七○八所杨葆和：应对EED从设计着手 多管齐下提能效
2012-8-24 9:44:29 来源：中国船舶与海洋工程网信息中心

在当前的市场经营活动中，对于油船、散货船和集装箱船三大主流船型，所有的船东都提出了新船型比现有船型节能减排20%以上的要求，如果达不到这一要求，船企甚至没有机会与船东开展初步谈判，因此，提高船舶能效的优化与创新方法就成了造船界广为关注的焦点。在日前召开的“应对船舶能效设计指数（EEDI）措施研讨会”上，工业和信息化部EEDI专家组成员、中国船舶工业集团公司第七○八研究所研究员、船舶设计大师杨葆和指出，提高船舶能效的方法有很多，但要想使新船型实现节能减排20%～30%的目标，单靠一两种方法是难以完成的，需要从船型设计这个源头着手，综合使用各种方法，以满足海事新规和船东的要求。
实现船舶节能减排20%～30%的目标既是下一阶段国际公约的法定要求，也是船东出于降低成本的强烈要求，因为国际油价的大幅上升已成为船东不可承受之重。以阿芙拉型油船为例，2011年的船价与1999年已基本持平，但是常用的船舶燃油的价格已从1999年的每吨约100美元上涨到2011年的每吨约700美元，这使得船舶营运20年的燃油总价占船价的比重从1999年约80%上升至2011年的约600%，而且油价还有可能进一步上涨。
目前，为提高船舶能效，日、韩等先进造船国家已在船型设计优化上开展了大量研究，并以此作为抢占市场的着力点。对此，杨葆和表示，我国船舶工业也应从船舶开发设计开始，具体通过线型优化、推进装置优化、附体节能装置的优化设计和配置、主机选型优化、减少船体摩擦阻力和风阻力、采用废热回收技术、应用清洁能源和新能源等方式来降低能耗，提升船舶的整体效能。
“随着计算机技术和船舶计算流体力学(CFD)方法的发展，如今线型优化的方法和程序与传统方法相比已有较大的不同。”CFD方法的计算成本相对较低、耗时较少，可进行大量线型方案的比选，这是现在线型优化工作相较于过去的最大差异点。杨葆和指出，虽然CFD计算结果的精度目前还达不到直接用于工程实际的要求，但是通过有经验的技术人员对计算的波形和流场的分析比较，可以将这一计算方法用于多个线型方案的比选，然后最终选定一两个方案进行船模试验验证。同时，现今线型优化不仅要关注减小静水阻力和提高推进效率，还要考虑减小船舶在波浪中的增阻等，以全面优化船舶线型。
螺旋桨是推进效率最高的一种船舶推进装置，其设计一般由专业机构通过专用软件用理论计算结合经验修正的方法进行。杨葆和表示，单个螺旋桨的优化方向包括叶数的选择和桨叶剖面型式的优化，船舶设计者可根据专业螺旋桨设计机构的推荐选择合适的方法。其中，对转螺旋桨是一种可提高推进效率约8%的方法。早期的对转螺旋桨采用轴套轴的方法传动，机械复杂且易损坏，如今采用一常规桨加一吊舱桨或Z推桨的方案虽然能克服这些缺点，但价格较昂贵。
对于附体节能装置的效果，航运界一直存在着褒贬不一的评价。杨葆和介绍，附体节能装置主要包括桨前的均衡伴流导管、尾框鳍和桨后的自由叶轮、舵球、舵鳍和扭曲舵等。他认为，在船舶设计中，使用附体节能装置要考虑两方面的问题，一是不能简单地叠加附体节能装置，因为节能效果的取得归根结底是依靠船后水流中能量损耗的回收，而简单地将多个附件进行叠加会造成其中一部分节能效果被相互抵消；另一个是由于船模试验时，尾部的边界层相对厚度较大，它会增大处于其中的附体的节能效果，从而使附体节能的试验值优于实船的节能值。“现在CFD计算的前沿技术已开始研究船、桨、舵和附体对尾部流场的影响并评估其节能效果，同时，业界还正在研究实际尺度的CFD计算。虽然这些技术尚不成熟，但预计在不久的将来就有望用来优化附体节能装置的设计和配置。”
杨葆和表示，在主机选型上则可选用极长冲程的G型或X型主机，降低主机转速，以提高螺旋桨的效率；而对于电喷型主机，可采用部分负荷或低负荷优化模式，这能有效降低主机单位油耗。此外，船体减阻也能有效提升船舶能效，由于船体水下部分的横向焊缝对船舶阻力的影响可能达到1%，因此应对船体横向焊缝的焊接工艺和平整度要求予以研究，使其

可能打磨平整；同时，船舶建造时也可通过涂敷低阻油漆、采用气膜减阻技术、减小船舶纵向的通风阻力等方法来降低整艘船的阻力。“其中，气膜减阻技术目前尚处于研究阶段，日本已将这种技术应用于一型长度为180米的在建船舶中。”杨葆和指出，气膜减阻技术是向船底注入压缩空气以形成气膜，其难点首先是必须形成相对稳定的气膜，即在一定的风浪条件下，让气膜在船舶纵摇横摇及升沉时保持稳定，其次是对船尾部空气的回收，如果气泡大量混入尾流会降低螺旋桨的推进性能。目前，工信部已立项对气膜减阻技术进行研究，准备先在小型船舶上试点后再加以推广，这种技术能使低速肥大型船舶节能20%左右。
在提高船舶能效的众多途径中，采用废热回收技术也是较为常用的措施之一。杨葆和表示，虽然目前常规船舶一般都设置废气经济器，以利用废热产生蒸汽供船舶使用，但这种废热利用的力度还远远不够。为此，业界曾考虑配置主机轴带发电机的方案，但由于轴带发电机与废热回收装置的合计发电量可能会超出船舶（有大量冷藏集装箱的船舶除外）的实际需要，所以还需要配置吊舱推进器，而这将使系统变得非常复杂，投资也会大大增加。不过，该技术方案确实能使船舶的能效显著提高，因此，其将会得到进一步的研究。
此外，针对清洁能源和新能源的应用，杨葆和认为，其前景固然可期，但如液化天然气（LNG）、生物质燃料、风能、核能等能源的利用，在规范、规划、政策层面尚有许多空白之处，需要进一步的健全和完善，而在技术实现上也需要更深层次的预研和测试，为今后大规模的应用奠定基础。