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日本实现零排放船舶路径之超高效LNG燃料船概念设计

2021-8-20 17:47| 查看: 1032| 评论: 0

1、前言

随着IMO结合2018年GHG减排目标,出台了GHG减排初步战略,日本在设立中长期GHG减排对策计划的基础上制定了路线图,并提出了达成中长期目标的概念船舶设计。

此外,围绕EEDI议题,MEPC就EEDI第四阶段的设定值等展开了讨论,日本进行了广泛的调查和研究,通过将现有技术进行优化组合,试设计了能大幅优化EEDI的概念船。

2、设计概念

以EEDI较2008年优化80%以上为目标,实施了80000DWT散货船和20000TEU集装箱船的概念设计。

概念船是在原有船型(相当于2008年的EEDI Reference Line)基础上,采用船型改良、减速设计、大型化、混合动力对转螺旋桨、LNG燃料,以及创新节能技术(风力推进系统和空气润滑系统),其EEDI值较母型船优化了86%。

3、概念船规格

3.1散货船(80000DWT船)

3.1.1基本参数


该概念船的基本参数如表1所示。

表1 基本参数(散货船)

3.1.2船型改良、减速设计及大型化

基于最新的环保船运营数据,对2019年船舶进行船型改良,EEDI值与2008年相比约优化了21%。

下一步措施是实施减速设计和大型化。目前,由于低速航行的常态化,暂且不论设计航速与实际航速不符的情况,若不进行船舶的大型化而仅降低设计船速,则必需增加船舶数量,以设计航速进行运输的成本将上升,从经济性上来看并不现实,因此该概念设计是在不增加船舶数量的前提下,以大型化来补偿因减速导致的运输能力的下降。

另外,由于受与母型船同等的港口限制等条件,在不改变船长及吃水的同时,采用宽幅船型实现大型化,以最大限度避免推进性能和操纵性能的大幅降低。该宽幅船型的船宽从32.24m增加到42.0m,载重吨增至102000DWT。在这一条件下,设计航速从14.5kn降至11.5kn,能够确保运输能力。通过大幅降低主机功率,EEDI值优化了约41%,再通过船舶大型化,EEDI值进一步优化了约10%。

由于主机功率大幅降低,不能满足IMO最小功率条件,所以该设计以采用紧急时刻功率的概念为前提。紧急时刻功率的概念是为优化EEDI,对主机的输出功率加以限制,仅在紧急时刻(如暴风雨天气)才能够解除限制。通常情况下,船舶在限定的输出功率范围内航行,EEDI以限定功率来计算;在紧急时刻解除限制,则能够达到登记功率。因此,该概念设计可同时满足EEDI规定和最小功率条件。

3.1.3推进系统的变更

由于低功率和大型化可能引起船舶在静水中和波浪中操纵性能的不佳,为提高操纵性能,采用以POD推进器和单轴电力推进组成的混合动力型对转螺旋桨,如图1所示。

双螺旋桨提升了效率,EEDI值优化了约10%。

图1 混合动力型对转螺旋桨系统

另外,随着电力推进的普及,发电机、变频器、马达的损失使EEDI上升了9%,减速机的输出功率损失使EEDI上升了1.5%,能效变差。并且,主推进用发动机由二冲程变更为四冲程,导致燃耗变大,EEDI值约上升了6%。综上,该推进系统总体使EEDI值上升了约6%。

虽然可以选择双机双桨、电力化等各种措施来弥补宽幅船型和低功率带来的操纵性能的恶化,但该概念设计船基于以下理由仍采用上述推进系统:
①如果仅考虑减排,直接采用双机双桨最优,但POD推进及电力推进使机舱配置的自由度更高,可大幅提升操纵性能,与双桨船相比,推进效率(船壳效率ηH)更优。
②电力推进难以避免能效恶化,但从未来发展的角度来看,实现可再生能源发电效率的提升及大容量电池性能的提高后,温室气体排放有望进一步得到削减。

3.1.4LNG燃料

采用LNG燃料,CO2换算系数降低且提高了燃油效率,EEDI值优化了约23%。LNG燃料舱采用IMO Type-C型,配置于上甲板烟囱的两舷侧,以往返南北航线(日本—澳大利亚)计算,舱容为3800立方米。

3.1.5创新节能技术(风力推进系统)

以风能降低能耗,如图2所示,在相邻两货舱之间装载1个具有4档伸缩结构的风帆,共装载6个,为确保船桥视野的开阔,将船桥置于船首。
图2 散货船外观概念图

在风力效能方面,根据日本“Wind challenger”项目,1个风帆试算的EEDI优化效果约5%(日本—澳大利亚东海岸航线),考虑该概念船装载的风帆数量,主机功率降低的效果计为2000kW。

另一方面,为将风力推进系统带来的主机功率降低的效果计入EEDI,必须有该系统的推进特点及风的出现频度数据等,由于这些必须在MEPC等国际会议上进行讨论并获得认可后才能计入EEDI,目前还不能实现,因此该课题需留待今后解决。

3.1.6创新节能技术(空气润滑系统)

为实现更好的节能效果,装载“扫气回路空气润滑系统”,将一部分气体导入船底,能够降低船体与海水之间的摩擦阻力。在日本建造的100000DWT散货船上已经证实了其具备约4%左右主机功率降低的效果,假设该概念船具有同等的降阻效果,还有风力推进系统的加持,其EEDI值总计可进一步优化61%。

3.1.7EEDI优化率的变化(散货船)

通过以上措施的累积,最终达成了EEDI值优化86%的目标,如表2所示。

*1:推进马达的额定功率
表2 采用技术概要及EEDI优化率(散货船)

3.2集装箱船(基于20000TEU船型)

3.2.1基本参数


该概念船的基本参数如表2所示。

表2 基本参数(集装箱船)

3.2.2船型改良、减速设计及大型化

根据最新环保船的数据,通过对2019年船舶进行船型改良及减速设计,其EEDI值比2008年优化了50%。

下一步措施和散货船相同,在考虑经济性的基础上,设计为最佳宽幅大型船舶,船宽从58.8m增至69.2m,载箱量为30000TEU。在上述条件下,为确保运输能力,设计航速由22.8kn降至15.2kn。在上一步的基础上,EEDI值通过大幅降低主机功率优化约51%,再通过大型化进一步优化约23%,能效总计优化了81%。

该概念船假定投入欧洲—亚洲航线运营,船宽69.2m的船舶通行苏伊士运河的最大航行吃水为12.9m,但考虑到航行至苏伊士运河之前的燃油消耗等原因造成的吃水减少的部分,设计吃水为13.0m。此外,为确保集装箱空间,在随船宽扩大而扩大的烟囱两侧的空间设置居住区,为保证船桥视野,将船桥置于船首。

3.2.3推进系统的变更

集装箱船同样存在因低功率及大型化带来操纵性能的大幅下降、无法满足操纵性能标准的可能性,因此,为提高操纵性能,采用与上述散货船概念船相同的推进系统。双螺旋桨虽然能够提高螺旋桨效率,但由于螺旋桨载荷的影响,无法达到到散货船的优化程度,EEDI值优化仅停留在约6%左右。

另外,随着电力推进的普及,与散货船相同,发电机、变频器、马达等的损失为9%,减速机导致的输出功率的损失为1.5%,都使能效变差。并且,主推进用发动机由二冲程变更为四冲程,导致燃耗变大,EEDI值反而上升了约7%。总的来看,采用该推进系统,整体使EEDI值在上一步措施的基础上,上升了约11%。

该概念设计船基于以下理由采用上述推进系统:
①电力推进无法避免上述损失,但同散货船概念船一样,从发展的角度来看是适用的。
②像该概念船这样的低功率集装箱船,由于装载冷藏集装箱等原因,相对需要更多的电力,通过全电化提高电力的灵活性。另外,直接推进+辅机发电机的配置也更能节省空间。

3.2.4LNG燃料

采用LNG燃料,CO2换算系数降低且提高了燃油效率,EEDI值进一步优化了约26%。LNG燃料舱采用配置在机舱周围的薄膜型,以往返亚欧航线计算,舱容为11000立方米。

3.2.5创新节能技术(风力推进系统)

由于集装箱船无法安装风帆,采用图4所示的风力推进用风筝。风筝的展开、滑翔空中的动作、收帆等全部由电子控制,能够适应风力状况的变化获得最大效果。在巴拿马型散货船上,制造商给出了23.7%的能效优化结果,加上概念船的功率裕度,可计入1000kW的功率降低效果。
图4 集装箱船外观概念图

3.2.6创新节能技术(空气润滑系统)

与散货船概念船相同,该概念船也装载了“扫气回路空气润滑系统”,并获得了同样的效果。空气润滑系统与风力推进系统总共对EEDI值进一步优化了11%。

3.2.7EEDI优化率的变化(集装箱船)

经过以上几步措施,如表3所示,最终达成了EEDI值优化86%的目标。

*1:实际上2008年还没有20000TEU船,假定设计与Reference Line相当的20000TEU集装箱船。
*2:推进马达的额定功率
表3 采用技术概要及EEDI优化率变化(集装箱船)

4、概念船需解决的课题

由于概念船是将目前可以应用的各项技术进行了优化组合,所以认为技术层面没有太大的问题,但实现应用,还需要在IMO相关法规及导则的修订等制度层面进行完善。

4.1电力推进船舶的EEDI计算

现行的EEDI规则并不适用于除LNG船/豪华邮轮以外的电力推进船舶,导则中也没有规定计算方法。要实现该概念船的应用,必须对相应的规则和导则等做出修订。

4.2低功率船舶的海上功率裕度(sea margin)和PME

在现行的EEDI计算导则中,由20% margin与持续功率90% MCR的关系得出,EEDI计算用到的PME定为75% MCR(0.9 MCR/1.2=0.75 MCR)。但对于该概念船这样的低功率船舶,如果同样取20% sea margin的话,则裕度过低,在恶劣海况条件下有出现故障的隐患。因此,在实际设计中,设想是能够取更大的sea margin。对于低功率船舶的PME,其数值是切合船舶实际运行状态的,所以今后有必要对导则进行修订。

4.3紧急时刻功率概念的认可

该概念船是通过采用减速设计及创新节能技术,实现主机功率的大幅降低,所以并不满足现行的最小功率条件,目前MEPC正在讨论紧急时刻功率概念,该概念获得认可是本文提出的概念船实现应用的前提条件。

4.4风力推进系统EEDI的计算

若将风力推进系统实现的主机功率降低的效果计入EEDI,则今后在MEPC上,有必要对该系统相关的推进性能的计算、认证、风的出现频度分布等进行进一步讨论,并获得认可。


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