64 000載重噸智能散貨船總體設(shè)計(jì)研究

李 磊，周 慶，夏討飯

(中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，上海 200135)

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、智能終端、感知技術(shù)等高端技術(shù)的出現(xiàn)，以及航運(yùn)企業(yè)對(duì)降低運(yùn)營成本的迫切需求，船舶智能化已成為新時(shí)期船舶制造與航運(yùn)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。

64 000載重噸散貨船是散貨船市場上的主流船型，市場需求較大。何新宇等介紹了65 000載重噸散貨船的開發(fā)設(shè)計(jì)概況及主要特點(diǎn)。陳正敏等分析了61 000載重噸散貨船貨艙分艙布置對(duì)總縱彎矩的影響。張陳等介紹了67 000載重噸散貨船輪機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。賈銳等介紹了智能船舶的概念、研究現(xiàn)狀和意義，分析了智能船舶應(yīng)具備的系統(tǒng)配置。劉微等對(duì)國內(nèi)外智能船舶發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)分析與比較，為我國智能船舶的發(fā)展提出若干建議。張雷等介紹了基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、船舶數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)共享和船舶數(shù)據(jù)二次分析的現(xiàn)代船舶智能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法。李娜等根據(jù)中國船級(jí)社《智能船舶規(guī)范》中智能機(jī)艙入級(jí)符號(hào)的相關(guān)要求，研究了機(jī)艙主輔機(jī)等重大設(shè)備智能監(jiān)測設(shè)計(jì)方案與智能機(jī)艙監(jiān)測評(píng)估系統(tǒng)。

目前，智能系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用已有成功的案例，但是從設(shè)計(jì)初期就將船舶設(shè)計(jì)與智能系統(tǒng)進(jìn)行融合的方案較少。本文結(jié)合多艘64 000載重噸散貨船的建造經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)初期就融入智能“1+3”系統(tǒng)，通過優(yōu)化總體布置、型線和節(jié)能裝置，開發(fā)出了一艘具有市場競爭力的64 000載重噸智能散貨船。

1 設(shè)計(jì)概況

64 000載重噸智能散貨船用于運(yùn)輸散裝煤、礦砂、糧食和鋼材等貨物，適用于無限航區(qū)。該船為平甲板、垂直船首、方艉船型，艏部設(shè)置艏樓。上甲板以下從艏部至艉部設(shè)有7道橫向水密艙壁，將全船分隔為艏尖艙、5個(gè)貨艙、機(jī)艙和艉尖艙。貨艙區(qū)域和機(jī)艙為單殼、雙層底；3號(hào)貨艙為風(fēng)暴壓載艙。主機(jī)選用低速柴油機(jī)，位于艉部。

64 000載重噸智能散貨船主要參數(shù)如下：總長199.90 m，型寬32.26 m，型深18.90 m，結(jié)構(gòu)吃水13.50 m，載重量(結(jié)構(gòu)吃水)64 000 t，貨艙艙容78 000 m，壓載艙艙容18 000 m，重油艙艙容1 600 m，柴油艙艙容300 m，淡水艙艙容450 m，主機(jī)型號(hào)MAN B&W 6G50ME-C9.6 (Tier III)with HP-SCR。

2 總體布置方案設(shè)計(jì)

研發(fā)過程中，利用NAPA軟件開展船體建模、艙室容積計(jì)算、浮態(tài)評(píng)估、穩(wěn)性計(jì)算等工作，根據(jù)船舶的主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行論證和選型，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。為確保螺旋槳浸沒和駕駛室視域均能滿足要求，需要綜合調(diào)整全船布置。總布置方案進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

(1)降低上層建筑層高。雖然低于市場主流設(shè)計(jì)層高，不利于滿足視域要求，但是有利于減小空船重量，降低成本。

(2)反復(fù)驗(yàn)證計(jì)算后，確定使視域和螺旋槳浸沒能夠同時(shí)滿足要求的最小的艉尖艙和艏尖艙艙容。

(3)取消雙層底內(nèi)的管隧，減輕船體結(jié)構(gòu)重量。

(4)應(yīng)急消防泵艙和應(yīng)急海底閥箱布置在艉部，大大減少了管路長度。

(5)調(diào)整淡水艙和舵機(jī)艙區(qū)域的艙室劃分，降低滿足破艙穩(wěn)性要求的淡水艙的空氣管頭高度。

(6)優(yōu)化艙口蓋的設(shè)計(jì)，減輕艙口蓋的重量。

(7)主機(jī)和發(fā)電機(jī)均配置SCR裝置，滿足Tier III的排放控制標(biāo)準(zhǔn)。

(8)為有效控制空船重量和全船成本，主甲板僅設(shè)置1個(gè)甲板室。

(9)在滿足規(guī)范要求的前提下減少機(jī)艙配置風(fēng)機(jī)的數(shù)量，使機(jī)艙布置更加靈活。

3 節(jié)能裝置設(shè)計(jì)

船舶的水動(dòng)力節(jié)能裝置會(huì)改變艉部流場，以減少船舶阻力、提高推進(jìn)效率。節(jié)能裝置根據(jù)安裝位置的不同分為2類：螺旋槳前方的為槳前節(jié)能裝置，包含前置預(yù)旋定子、前置預(yù)旋導(dǎo)輪、前置伴流補(bǔ)償導(dǎo)管等；螺旋槳后方的為槳后節(jié)能裝置，包含舵球、后置定子、消渦鰭等。

為了提高型線和節(jié)能裝置的性能及市場競爭力，64 000載重噸智能散貨船采用型線、槳、節(jié)能裝置一體化設(shè)計(jì)的技術(shù)，充分考慮這三者之間的相互影響。

本項(xiàng)目采用的節(jié)能裝置為前置伴流補(bǔ)償導(dǎo)管和舵球。針對(duì)開發(fā)的型線和節(jié)能裝置進(jìn)行了一系列的水池試驗(yàn)，包含不安裝節(jié)能裝置模型試驗(yàn)、安裝前置伴流補(bǔ)償導(dǎo)管模型試驗(yàn)、安裝前置伴流補(bǔ)償導(dǎo)管和舵球模型試驗(yàn)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，航速指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，證明了采用型線、槳、節(jié)能裝置一體化設(shè)計(jì)方法的可靠性。

4 智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過智能系統(tǒng)，船舶可以在以下方面實(shí)現(xiàn)營運(yùn)船舶的節(jié)能效果。

(1)確定合理的航線和航速

根據(jù)實(shí)時(shí)的天氣和海況資料，推算出影響船舶航行的強(qiáng)風(fēng)、高海浪區(qū)和低壓活動(dòng)路徑，并結(jié)合船舶條件和航次要求，使船舶盡量避開大風(fēng)浪區(qū)。合理配置各航段上的航速，充分利用順風(fēng)、順浪、順流的有利因素，使得航行條件達(dá)到最佳。

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器設(shè)備的運(yùn)營狀態(tài)

通過監(jiān)測，工作人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)器運(yùn)行中存在的問題，使機(jī)器保持在最佳的工作狀態(tài)。

(3)合理配載

船舶在裝載量一定的情況下，若變化其縱傾，則船體水線長度、船體水下幾何形狀、浮心位置、浸水面積、進(jìn)水角、去流角，以及船型的方形系數(shù)和水線面系數(shù)等都將發(fā)生變化。這些變化必然導(dǎo)致興波阻力、摩擦阻力及粘壓阻力等各阻力成分的改變，使船舶總阻力發(fā)生變化。不同縱傾所引起的船體艉部流場的變化將引起推進(jìn)效率的改變，從而導(dǎo)致船-機(jī)-槳的配合隨之改變，并隨著船速不同而變化。在排水量及航速一定的情況下，必定存在一個(gè)最佳縱傾狀態(tài)，通過合理配載達(dá)到最佳縱傾狀態(tài)，可降低船舶阻力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

智能船舶總體方案是基于工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)組合，將目前船上相互獨(dú)立的通導(dǎo)系統(tǒng)、機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、船岸交互系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、配載系統(tǒng)等集中連接到統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通過全船數(shù)據(jù)的收集，建立船舶數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)全船數(shù)據(jù)集中管理和信息共享。

本設(shè)計(jì)采用的智能“1+3”系統(tǒng)，包含集成平臺(tái)系統(tǒng)、智能機(jī)艙系統(tǒng)、智能航行系統(tǒng)和智能能效系統(tǒng)。智能航行、智能機(jī)艙、智能能效系統(tǒng)等是基于智能集成平臺(tái)進(jìn)行分析和處理數(shù)據(jù)的，提供輔助決策功能。智能系統(tǒng)組成示意圖見圖1。

圖1 智能系統(tǒng)示意圖

4.1 集成平臺(tái)系統(tǒng)

將智能集成平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)與原船舶局域網(wǎng)絡(luò)、功能子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整合，形成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過以太網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)接口匯集船舶機(jī)電數(shù)據(jù)。上層管理網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)、配載系統(tǒng)等相對(duì)獨(dú)立的船舶機(jī)電子系統(tǒng)，以及管理終端納入統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，管理人員通過桌面電腦或移動(dòng)設(shè)備可以查看相關(guān)應(yīng)用軟件信息。下層現(xiàn)場總線網(wǎng)由分區(qū)域的數(shù)據(jù)采集單元構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)測。

智能集成平臺(tái)的硬件主要包括防火墻、交換機(jī)、服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備等。集成平臺(tái)從物理安全、軟件安全、數(shù)據(jù)安全等多個(gè)層次對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全進(jìn)行設(shè)計(jì)，保障船舶網(wǎng)絡(luò)信息處于安全狀態(tài)。

4.2 智能機(jī)艙系統(tǒng)

智能機(jī)艙系統(tǒng)通過智能集成平臺(tái)，對(duì)機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送的主機(jī)、輔機(jī)和軸系的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。此外，還增加了1套軸系的油液和振動(dòng)監(jiān)測裝置。

智能機(jī)艙系統(tǒng)硬件組成主要包括：原船自帶傳感器設(shè)備及裝置、軸振動(dòng)在線監(jiān)測裝置、艉軸滑油在線監(jiān)測裝置等。根據(jù)軟件的部署及操作部位，智能機(jī)艙系統(tǒng)軟件可以劃分為健康管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件、振動(dòng)在線監(jiān)測裝置軟件和油液在線監(jiān)測裝置軟件等。振動(dòng)在線監(jiān)測裝置軟件部署在軸振動(dòng)在線監(jiān)測裝置中的數(shù)據(jù)采集儀，主要用來監(jiān)測中間軸承的振動(dòng)情況。油液在線監(jiān)測裝置軟件部署在油液在線監(jiān)測箱內(nèi)，在線監(jiān)測艉軸滑油的質(zhì)量，包含水分、磨損顆粒、粘度等性能指標(biāo)。

4.3 智能航行系統(tǒng)

智能航行系統(tǒng)提供全球氣象信息的下載，并借助岸基數(shù)據(jù)中心的支持，對(duì)船舶航路和航速進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。船端接收氣導(dǎo)服務(wù)優(yōu)化航路和航速推薦報(bào)告，進(jìn)行航路格式轉(zhuǎn)換，氣導(dǎo)航路通過航路系統(tǒng)向綜合橋樓報(bào)警系統(tǒng)(IBS)的自動(dòng)推送，與電子海圖(ECDIS)的信息集成，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的航線、航速，指導(dǎo)船舶的駕駛。

智能航行系統(tǒng)主要設(shè)備包括：通導(dǎo)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、雷達(dá)海圖圖像采集網(wǎng)關(guān)、航路工作站、智能通信網(wǎng)關(guān)和船載智能移動(dòng)氣象站。

4.4 智能能效系統(tǒng)

智能能效管理系統(tǒng)通過智能集成平臺(tái)對(duì)采集的機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)、流量計(jì)和通導(dǎo)設(shè)備等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，提供能效管理設(shè)備檢測及能效優(yōu)化輔助決策的服務(wù)。

智能能效系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)功能主要包括船舶能效智能監(jiān)測、能耗實(shí)時(shí)分析與智能評(píng)估、關(guān)鍵設(shè)備能效狀態(tài)評(píng)估及節(jié)能減排輔助決策等，為船舶提供監(jiān)測、分析、節(jié)能等服務(wù)，也為船東及船員提供系列管理工具，使船舶以更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的方式運(yùn)營。系統(tǒng)軟件配置需要輸入船舶主要設(shè)計(jì)參數(shù)，包括主尺度、水動(dòng)力性能數(shù)據(jù)和主要耗能設(shè)備性能指標(biāo)等。

5 結(jié)語

目前，世界各主流航運(yùn)公司紛紛將其未來發(fā)展的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到提升其船隊(duì)運(yùn)營效率和安全性上，以此在船舶市場低迷與長期運(yùn)力過剩的情況下求得發(fā)展，而船舶智能化能為船舶提供更安全、更經(jīng)濟(jì)的解決方案。本文介紹了一型具有市場競爭力的64 000載重噸智能散貨船的總體設(shè)計(jì)方案，可以為智能散貨船的研發(fā)提供有益的探索和借鑒。