我國自主研發(fā)制造的亞洲首套船用風(fēng)力旋筒助推系統(tǒng)在萬噸級大型甲板運(yùn)輸船“海洋石油226”上投用。中國海油供圖
近日，中國海油發(fā)布消息，我國自主研發(fā)制造的亞洲首套船用風(fēng)力旋筒助推系統(tǒng)在萬噸級大型甲板運(yùn)輸船“海洋石油226”上成功投用。這標(biāo)志著我國在商用船舶旋筒風(fēng)帆系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了零的突破，對于推動(dòng)船舶運(yùn)輸行業(yè)綠色低碳發(fā)展具有重要示范意義。
旋筒風(fēng)帆長什么樣，給船舶裝上旋筒風(fēng)帆有多難，這種風(fēng)帆有什么作用?記者就這些問題采訪了相關(guān)專家。
可拆卸型底座減少空間占用
旋筒風(fēng)帆最早出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代。由于旋筒的重量限制以及柴油機(jī)和蒸汽輪機(jī)的出現(xiàn)，該技術(shù)最終沒能被廣泛應(yīng)用。近兩年，隨著國內(nèi)外研究與實(shí)船實(shí)踐的成熟，這項(xiàng)技術(shù)在歐洲等國際重點(diǎn)航運(yùn)市場重新得到廣泛研究與應(yīng)用。旋筒風(fēng)帆在船舶上的安裝與應(yīng)用即將進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。
2023年8月，歐盟研究報(bào)告顯示，目前主流的風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)包含了旋筒風(fēng)帆、硬質(zhì)翼帆、吸力翼帆、天帆、軟質(zhì)風(fēng)帆。旋筒風(fēng)帆是目前國際上應(yīng)用最廣、技術(shù)最為成熟、減排潛力最大的一種風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)。截至2023年，共有將近60艘船舶安裝了風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)，其中40%以上的船舶選擇安裝了旋筒風(fēng)帆。
“項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)前期深入開展了船舶應(yīng)用環(huán)境與能耗仿真模擬分析。研究顯示，加裝旋筒風(fēng)帆系統(tǒng)后，這艘船平均每年可節(jié)約12%的燃料，減少二氧化碳排放量約412噸，并可實(shí)現(xiàn)全生命周期受益。”“海洋石油226”船船長吳力國說。
“總體思路上，‘海洋石油226’的改裝借鑒了德國愛納康(Enercon)公司旗下‘E-Ship 1’號(hào)旋筒風(fēng)帆貨船的成功經(jīng)驗(yàn)。”吳力國說，該船于2010年正式投入運(yùn)營，與“海洋石油226”的船型以及總噸都十分近似。借助4臺(tái)高27米、直徑4米的旋筒風(fēng)帆，“E-Ship 1”號(hào)旋筒風(fēng)帆貨船與同型號(hào)貨船相比燃料損耗減少了約25%，并且在2016年德國漢堡國際海事展上獲得國際帆船協(xié)會(huì)的風(fēng)力推進(jìn)創(chuàng)新獎(jiǎng)。
但是，“E-Ship 1”號(hào)旋筒風(fēng)帆貨船雖然節(jié)能減排效果非常優(yōu)異，但其旋筒風(fēng)帆的布置方式對甲板空間占用較大，會(huì)影響船舶日常的貨物裝卸。“我們采用了對船舶裝載面積影響最小的改造設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)僅占用了原船上層建筑后方臨時(shí)集裝箱的位置，并用旋筒風(fēng)帆固定底座的內(nèi)部空間補(bǔ)償了原集裝箱工具間的功能。旋筒風(fēng)帆固定底座可拆卸，特殊情況下可以簡單快捷地將旋筒風(fēng)帆整體吊裝下船，最大限度地保持了原船功能。”海油工程旋筒風(fēng)帆系統(tǒng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人楊云展說。
首創(chuàng)一體化智能中控系統(tǒng)
雖然有成功經(jīng)驗(yàn)可借鑒，但給“海洋石油226”裝上風(fēng)筒并非簡單的“依樣畫葫蘆”。
“我們制作并分析了多臺(tái)內(nèi)筒的小尺寸樣機(jī)，不斷改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并從中選取了最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式。”楊云展說。
外筒的設(shè)計(jì)和制造也是項(xiàng)目主要難點(diǎn)之一。為了實(shí)現(xiàn)更高的推力，風(fēng)筒既要足夠輕，以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速、更低的消耗功率，又要有足夠的強(qiáng)度和防腐性，能承受海上的各種工況。“為此，我們論證了多種材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式的外筒。論證材質(zhì)包括小型旋筒的鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)、鋁合金材質(zhì)、非金屬復(fù)合材料與碳纖維材料，通過對材質(zhì)重量、強(qiáng)度、防腐性以及經(jīng)濟(jì)性的對比，我們最終選取了非金屬復(fù)合材料并對結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化，從而減輕外筒的重量，提高強(qiáng)度。”楊云展說。
另一個(gè)要攻克的難題是旋筒風(fēng)帆的自動(dòng)化控制。為了實(shí)現(xiàn)讓旋筒風(fēng)帆能夠根據(jù)不同風(fēng)速風(fēng)向自動(dòng)判斷旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對旋筒風(fēng)帆在不同風(fēng)速風(fēng)向條件下形成的推力、阻力以及電機(jī)消耗功率，通過流體力學(xué)仿真計(jì)算進(jìn)行了模擬。
“僅僅通過數(shù)值模擬計(jì)算還不夠。我們還對旋筒風(fēng)帆的模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，以測試旋筒風(fēng)帆在不同風(fēng)速不同轉(zhuǎn)速下的氣動(dòng)力特性。”楊云展說。
該項(xiàng)目首創(chuàng)了一體化智能中控系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以自動(dòng)獲取航線風(fēng)速和風(fēng)向，并調(diào)整旋筒風(fēng)帆工作姿態(tài)以獲取最大動(dòng)能，為船舶行業(yè)綠色發(fā)展和智能化操控提供一種全新模式。
平均節(jié)省燃料5%—25%
隨著國際航運(yùn)向著脫碳方向發(fā)展以及日益嚴(yán)格的空氣排放和氣候立法，航運(yùn)業(yè)面臨重大挑戰(zhàn)。
工業(yè)和信息化部等五部委近日發(fā)布的《船舶制造業(yè)綠色發(fā)展行動(dòng)綱要(2024—2030年)》提出，要加快甲醇、氨動(dòng)力船型研發(fā)，探索開發(fā)燃料電池等新型動(dòng)力船型;積極穩(wěn)妥推動(dòng)具備條件的客船、貨船、工程船、漁船等LNG、電池動(dòng)力船型研發(fā)和示范應(yīng)用，推動(dòng)甲醇、氫等動(dòng)力船型研發(fā)和試點(diǎn);加快液氨、液氫、液態(tài)二氧化碳等新型運(yùn)輸船研發(fā)等。
吳力國說，大型工程船舶是航運(yùn)行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要部分。綠色低碳轉(zhuǎn)型對大型工程船舶的能耗管理等提出了更高要求。旋筒風(fēng)帆具有輕巧靈活、改造簡單、投資回報(bào)快等顯著優(yōu)點(diǎn)，可以在油輪、客輪、散貨船、滾裝船等多種具有空曠甲板面的船型上安裝，平均節(jié)省燃料可達(dá)5%—25%。
這套船用風(fēng)力旋筒助推系統(tǒng)是天津海洋裝備產(chǎn)業(yè)(人才)聯(lián)盟內(nèi)合作的首臺(tái)套旋筒風(fēng)帆項(xiàng)目。海洋石油工程股份有限公司相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，海洋石油工程股份有限公司作為主席單位，很好地踐行了聯(lián)盟關(guān)于未來發(fā)展的倡議，在聯(lián)盟內(nèi)形成帶動(dòng)作用。此次成功合作，將推動(dòng)天津地區(qū)的海洋裝備產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展邁上新臺(tái)階。
