基于节能环保的31万吨级油船优化设计分析

郑金伟，陆明锋，刘灿波，李林海

(南通中远海运川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

0 引言

随着全球碳中和步伐日益加快，“节能、环保”已成为共识。为防止全球环境的恶化，国际海事组织(IMO)不断推出愈加严格的新规范。各国出台了减排区域标准，同时港口推行绿色船舶税费减免、优先靠港政策。在全球减排大背景下，如何从船型设计入手，研发节能降耗、环境友好的船型已成为船型设计人员所面临的重大课题。目前，国内外船厂及设计研究单位在节能环保船型设计方面已取得了一定进展，但各家采用的节能环保技术尚存在一定局限性，应用船型和对象改变后，节能环保效果将大打折扣。因此，需要根据超大型油船(VLCC)船型的设计特点，在优化比选诸多技术方案的基础上，找到符合船型自身节能环保需求的技术手段，以形成自主知识产权的节能环保产品。

本文以某31万吨级超大型油船为研究对象，首先，综合运用CFD计算、水池试验等手段，重点对艏部线型设计、节能装置、减阻技术等方面进行优化分析；其次，围绕环保发展热点，着重研究控制氮、碳等有害气体、噪声污染等方面的措施。

1 船舶概述

31万吨级油船是全球首艘基于目标船型(GBS)标准建造的超大型油船。其主要参数如下：总长339.50 m，垂线间长334.10 m，型宽60.00 m，型深28.90 m，设计吃水20.50 m，结构吃水21.00 m，满载载重吨311 000 t，服务航速15.5 kn。

2 节能设计优化亮点

2.1 船长优化

以往设计的VLCC船型，其船长始终保持在333.00 m以内(垂线间长为324.0 m)。考虑到在原船长条件下的船型已经历了数轮升级优化，性能方面很难再有大幅提升。因此，为较大幅度提升新开发船型的推进性能，将31万吨级油船船长进行适当加长，达到了339.50 m(垂线间长为334.10 m)。

性能分析结果显示：船宽不变的条件下，船长由333.00 m加长到339.50 m，/比值由5.40增大到5.57左右，推进效率可提高约1%。虽然就建造成本而言，增加船长意味着成本增加，但可有效提升推进效率，增加货油舱舱容，保证了新开发船型在今后一段时间内的竞争力。

2.2 线型优化

相同尺度条件下，采用不同线型设计的船舶，油耗也不同，因此船体线型的好坏是决定船舶推进性能优劣的关键因素。在不增加建造成本的前提下，采用性能优良的船体线型是节能降耗最优先考虑的手段。该油船在母型船线型基础上，综合考虑船舶推进性能、布置便利性及建造成本等因素，重点对线型的艏部及艉部进行局部优化，以提高新船型的节能效果。

考虑到船东降速航行的用船习惯及低速航行时兴波阻力占比减少等因素，通过CFD软件对艏部线型进行反复优化，见图1，最终结果显示艏部兴波不但没有因球鼻艏取消变差，反而有所降低，见图2。水池实验也验证：在低速条件下，兴波确有改善。

图1 目标船及母型船艏部线型对比

图2 目标船及母型船的艏部兴波对比

为与更大直径螺旋桨相匹配，新一代31万吨级油船优化了艉封板区域的线型，见图3。最终通过系列优化，降低了粘压阻力，同时提高了艉部伴流的均匀性。最终CFD结果显示：该船艉部伴流目标函数比母型船降低2.4%，见图4。

图3 目标船及母型船的艉部线型对比

图4 目标船及母型船的艉部伴流对比

2.3 节能附体

该油船在艉部加装了新型的节能系统，包括桨前SDS-F(Semi-Duct System with Contra Fin)系统和桨后RBS-F(Rudder Bulb System with Fins)系统。桨前SDS-F系统可提高桨前水流的流速及均匀性，以提高螺旋桨效率。桨后RBS-F系统可减少桨后旋转流，提高桨盘面处伴流场均匀度，并将桨后水流的转能化为船舶的推力，提高船舶推进性能。水池试验显示：相同线型条件下，加装节能附体后，整体推进性能可提高约5%～7%。

2.4 节能新技术的应用

为提高操舵精度，减少操舵频率和偏差，31万吨级油船配备了智能操舵系统。该系统可实时收集舵机系统、主机、发电机、船位、船速等大数据信息，并利用先进算法进行统计和分析，用于舵机系统和船舶操控系统的优化，从而有效提高操舵精度，减少操舵次数，避免大舵角操作，降低舵机系统的损耗，达到节能降耗的目的。

对于中低速航行的船舶而言，摩擦阻力约占总阻力的70%～80%。船体水下形状不变时，采用低摩擦阻力油漆，油漆表面在水流冲刷条件下实现自抛光，可降低表面粗糙度，减少摩擦阻力，降低燃油消耗。据测算，31万吨级油船采用低摩擦阻力的节能型防污漆，每年可节省约4%燃油消耗。

在冷却水管路设计上，31万吨级油船采用了冷却水管路艏密封舱设计。该设计能有效避免艏密封滑油高温的问题，同时可免安装冷却水循环系统(2台泵、1个冷却器)。主机负载在60%最大连续输出功率(MCO)以下工作时，每天可降低电力消耗约60 kW，燃油消耗约0.3 t。

31万吨级油船在燃油大舱内布置一小加热舱室。驳油前，仅加热小加热舱室使其达到较高温度，用小加热舱室内的热油去加热需要驳运的燃油，可有效避免加热无驳运需求的燃油以减少热能散失。相比加热整个燃油大舱的方案，所需加热燃油量大幅减少，可减少约70%的蒸汽消耗。

2.5 节能效果

31万吨级油船的实船试航结果显示，最终的船舶能效设计指数(EEDI)比规范要求值降低约20%。能效设计水平已满足了IMO第二阶段(到2024年)要求。

3 环保设计优化亮点

随着国际船舶环保法规的相继出台和越来越多的排放控制区的设立，31万吨级油船在环保设计上除了满足国际法规基本要求外，还应围绕有害气体排放控制、燃油污染控制、噪声污染控制等方面进行研究，强化新技术应用，突出环保特色。

3.1 有害气体排放控制

2016年1月1日后建造的船舶进入北美及加勒比海排放控制区(ECA)时，氮氧化物排放需要满足NOTier III排放标准，且2021年1月1日起，北海及波罗的海也将新增为NOTier III 的排放控制区(ECA)。考虑到船东用船航线的差异，该船除了提供NOTier II设计(适合于终身在ECA区外航行的船舶)外，还提供了2种满足NOTier III排放标准的技术选择方案(适合于有排放控制区内航行需求的船舶)，见表1。

表1 EGR和SCR NOx排放控制方案对比

(1)废气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR) 方案：通过在扫气中混入一部分废气，用废气替换掉扫气中的一部分新鲜空气，可以有效降低燃烧室中的高温，改善富氧的环境，从而减少废气中氮氧化物的生成。

(2)选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction,SCR ) 方案：通过氮氧化物和氨气在高温条件下发生还原反应，生成氮气和水，以减少废气中氮氧化物的含量。

IMO确认全球海域2020年1月1日开始实行0.5%硫排放限制的规定。为此，31万吨级油船设计时考虑了以下2种解决方案供选择：

(1)低硫燃油方案：设计多个油舱，采用螺杆泵和燃油冷却器等，通过在排放控制区内使用低硫油的方式来满足SO排放限制要求，同时还配备了储存低碱值汽缸油的专用油舱。

(2)洗涤塔方案：交船前安装SOscrubber或预留SOscrubber安装空间。

3.2 其他环保技术和措施

31万吨级油船配置单独的舱底水循环泵，从舱底水柜和污水井内抽吸的不同类别的油水可以分开处理，并设置独立的主机空冷器泄放柜，使机舱内油、水尽可能分开收集与处理，避免混合污染。

借助CFD仿真软件对锅炉送风管进行数值模拟，实现了对风量的定量分析。根据分析结果对锅炉风管布置方案进行优化，提高了锅炉燃烧效率，降低了因燃油燃烧不充分所造成的环境污染。

甲板上各驱动单元选用压缩空气驱动。相比液压驱动方式，压缩空气驱动方式可有效避免因液压油意外泄露所造成的环境污染，并且可满足危险区划内各设备的防爆要求。

船舶的噪声污染直接影响到船上人员健康和环境舒适性。31万吨级油船噪声等级严格按照最新的《船上噪声等级规则》MSC.337(91)要求，从噪声源入手，采用降噪技术，降低居住舱室、医务室、餐厅、娱乐室及办公室的噪声等级。相关处所噪声等级比IMO A.468(XII)标准低5 dB(A)左右。

为保证船舶全生命周期内减少或消除环境污染，31万吨级油船在设计建造过程中按照欧盟拆船公约的要求严格禁用A类有害物质，尽可能限制B类有害物质的使用，并为船舶提供实际有害物质的特定信息清单，以便拆船厂保护拆船人员的健康和防止环境污染。

4 结论

(1)根据实船测速分析，综合油耗下降5%～7%，环保性能符合当下和未来一段时期内的环保法规要求，确保了新一代VLCC船型的市场竞争力和生命力。

(2)该船型自投放市场以来，已接获并交付多艘订单，节能环保效果获得了船东的高度认可。