加熱整個燃油大艙的方案，所需加熱燃油量大幅減少，可減少約70%的蒸汽消耗。

2.5 節能效果

31萬噸級油船的實船試航結果顯示，最終的船舶能效設計指數(EEDI)比規范要求值降低約20%。能效設計水平已滿足了IMO第二階段(到2024年)要求。

3 環保設計優化亮點

隨著國際船舶環保法規的相繼出臺和越來越多的排放控制區的設立，31萬噸級油船在環保設計上除了滿足國際法規基本要求外，還應圍繞有害氣體排放控制、燃油污染控制、噪聲污染控制等方面進行研究，強化新技術應用，突出環保特色。

3.1 有害氣體排放控制

2016年1月1日后建造的船舶進入北美及加勒比海排放控制區(ECA)時，氮氧化物排放需要滿足NOTier III排放標準，且2021年1月1日起，北海及波羅的海也將新增為NOTier III 的排放控制區(ECA)。考慮到船東用船航線的差異，該船除了提供NOTier II設計(適合于終身在ECA區外航行的船舶)外，還提供了2種滿足NOTier III排放標準的技術選擇方案(適合于有排放控制區內航行需求的船舶)，見表1。

表1 EGR和SCR NOx排放控制方案對比

(1)廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation,EGR) 方案：通過在掃氣中混入一部分廢氣，用廢氣替換掉掃氣中的一部分新鮮空氣，可以有效降低燃燒室中的高溫，改善富氧的環境，從而減少廢氣中氮氧化物的生成。

(2)選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction,SCR ) 方案：通過氮氧化物和氨氣在高溫條件下發生還原反應，生成氮氣和水，以減少廢氣中氮氧化物的含量。

IMO確認全球海域2020年1月1日開始實行0.5%硫排放限制的規定。為此，31萬噸級油船設計時考慮了以下2種解決方案供選擇：

(1)低硫燃油方案：設計多個油艙，采用螺桿泵和燃油冷卻器等，通過在排放控制區內使用低硫油的方式來滿足SO排放限制要求，同時還配備了儲存低堿值汽缸油的專用油艙。

(2)洗滌塔方案：交船前安裝SOscrubber或預留SOscrubber安裝空間。

3.2 其他環保技術和措施

31萬噸級油船配置單獨的艙底水循環泵，從艙底水柜和污水井內抽吸的不同類別的油水可以分開處理，并設置獨立的主機空冷器泄放柜，使機艙內油、水盡可能分開收集與處理，避免混合污染。

借助CFD仿真軟件對鍋爐送風管進行數值模擬，實現了對風量的定量分析。根據分析結果對鍋爐風管布置方案進行優化，提高了鍋爐燃燒效率，降低了因燃油燃燒不充分所造成的環境污染。

甲板上各驅動單元選用壓縮空氣驅動。相比液壓驅動方式，壓縮空氣驅動方式可有效避免因液壓油意外泄露所造成的環境污染，并且可滿足危險區劃內各設備的防爆要求。

船舶的噪聲污染直接影響到船上人員健康和環境舒適性。31萬噸級油船噪聲等級嚴格按照最新的《船上噪聲等級規則》MSC.337(91)要求，從噪聲源入手，采用降噪技術，降低居住艙室、醫務室、餐廳、娛樂室及辦公室的噪聲等級。相關處所噪聲等級比IMO A.468(XII)標準低5 dB(A)左右。

為保證船舶全生命周期內減少或消除環境污染，31萬噸級油船在設計建造過程中按照歐盟拆船公約的要求嚴格禁用A類有害物質，盡可能限制B類有害物質的使用，并為船舶提供實際有害物質的特定信息清單，以便拆船廠保護拆船人員的健康和防止環境污染。

4 結論

(1)根據實船測速分析，綜合油耗下降5%～7%，環保性能符合當下和未來一段時期內的環保法規要求，確保了新一代VLCC船型的市場競爭力和生命力。

(2)該船型自投放市場以來，已接獲并交付多艘訂單，節能環保效果獲得了船東的高度認可。