低碳背景下的船舶設計演變
最優速度下最大功率、足夠動力時更低排放…。船舶設計時通常只需要滿足諸如上述一系列的性能參數,不需要考慮更多的設計手段,也不需考慮產品能否持續滿足未來需求。然而在當前低碳背景下,新能源、雙燃料、風輔助、推進系統改進、空氣潤滑系統等新事物的產生給傳統的船舶設計帶來新的挑戰。本文帶您回顧船舶設計演變發展歷程,探討船舶未來發展之路。
直至2000年左右,約95%的船舶都采用單要素設計。即以特定速度和吃水為設計指標確定船舶的外型、船首和主機容量以使船舶在合同條件下達到最優表現。這也是船舶性能評價的主要因素。但是很少有人會考慮當船舶采用較低航速和較低裝貨容量時對船舶效率的影響程度。尤其對集裝箱來說,效率損失是難以接受的。為了達到降低營運成本并實現船舶最大效能,設計者們發現對船舶做相關些許改變,便可以提高船舶效能5%-10%,有時甚至可以達到20%,這意味著大型深遠海船舶每年可節省成本約100萬美元。
集裝箱船是最先棄用單要素設計原理的船型之一。隨著單要素設計原理缺點逐步顯現,所有深遠海船舶的設計和營運管理都將受到影響。比如裝載壓載水返港的油輪和散貨船比滿載貨物時消耗更多的燃料,這種情況是不能讓人接受的,必須在設計方面做出改變。
矩陣模型。大概自2008年起,新船設計開始不局限于指定幾種模式的航速和吃水范圍,而是提供船東可變的矩陣模型操作界面,可以知道在不同速度和吃水下船舶的大概航行時間。雖然船舶不再擁有指定模式下的最優性能,但是靈活的設計能夠滿足船舶在不同航線、氣候條件和裝載狀況下的更多需求。
型線優化。型線優化可以降低船舶阻力、降低動力需求以獲得更好的整體效能。對于已經服役的單要素設計船舶,修改船舶整體線型是不經濟的,可以對球鼻艏進行局部優化。因為興波阻力與船首形狀以及不同速度下的吃水深度有關。單要素設計船舶通常球鼻艏非常冗長龐大,優化后細長的球鼻艏可能節省6~10%的燃料。
其他結構優化。其他方面的優化有新式螺旋槳以及推進系統優化,這些比較少議及。
圖示:優化后的球鼻艏外型通常比單要素設計船舶的球鼻艏更加細長
圖示:流體仿真計算單要素和多要素設計下的船體艏部壓力分布圖
(對兩種船型而言,合同條件下的壓力分布和產生的波浪是非常相似的。多要素優化設計可以獲得更合理的壓力分布,產生更小的波浪。)
CO2排放指標。根據新造船EEDI和即將頒布的現有船舶EEXI規則,船舶能效問題已重新成為行業關注焦點。聯合IMO二氧化碳強度指標(CII,以每裝載噸位或每海里航程下CO2排放克數作為測量船舶運輸貨物或乘客的能效評價指標),這些規則將給船東不斷施加壓力以促成船舶改造達到減排目標。
EEDI和EEXI可以通過證書形式顯示船舶能效,CII評估方法還沒有達成共識。但對所有5000總噸以上的國際航行貨船、客滾船和郵輪,CII指標2023年起生效……這將對船舶設計需求產生深遠影響。
圖示:CII改進路線圖(2022年交付的新船在壽命周期內將基于IMO脫碳路線進行升級)
當前碳中和燃料在技術和可獲得性方面還存在諸多不確定性。EEXI和CII也存在一些細節待確認,但是不同船舶的界值點已非常明確。比如最早2023年起將不再認可采用傳統高硫油燃料但未加改造措施設計的船舶。這些船舶必須馬上采取行動,采用替代燃料或者降低航速。但降低航速的做法只能在2026年前有效。如果想讓船舶在未來10-20年不做重大改動,新造船必須配備可替代燃料系統、有優化的外型或其他措施以降低燃料消耗。
‘ready designs’指一艘船舶未來可以切換替代燃料。船舶可以不必立即投入資金進行雙燃料系統改造,但是未來可以較為容易的實現燃料轉換。為迎合這種需求,DNV新增了一系列船級社附加標志,包括“LNG ready” 、以及針對氨燃料、液化天然氣、液化石油氣和甲醇燃料船舶的“Fuel ready” 標志。“Gas-fuelled ammonia”附加標志的推出也讓船東對選擇氨燃料船舶有了新的選擇。
燃料路徑方面的不確定性也助推了推進系統方面的提升改進,諸如風輔助推進。用空氣動力學進行仿真計算可以獲得一些有良好推進性能的風帆輔助方案。目前最流行的是風帆轉子形式。它采用的是馬格納斯效應——甲板設置一個較大的垂直旋轉氣缸,風從某個角度撞擊船舶甲板上的氣缸時產生向前的推力。該系統由電腦控制,可以在惡劣海況下使用,據報道可以節能10-20%。
圖示:MariGreen 項目研發的風力轉子在不同船舶上表現性能良好
空氣潤滑系統(ALS)是另外一種可以提高船舶能效降低損耗的節能技術。該系統將船底的空氣推開并在船體和水面之間產生一個光滑的均勻隔層。因為空氣相對水的粘度較低,所以空氣對船體濕表面的摩擦阻力較弱。在此情況下船舶可以節省燃料并減少5-10% CO2排放。
在今后若干年,這些技術將不斷改進成熟并將接受實船應用考驗,也許某個改進方案會成為船舶標配或成為業界強制標準。總之船舶脫碳化對船舶設計的影響是深遠的,是船舶設計演變發展的重要里程。
信息來源:DNV 船級社
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