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新船舶技术如何助力中国造VLCC船更绿色更智能

如何提高船舶能源利用效率、减少环境污染,来达到“2025年及以后建成的船舶EEDI比IMO基线降低30%以上”这一EEDI第3阶段(EEDI Phase III)要求,甚至更高阶段…

如何提高船舶能源利用效率、减少环境污染,来达到“2025年及以后建成的船舶EEDI比IMO基线降低30%以上”这一EEDI第3阶段(EEDI Phase III)要求,甚至更高阶段的EEDI要求,是船舶工业必须要解决的现实而重大的课题。业界从航速优化、型线优化、机桨匹配、节能装置等多方面改进设计,使得EEDI值和船舶能耗不断降低。但同时也应注意到另一个趋势,就是常规的船舶设计技术和手段的节能潜力正在逐步减小,很多船型要满足EEDI第3阶段指标要求还存在较大困难。为此,必须寻找新的清洁能源和新的提高船舶设计能效的替代方法。

LNG低温储存罐安装 摄/中国船级社大连分社建造处

油轮实现碳减排的路径很多,从船舶设计、建造、运营以及能源方面,都有很多可行的方案。超大型原油轮(VLCC)作为世界原油运输的主力船型,其设计和建造技术始终居于油轮技术发展的领先位置。目前,新建造的VLCC往往通过船型优化设计、新的节能技术、选择清洁能源等路径或它们的组合来满足IMO的目标要求。

中国船级社(CCS)从2002年联合业界开展超大型油轮的技术研究工作,目前提供入级服务的VLCC数量超过百艘。近年来,与业界一起先后完成了全球首艘LNG双燃料VLCC的船型研究和检验工作,进行了氨燃料和甲醇燃料VLCC的船型开发和认可工作,尝试采用风帆辅助推进和空气润滑减阻技术来提高船舶设计能效,并不断探索将智能化技术应用于油轮各船舶系统中。

全球首艘LNG双燃料VLCC“远瑞洋”轮 摄/大连船舶重工集团

以下主要从新燃料、新节能技术和智能技术应用等三方面介绍CCS在超大型油轮上的新技术研究和应用情况。

新燃料应用技术

目前,天然气、甲醇、氢能、氨能等新能源和清洁能源的开发和利用正不断加速,无论是上游能源制备、中游储运还是下游船舶动力系统研发制造和船舶设计建造,都紧紧围绕这一主题展开,在这种趋势影响下,船舶行业新生态正加速形成。CCS紧盯国际减排政策法规和船型应用技术研究的前沿领域,与各大船厂和油运船东紧密合作,先后开展了全球首艘LNG双燃料VLCC的船型研究、实船审图和现场检验工作,完成了氨燃料和甲醇燃料VLCC的船型开发和认可工作,全面实现了LNG、氨、甲醇等三种主流替代燃料在VLCC船型上的研发和应用。

1.LNG双燃料动力VLCC

随着CCS级全球首艘LNG双燃料动力VLCC“远瑞洋”轮的成功交付,CCS与中国航运和造船界一起在清洁能源超大型油轮应用上坚实地迈出了划时代的领先一步。

载重量约31.8万吨的“远瑞洋”轮,搭载LNG双燃料主机推进系统,并配置双燃料发电机和锅炉,采用气体安全机舱,使用LNG作为主燃料,通过安装在货油露天甲板上的两个总容量7000m³的C型独立LNG储存罐,燃气模式下的续航力可达到12000海里,在满载LNG的状态下可以实现一次补给往返远东-中东的燃料需求,燃油加燃气总计续航力为24000海里,不仅为船东节省大量运营成本,还达到了船舶绿色减排的目的。该船设计能效指数比基线值低39.3%,提前达到IMO国际公约EEDI Phase III,在燃气模式下发动机氮氧化物达到Tier III排放要求,同时冗余配备选择性催化还原系统(SCR),消除LNG燃料不可获得时的后顾之忧。该轮全面满足CCS最新规范和相关公约法规的要求,CCS授予该轮使用天然气为燃料Natural Gas Fuel,综合节能目标、性能指标居于世界领先水平。

燃气系统由注、储、制、供、用、辅、控7大子系统构成:

(1)注:LNG加注系统

左右舷各一加注站,两液一气LVL接头满足SGMF国际标准,实现便捷快速加注。

(2)储:LNG存储系统

2个3500m3C型独立罐,9Ni钢材质,单壳罐体外敷绝缘层,含一个主透气桅。

(3)制:燃气制备系统

安装在燃料罐内的潜液燃料泵,将液体LNG驳运至位于专门燃气间内的气化器/加热器,将罐内液体LNG制备成合格燃气;燃气压缩机也可在罐内高压时抽吸多余LNG蒸发气体(BOG)至机舱处理掉;根据情况二者可单独也可分别向机舱供应燃气。

(4)供:燃气供应系统

双壁管构造,双层泄漏保护,持续通风+可燃气探测,打造本质安全机舱,每个用气设备独立供气,互不影响。

(5)用:用气设备

◇主机×1,WinGD 7X82DF,全球首台型,配合iGPR;

◇辅机×3,Wartsila 9L20DF,配合GVU;

◇锅炉×2,Alfa Laval 45t/h D型锅炉,全球首台。燃气模式可蒸汽透平驱动货油泵,烟道气洗涤后用于货油舱惰化。

(6)辅:辅助/安全系统

水乙二醇冷却/加热系统、氮气发生系统、透气、烟囱吹扫、可燃气体探测、ESD、SSL、CO2灭火、甲板水喷淋、舷侧水幕、固定干粉灭火。

(7)控:电控系统

整个燃气系统及设备的监测、自动控制、报警及安全系统。

在船舶设计、建造过程中,CCS对LNG燃气系统船上应用所涉及的风险、技术、规范、服务、实践等进行了全面梳理,组建了检验专家团队,采用覆盖规范、审图、产品、建造等全专业、全业务链的检验服务模式,从检验服务、技术保障、风险管控等方面为船舶顺利建造和交付保驾护航。

● 船型开发和风险评估

根据VLCC主航线及沿线加注设施布局确定LNG储罐舱容;利用VLCC平直甲板特点确定独立C舱型及燃料罐布置位置;利用现有规则创新性地确定LNG主燃料并到EEDI Phase III技术方案;运用HAZID、HAZOP方法对大型油船应用LNG燃气系统对原有系统设备带来的风险、燃气主链系统自身可能存在的“超规范”风险点进行识别、采取消除措施,并结合LNG项目经验,提前嵌入到设计中,降低后续运维风险。

● 建造过程质量服务

将船舶设计对重要产品的特殊要求、船舶风险评估消除措施在产品阶段落到实处。梳理提示大型燃料罐吊装要点,保证吊罐顺利进行。LNG低温管、双壁管、氮气管路等特殊管路的制造、安装、试验。对本船码头槽车加注方案和作业流程提出了陆上加注政策法规支持和加注流程优化改进建议,提前规避了诸多风险和弯路;在关键环节进展受阻时主动提出更改优化流程建议,为最终本船加注节点的顺利完成提供了有力保障。对因增加LNG燃气带来的特殊船舶试验项目进行梳理,如燃气模式下的船舶操纵性试验、振动和噪声、燃气模式下的主链设备试验项目,确保验证的全面覆盖。

● LNG动力服务相关能力提升

CCS依托科研项目,全面系统构建大型油船双燃料应用规范技术标准和检验试验要求体系。

依据掌握的大型油船全球主航道上配备LNG加注船技术特点,进行加注匹配性分析,指导大型油船船舶设计,保证营运后加注兼容性。

依托自身多年科研项目研究成果以及审图和检验的实践经验,为客户提供多项LNG燃料动力主流船型的AIP认可和关于LNG燃料发动机及供气系统选型等方面的技术咨询服务。

全面掌握了LNG燃料动力系统在大型油船上的应用技术特点、难点、关键点,LNG动力技术服务能力处于世界领先地位;为替代燃料在船上应用提供了实船应用样本,奠定了坚实基础。

2.氨燃料VLCC

氨作为一种富氢能源,是未来零碳解决方案的重要发展方向之一。在氨燃料VLCC船型研发方面,2021年CCS联合船厂和船东分别推出了两个船型,其中1月份与大连船舶重工集团有限公司共同研发并推出了配备一个9800m3B型氨燃料舱的新一代31万载重吨VLCC船型。此次的船型认可是在业界缺少相关氨燃料规范指南的背景下,CCS基于IGF规则并结合近年来对氨燃料特性以及船上应用氨燃料安全风险识别等研究的基础上展开的,船型认可范围主要涵盖总体布置、加注站以及燃料处理间布置、B型燃料舱结构设计、氨燃料加注和供给系统、电力系统以及消防系统等其他辅助系统,对未来其他氨燃料动力船舶尤其是大型液货船应用氨燃料的设计研究具有借鉴意义。

2021年11月,CCS又联合中远海运能源运输股份有限公司、中远海运重工有限公司、中国船舶及海洋工程设计研究院等单位共同推出了在货油开敞甲板上配备两个6000m3的C型燃料舱的最新一代31万载重吨VLCC,其中CCS在氨燃料发展趋势研究、规范适用性研究、VLCC船型港口航线研究、总体布置、氨燃料舱选型与布置以及风险评估等方面及时做出了重要的技术贡献,确保船上氨燃料的安全使用。

3.甲醇燃料VLCC

在船舶燃料全生命周期碳排放强度日益受到关注的背景下,甲醇燃料尤其是有着巨大减碳潜力的“绿色甲醇”,越来越受到航运界的青睐。

2022年2月,CCS首次向设计单位颁发了甲醇双燃料VLCC船型设计原理性认可(AIP)证书。本船型系大连船舶重工和中远海运能源为应对低碳化的发展趋势,联合船级社共同开发的一型低碳/零碳替代燃料船舶。其概念设计基于大连船舶重工设计和建造的最新一代31万载重吨VLCC,配备了两个共11000m3的甲醇燃料舱,可以满足全船主机、辅机和锅炉的全航程燃料需求,续航力达到了23000海里。

CCS联合设计单位开展了船舶总体布置、燃料舱舱型选择与布置、燃料系统等的设计评估工作,从合规性验证和设计优化等方面提供了全方位技术服务。本船型的设计和认可,为大型油船的替代燃料船型选择方面提供了一个新颖和切实可行的方案。

油轮新节能技术应用

CCS联合船东、船厂和设计院在大型油轮上尝试采用风帆辅助推进和空气润滑减阻技术来提高船舶设计能效,并取得了很多研究和应用成果。

1.风帆辅助推进技术

全球第一艘VLCC风帆船招商能源的“凯力”轮,由大连船舶重工集团有限公司建造,于2018年11月13日正式运营。“凯力”轮的节能效果明显,带帆状态下满载工况功率节约比例3%~5%,压载工况功率节约比例达到6%~8%,平均节能效果达到5%以上,EEDI满足Phase II要求。

New Vitality 摄/大连船舶重工集团

New ADEN概念图 大连船舶重工集团提供

单帆主要参数如下:

● 风帆高度:升帆33.3米&降帆15.9米;

● 风帆宽度:最大14.8米&最小14米;

● 风帆面积:存储状态约200平方米&升帆状态约500平米;

● 回转速度:1周/6分钟。

为进一步推广风帆助推技术,2020年CCS开展了“翼型风帆助推系统工程化应用”第二期研究工作,并已在招商能源目前在建的“新伊敦”VLCC上进行实船应用。新项目进行了大量的优化设计,采用2对风帆,风帆帆叶将首次采用碳纤维复合材料,预计节能效果达到12%左右。

CCS依托风帆实船项目,在风帆辅助推进技术主要有以下重大创新性成果:

● 2020年7月1日正式发布了《船用硬质翼面帆评估与检验指南》。

● 基于风险评估理论,对与实船项目安全性相关且现有规范和法规体系尚未覆盖的问题进行系统性风险评估,保证实船安全性方面至少达到与现有规范、法规相当的水平。

● 综合考虑大挠度计算理论、几何非线性和边界条件的非线性等问题,创新性地确定合适的接触单元边界, 解决了新颖风帆结构强度计算问题。

● 提出了风帆辅助推进船舶的EEDI计算方法和验证方法,填补了该新型技术对EEDI贡献度可量化标准领域的空白。

● 对船舶加装风帆后的规范/法规符合性,以及对船舶营运和操作产生的影响进行分析和评估,将对安全和操作的负面影响降至可控水平。主要分析要素有:结构强度、风帆遮挡、船舶操纵性、锚泊和系泊、甲板直升机作业、振动和摇晃等。

2.空气润滑减阻技术

在各种船舶节能技术中,空气润滑减阻技术,以其净节能效果显著、对EEDI指标降低贡献大、对船型改动小且成本可控等优点,成为最有可能在EEDI第三阶段新造船和EEXI技术能效现有船改装上率先推广应用的候选技术之一。

空气层减阻(ALDR)技术是一种拥有巨大潜力的新型船舶节能减碳技术。该技术利用空气和水在密度和粘度上的差异,可以将适量的空气注入船底,在船底形成并保持一层薄薄的空气层。它可以显著降低船舶阻力,降低燃料消耗,降低二氧化碳排放。

在一艘在建VLCC上,CCS与船东、船厂、研究机构合作,首次将气层减阻技术应用于超大型油轮。气层减阻技术从理论到实际应用,需要考虑船厂实际施工工艺、相关设备性能、成本控制等因素,以达到设计指标,主要有 :

● 输气管系的实现:结合现有的船舶建造工艺和研究机构的设计,实现空气管的合理布置,尽量减少管路压降;

● 喷气位置:结合建造工艺和船舶实际状态,优化喷气孔的布置和形式以实现设计目标;

● 相关设备性能的影响,主要包括供气设备效率、控制阀件的控制性能;

● 稳压腔以及喷气孔对船体结构完整性的影响,增加的系统和结构不能影响到船舶的原有性能及结构安全。

在上面提到的VLCC项目伊始以及施工过程中,CCS基于以上的考虑,与船厂和研究机构进行了深入的合作,逐步实现了气层减阻技术的工程化设计和对应建造技术的实现。

油轮智能技术应用

节能增效、绿色低碳、安全环保一直是航运和船舶制造业界的焦点话题和热切追求,而具有更高效、更精准、更经济特点的智能化技术因高度契合上述需求,近些年来,已不断探索和实践应用于油轮各船舶系统中。

2019年6月22日,中国大连船舶重工集团为招商轮船集团建造的30.8万吨VLCC“凯征”轮建造完工交付营运,它是全球首艘获得智能船舶附加标志的VLCC,其入CCS单一船级,按照CCS《智能船舶规范》以及相关智能指南要求设计和建造,取得智能船舶附加标志i-Ship(N,M,Et,C,I)。

“凯征”轮智能系统通过不同系统数据的采集、通讯、整合,实现了系统间数据的综合分析和应用,特别是针对油船特点设计的智能液货系统,完成了液货系统与相关辅助系统的集成化处理,通过监测、计算、分析,可为货舱和货物保护提供辅助决策建议,指导整个系统的有效运行。

据不完全统计,近些年来,包括30万吨级、15万吨级、11万吨级和5万吨级的多艘油轮,已按照CCS《智能船舶规范》进行检验,不同程度实现和应用了智能化功能,为船舶操作者和管理者提供更高效更精准的状态监测和辅助决策支持。

CCS基于长期的研究和积累,并结合实船实践应用,在智能技术方面主要有以下创新性成果和业绩:

● 2015年12月,发布了全球第一份《智能船舶规范》(2015)。

● 2018年10月,基于油轮货物管理方面的研究和积累,颁布了《船舶(油船)智能货物管理检验指南》(2018)。

● 应用CCS《船舶网络系统要求与安全评估指南》,完成包括超大型原油船在内的多个船型的网络安全风险评估及安全测评,并为部分油轮出具了网络安全风险评估报告。

● 开展智能船舶及系统风险分析研究,在多个智能船舶项目中进行应用,为全球首艘智能VLCC“凯征”轮进行智能系统风险评估,并提供智能系统风险评估报告。

● 利用自身成立的智能技术与安全实验室仿真测试验证平台,选取超大型油轮等船型,完成智能辅助避碰预警系统的仿真验证等工作。

编辑来源:张强 中国船检

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