绿色船舶及其设计要点

绿色船舶及其设计要点——绿色散货船及其特点引言绿色船舶是从建造、设计、营运到拆解的整个生命周期内，通过应用绿色技术最大程度上实现低能耗、低排放、低污染；高能效、安全健康的功能目标。随着全球环境形式的日渐严峻。“绿色船舶”的发展无疑会起到保护全球环境、推动船舶制造业和航运业良性发展的作用。作为目前船舶市场应用最为广泛的船舶产品，散货船的广泛绿色化将大大有利于大气环境与海洋环境的改善，本文就是针对目前绿色散货船的特点及设计要点进行简单的介绍与探讨。IntroductionGreenshipisfromtheconstruction,design,operationtothedismantlingofthroughoutthelifecycle,throughtheapplicationofgreentechnologytothelargestextent,realizelowenergyconsumption,lowpollutionandlowemission;energyefficiency,safetyandhealth.Withtheglobalenvironmentintheformofincreasinglysevere.Thedevelopmentofgreenshipwillundoubtedlyplayaroleinprotectingtheglobalenvironmentandpromotingthehealthydevelopmentoftheshipbuildingindustryandtheshippingindustry.Asthemostwidelyusedshipproductstomarket,greenbulkcarrier’sdevelopmentwillbegreatlybeneficialtoimprovetheatmosphericenvironmentandthemarineenvironment.Thispaperisaimedatthecharacteristicsanddesignessentialsofgreenbulkcarrierofbriefintroductionanddiscussion.一、绿色船舶的概况及国内外发展概况实现船舶绿色化的目标主要是降低消耗以及减少排放，为了达成这两大目标使船舶的生产和运营更加节能清洁的手段就目前而言主要有几大类：1.船舶动力技术应用清洁能源与高效能源或者特殊的推进技术来达到船舶绿色化的目的。天然气制油GTL动力技术、电气动力技术、新概念风力推进技术。2.船舶减阻技术三菱重工与日本邮船公司共同研发“空气润滑系统”。该系统将安装鼓风机，通过从船底输出空气产生气泡，从而有效地降低海水对船底摩擦阻力。日本中型造船企业将开始建造具有可以大大减少风的阻力的创新型船艏––SSS型船艏（SSSbow）的2000车位的纯汽车运输船。该船采用了与传统汽车运输船常用的空气动力学效率低的正方形船艏截然不同的半球型船艏，能减少50%风的阻力。3.复合环保技术三井造船株式会提出了新概念汽车船，将综合运用船舶动力及减阻技术，实现船舶二氧化碳减排50%。其主要采用技术包括安装太阳能板、可充电电池、优化推进系统、优化船体型线、使用超低摩擦阻力涂料、最佳航程支持系统等。4.其他减排技术导航技术、利用洋流的航行技术等。根据国际公约、地区性规定以及市场自身的需求，唯有发展绿色船舶才能满足各项要求。当前，海事界已着手于绿色船舶的研发，从多家公司提出的概念船型中可以发现，采用的绿色技术主要包括：船型优化、采用清洁能源、混合电力推进、加装减排设备及采用新型材料等多种方式。通过综合使用这些技术全方位地提升船舶的环保性能，以满足新规则的要求。目前绿色船舶的主流技术有：优化船型、使用轻质材料、采用燃料电池、LNG动力、可再生能源（太阳能、风能）、采用船底空气润滑系统、废热回收系统、安装洗涤器、选择性催化还原和废气循环等减排设备，以及采用节能鳍、舵球和节能导管、反转螺旋桨、航线优化系统、空气动力技术等。对于散货船来说，由于经济性的要求，新型推进技术往往很难被应用，因此绿色散货船目前着眼的地方仍然是偏重于绿色能源的使用与减阻技术。二、绿色散货船的船型特点和研究方向散货船最重要的指标之一就是载货量，为了照顾这一需求在设计散货船的时候往往会根据载货量将散货船设计的相对肥大并具有相当长的平行中体，因此对于绿色散货船的船型设计除了优化主尺度以外主要都是集中在艏部和尾部的优化设计，通过这些措施降低船体阻力，提升水动力性能，从而达到提高能效的目的。艏部目前应用较多的是球艏，以大宇造船海洋的一艘30万载重吨VLCC为例，通过优化主尺度参数和船体线型，分别节省了3%和2%的油耗。船首和船尾形状优化方面，过去设计者更多的是关注船尾形状的优化，但现在越来越关注对首柱的优化，海事界已开发出多种优秀的船首。例如：挪威乌斯坦公司开发的X船首，可有效减少船体振动、噪声、砰击和纵摇，提高燃油效率，改善航行安全性；日本IHIMU开发的鲸背球首，可大大降低肥大型船舶的兴波阻力。重新设计螺旋桨也是优化船型的一个方面。根据具体船型，选择适合的螺旋桨配置，如大宇造船海洋的一艘12000TEU集装箱船，分别采用单桨和双桨的配置，尽管后者比前者阻力增加了4%，但能效提高了13%，总体而言可节省9%的能耗。另外采用新型螺旋桨，如叶尖倾斜螺旋桨、反转螺旋桨等，也可提升推进效率。此外，采用船艉附体,不仅能改善艉部流场,从而降低粘压阻力,而且可使螺旋桨的推进效率提高。目前采用的附体有:①反作用力鳍;②前置导管;③附加推力鳍;④艉端球及整流舵加鳍;⑤桨后固定叶轮。其他还有安装在螺旋桨和舵前、后方的节能装置，优化水动力性能，提高能效，如预旋定子、螺旋桨毂帽鳍、低粘性阻力鳍、伴流平衡导管、舵鳍等。除了船舶水动力性能以外减少船体的污底和粗糙度也是优化主力性能的有效手段，防止污底的对策有:①采用先进的防污涂料系统,用以防止海生物的附长,如采用自抛光船壳漆;②电解海水防污,通过电解装置将海水分解出氯气,杀灭海生物;③定期进坞清底;④水下清洗(刮船底);⑤水面刮刷和补涂技术。防止粗糙化的对策有:①正确选择合理的涂料系统;②提高油漆施工的质量;③对船壳水下部分实行阴极保护等;④对船壳板进行打砂。大部分的散货船都是属于低速船舶，在航行过程中主要的阻力成分为摩擦阻力，上面提到的三菱重工与日本邮船公司共同研发“空气润滑系统”。空气润滑系统的原理是使用鼓风机向船底输送空气泡，以降低船底摩擦阻力，船底安装空气润滑系统可减少7%的燃油消耗，减少10%的CO2排放量。2010年4月，三菱重工和日本邮船共同开发的空气润滑系统首次安装在14538GT的“邪马台”号重载运输船上进行测试，海试结果表明最多可以降低12%的能耗。研究表明这样的大气泡减阻技术可以有效减少船舶的阻力从而减少船舶的消耗。三、绿色散货船总体设计要点从2012年开始我国开始发行《绿色船舶规范》《绿色船舶规范》是中国船级社在近年来对国际船舶技术标准发展、船舶绿色特性和绿色技术的研究成果基础上形成的，并首次尝试采用GBS（基于目标的标准）方法，整个规范围绕目标、功能要求以及功能要求的实现等层面展开，突破了以往“先污染，后治理”的传统编写模式。《绿色船舶规范》作为一种开放式规范，将随时纳入最新国际公约的相关绿色要求和业界成熟的共性绿色技术成果。绿色散货船的设计也需要遵循绿色船舶的要求。首先是设计能效要求：首先定义AttainedEEDI（实际EEDI值）和RequiredEEDI(允许最大EEDI值)计算AttainedEEDIRequiredEEDI=(1-X/100)*RLV其中RLV船舶基准线值的参数与船舶类型、DWT相关。折减系数X则跟船舶类型和希望定级的标准相关。因此在设计阶段需要根据入级要求调整主尺度，特别是船体重量的部分可能需要重点考虑，因为DWT和载货量之间有可能会产生矛盾。除了设计能效以外还需要符合运营能效。绿色散货船在设计的时候要符合一般的环境保护要求，其中包括：1、防止油类污染2、防止有毒液体物质污染3、防止海运包装形式有害物质污染4、防止生活污水及灰水污染5、防止垃圾污染6、防止空气污染7、防止压载水有害水生物及病原体转移污染8、防止污底系统污染9、防止船舶拆解造成的污染。此外，除了要符合一般要求以外还需要符合对应船级的技术要求。这些要求涉及压载水舱布置、管路设计、甚至部分结构和型线设计。为了满足这些要求我们在设计绿色散货船的时候除了考虑减阻还必须考虑减排和循环，因此还需要配置相应的设备。目前主要的减排循环设备有：1、废气循环系统（EGR）废气循环系统可将部分发动机废气重新送回发动机气缸中参与燃烧，减少燃烧室空气的氧含量，从而降低燃烧温度，达到NOX减排目的。试验证明，采用该技术可达到将于2016年生效的IMO第三层级NOX排放控制要求。2、洗涤器洗涤器安装在船上排气管中，与主机、辅机和锅炉连接，可有效减少颗粒物和SOX的排放，即使使用含硫量达3.5%的重油也能将排放中硫的含量控制在0.1%的限值之内，可满足排放控制区内对低硫排放的要求。3、选择性催化还原系统（SCR）选择性催化还原系统安装在主机涡轮增压器涡轮前方，是一种主机排气后处理装置，优化燃烧效率的同时还可减少85％～95%的NOX排放。SCR是目前减少船舶NOX排放最有效的方法。4、废热回收系统废热回收系统的工作原理是将发动机排放废气中的热量和压力收集起来，用于驱动涡轮机产生机械能，从而驱动发电机运转。如果没有废热回收系统，船舶消耗燃料所产生的能量中，有25%将被浪费。这种节能装置目前在实船上应用较多，根据主机功率的不同，废热回收系统大小、价格会有不同，“3E”级船舶上配置的废热回收系统的费用高达每套1000万美元，据估算，5～10年可收回投资成本，如果油价上涨，投资回收期将进一步缩短。在安装了这些设备之后去除掉货舱部分后我们对于布置的设计、压载水舱的布置都需要互相配合做具体的布置，同时设备的增加意味着空船重量的增加又会产生新的矛盾，如何合理的解决这些矛盾是绿色船舶设计过程中的课题之一。通常降低空船重量的方法有两种，一是优化主船体结构。通过减少肋骨和纵骨间距，在厚度不同处，分别使用不同厚度的钢板等做法可优化主船体结构，降低空船重量。二是使用轻质复合材料。轻质复合材料在航空工业上已得到广泛应用，在船舶上目前多用于军船的次级结构以及游艇、渔船等小型商船。使用复合材料替代钢材最大的优点是可以明显减少结构重量。采用碳纤维增强塑料和铝均可减轻重量，与钢材相比，整船重量可减轻50%左右。从纯建造的观点来看，钢材是建造大型船舶最经济的材料，但如果将后期的营运和维护考虑在内，进行全生命周期的成本比较，则钢材的成本最高，复合材料成本最低。目前的状况下，回收困难是复合材料难以推广的障碍之一。综合而言，高速船上使用复合材料优势明显，可以极大地减少燃油耗量，但在像散货船这样的大型低速船上，完全使用复合材料的优势并不明显，通常的做法是钢材和复合材料混合使用。最后还需要满足工作环境需求，相关要求包括噪声、振动和机舱自动化等级，不同的船级有相应的技术要求。总结：绿色散货船由于需要满足相关的技术要求，主尺度参数、舱室布置都需要特殊考虑，建造成本偏高、成本的回收周期也偏高。但从长远来看，无论是运营成本还是环境保护都有很高的益处航运业从过去对实用性和经济性的追求，发展到对高品质航运的追求，与此同时造船业也将从粗放型逐渐向精细化转型，在这一进程中造船新技术层出不穷，船型飞速发展。除了资金密集型和劳动力密集型，造船业也是一个技术密集型的产业，今后造船产业将越来越以技术作为主要竞争力。参考文献：《船舶阻力》《气泡减阻技术研究》王丽艳中国船舶研究中心《95000DWT散货船喷气减阻模型试验研究》叶青，董文才[哈尔滨工程大学学报]《2015年绿色船舶规范》中国船级社