我國自主研發(fā)制造的亞洲首套船用風(fēng)力旋筒助推系統在萬(wàn)噸級大型甲板運輸船“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)力旋筒助推系統在萬(wàn)噸級大型甲板運輸船“海洋石油226”上成功投用。這標志著(zhù)我國在商用船舶旋筒風(fēng)帆系統技術(shù)領(lǐng)域實(shí)現了零的突破，對于推動(dòng)船舶運輸行業(yè)綠色低碳發(fā)展具有重要示范意義。
旋筒風(fēng)帆長(cháng)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(wèn)題采訪(fǎng)了相關(guān)專(zhuān)家。
可拆卸型底座減少空間占用
旋筒風(fēng)帆最早出現于20世紀20年代。由于旋筒的重量限制以及柴油機和蒸汽輪機的出現，該技術(shù)最終沒(méi)能被廣泛應用。近兩年，隨著(zhù)國內外研究與實(shí)船實(shí)踐的成熟，這項技術(shù)在歐洲等國際重點(diǎn)航運市場(chǎng)重新得到廣泛研究與應用。旋筒風(fēng)帆在船舶上的安裝與應用即將進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。
2023年8月，歐盟研究報告顯示，目前主流的風(fēng)力輔助推進(jìn)系統包含了旋筒風(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。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，其中40%以上的船舶選擇安裝了旋筒風(fēng)帆。
“項目團隊在設計前期深入開(kāi)展了船舶應用環(huán)境與能耗仿真模擬分析。研究顯示，加裝旋筒風(fēng)帆系統后，這艘船平均每年可節約12%的燃料，減少二氧化碳排放量約412噸，并可實(shí)現全生命周期受益。”“海洋石油226”船船長(cháng)吳力國說(shuō)。
“總體思路上，‘海洋石油226’的改裝借鑒了德國愛(ài)納康(Enercon)公司旗下‘E-Ship 1’號旋筒風(fēng)帆貨船的成功經(jīng)驗。”吳力國說(shuō)，該船于2010年正式投入運營(yíng)，與“海洋石油226”的船型以及總噸都十分近似。借助4臺高27米、直徑4米的旋筒風(fēng)帆，“E-Ship 1”號旋筒風(fēng)帆貨船與同型號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。
但是，“E-Ship 1”號旋筒風(fēng)帆貨船雖然節能減排效果非常優(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計。這種設計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)帆固定底座的內部空間補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(jiǎn)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)帆系統項目負責人楊云展說(shuō)。
首創(chuàng )一體化智能中控系統
雖然有成功經(jīng)驗可借鑒，但給“海洋石油226”裝上風(fēng)筒并非簡(jiǎn)單的“依樣畫(huà)葫蘆”。
“我們制作并分析了多臺內筒的小尺寸樣機，不斷改進(jìn)產(chǎn)品設計，并從中選取了最優(yōu)結構形式。”楊云展說(shuō)。
外筒的設計和制造也是項目主要難點(diǎn)之一。為了實(shí)現更高的推力，風(fēng)筒既要足夠輕，以達到更高的轉速、更低的消耗功率，又要有足夠的強度和防腐性，能承受海上的各種工況。“為此，我們論證了多種材質(zhì)和結構形式的外筒。論證材質(zhì)包括小型旋筒的鋼結構材質(zhì)、鋁合金材質(zhì)、非金屬復合材料與碳纖維材料，通過(guò)對材質(zhì)重量、強度、防腐性以及經(jīng)濟性的對比，我們最終選取了非金屬復合材料并對結構形式進(jìn)行了優(yōu)化，從而減輕外筒的重量，提高強度。”楊云展說(shuō)。
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)現讓旋筒風(fēng)帆能夠根據不同風(fēng)速風(fēng)向自動(dòng)判斷旋轉方向和旋轉速度，項目團隊對旋筒風(fēng)帆在不同風(fēng)速風(fēng)向條件下形成的推力、阻力以及電機消耗功率，通過(guò)流體力學(xué)仿真計算進(jìn)行了模擬。
“僅僅通過(guò)數值模擬計算還不夠。我們還對旋筒風(fēng)帆的模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗，以測試旋筒風(fēng)帆在不同風(fēng)速不同轉速下的氣動(dòng)力特性。”楊云展說(shuō)。
該項目首創(chuàng )了一體化智能中控系統。這個(gè)系統可以自動(dòng)獲取航線(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)向，并調整旋筒風(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。
平均節省燃料5%—25%
隨著(zhù)國際航運向著(zhù)脫碳方向發(fā)展以及日益嚴格的空氣排放和氣候立法，航運業(yè)面臨重大挑戰。
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(kāi)發(fā)燃料電池等新型動(dòng)力船型;積極穩妥推動(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)二氧化碳等新型運輸船研發(fā)等。
吳力國說(shuō)，大型工程船舶是航運行業(yè)綠色低碳轉型的重要部分。綠色低碳轉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(jiǎn)單、投資回報快等顯著(zhù)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，平均節省燃料可達5%—25%。
這套船用風(fēng)力旋筒助推系統是天津海洋裝備產(chǎn)業(yè)(人才)聯(lián)盟內合作的首臺套旋筒風(fēng)帆項目。海洋石油工程股份有限公司相關(guān)負責人表示，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(lái)發(fā)展的倡議，在聯(lián)盟內形成帶動(dòng)作用。此次成功合作，將推動(dòng)天津地區的海洋裝備產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展邁上新臺階。
