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耙吸挖泥船优化设计 - 国际船舶网 耙吸挖泥船优化设计 如何利用投资取得最大效益 Andre Kik 摘要: 疏浚市场不断变化。因此，在疏浚设备和技术方面迅速占得先机对疏浚公司来说至关重要。新技术也会创造新的市场。例如，超大挖深能力或新一代超大型耙吸挖泥船已经催生了新的市场。 能够抢得先机对于投资最先进的现代设备至关重要。交货时间和建造过程中设计的可修改性也同样重要。 过去十年，西欧疏浚承包商们的精力主要集中在针对不同市场类别的专门化上，而中国疏浚公司则强调适应性，选择了多用途耙吸挖泥船。 如果挖泥船的适应性很高，则其重量和投资也相应增加。这意味着使用成本较高而运输能力较低。另一方面，适应程度高，能力利用率就高，从而可以大幅度降低使用成本。 投资后对使用成本的优化始终非常重要。如果对某些设计要素，如浅吃水或航行速度的要求太严格则将导致不经济的设计。通过改变功能要求和进行使用计算可以搞清楚设计要素的作用。 开始设计前，必须根据该挖泥船今后将主要承担的工程类型来确定其功能要求。 借助于一项综合研究课题和新开发的设计工具，如今人们可以为一项设计任务找到最有利的。 我们对泥舱装载过程的研究结果对我们当前深入理解泥舱的设计所起的作用可以作为设计优化的一个范例。现在已经明确在泥舱大小和疏浚设备之间必须达到一种平衡。 其他的范例是关于船体优化和改进推进效率的研究。可以采用新技术来预测波型和船艉周围的水流。 本文将通过一些典型设计来说明主要技术指标、装机功率、疏浚设备和其他一些起点的变化对所示范例的开发性能具有什么影响。 关键词:自航耙吸挖泥船 优化设计 使用成本 市场要求 泥舱装载 船体优化 前言 开始设计前，必须根据该挖泥船今后将主要承担的工程类型确定其功能要求。为了获得最优方案，疏浚公司需要通过着眼于市场的机会、当前世界的疏浚船队、市场的趋势以及自身船队的结构来分析市场。 为了在中选择最合适的船舶，必须对未来最有可能承担这类工程的合宜挖泥船描绘出其大体的轮廓。当然，人们必须决定究竟选择适应性强的船舶还是选择更专门化的船舶。然而即使是一艘专门化的船舶，要能够针对疏浚市场的变化预先采取对策是十分重要的。 一个重要的方面是设计的平衡。设计中新技术的开发必须适合挖泥船的总体要求。此外，建议不要安装近几年内不会用到的各种功能的设备或比选的设备。在这种情况下，可以考虑预先采取一些以便今后有需要时再行安装。 市场要求一旦明确后，就可以确定挖泥船的功能要求。在这一投资阶段，至关重要的是要确定什么是必需的，什么是无关紧要或不太重要的。利用使用计算，可以对某些设计要素 1 的作用加以量化，使船主能够选择最经济的设计。使用成本的优化非常重要。如果对某些设计要素，如浅吃水或航行速度之类的要求太高，则将导致不经济的设计。通过改变功能要求和进行使用成本计算，可进一步明确各设计要素的作用。 利用一项综合研究课题和新开发的设计工具，当今人们可以为一项设计任务寻找到最有利的方案。值得一提的设计优化范例是泥舱装载过程的研究成果对泥舱最新的深入设计所起的作用。现已明确泥舱的大小和挖泥设备之间必须达到一种平衡。其他的一些范例是对船体优化和改进推进效率的深入了解。新技术已在预测船艉周围的波型和水流中得到应用。 本文将借助于一些典型的设计来说明起点的不同会对使用性能产生何种影响。 市场趋势 确定哪些要求必须得到满足的一个重要因素是市场趋势。人们不仅要了解未来的疏浚工程，还要了解世界疏浚船队的发展。本文在以下的章节中将对某些市场趋势进行讨论。 , 船舶尺寸 设计过程中最重要的起点是船舶尺寸。由于远东大型吹填工程的需要，使舱容大幅度增 3长。各年耙吸挖泥船的最大尺寸如图1所示。到1994年，挖泥船的最大舱容量限定在11000m左右，载重量为17000t。“珠江号”是第一艘超大型挖泥船。随后挖泥船的规模增加到舱容量 33为33000m，载重量超过60000t。不久的将来，“Vasco da Gama”号的舱容将扩大至44000m。 最大舱容 舱 容 建造年份 图1 舱容量和装舱泥浆的设计比重决定了挖泥船的运输能力。 , 专门化与适应性 2 过去十年，西欧大型疏浚公司强调针对不同市场类别的设备专门化。造成这一局面的原因是自航耙吸挖泥船数量的迅速增长和设备的合理比例会提高其竞争力的事实。只有在某一区域拥有大量挖泥船的疏浚公司才能做到这点。专门化挖泥船的实例就是用于吹填工程的大型挖泥船(“Vasco da Gama”号、“HAM 318”号、“鹿特丹”号)和用于海岸防护工程的挖泥船(“Volvox Olympia”号、“HAM 317”号和“Coastway”号)。 中国的疏浚公司强调适应性强，因此选择了多用途耙吸挖泥船(如“通坦”号、“新海龙”号)。 如果挖泥船的适应性要求高，则需要安装较多的设备，其重量和投资就比较高。这意味着投资成本较高而运输能力较低。另一方面，适应性强，能力利用率就高，这可以大幅度降低使用成本。 此外，在基本设计中预先采取的一些措施也可以对挖泥船的适应性起到积极的作用。例如，在设计中可以考虑对舵、艏推进器或其它构件采取一些额外的措施，使其今后有可能采用动态跟踪(DT)系统。又如，为今后加长船体预先采取一些措施。 有时，根据极端要求设计出的船舶使其可以承担其它船舶无法完成的任务。这使该船在市场上具有独特的地位，但同时也会使其在专门化程度不是很高的疏浚工程中的生产成本增加。 , 疏浚设备 90年代中期，疏浚设备按比例增大以便与新一代超大型自航耙吸挖泥船相匹配，但是现在这种发展趋势已近结束。 这是由于疏浚设备性能的提高。利用新技术可以获得更高的泥浆浓度和泥泵产量。 正是由于过去10年的研究成果，使疏浚设备的性能得到了提高。泥浆的平均浓度现已达到50,甚至更高。这就使最新的挖泥船可以安装较小的设备。 造成使用较小疏浚设备的另一个原因是航行距离越来越远。尤其是在远东地区的吹填工程中，所设计的挖泥船都具有较大的运输能力。由于在整个疏浚周期中装舱时间所占比例的下降而使其重要性也有所下降。 体现这一趋势的例子有“珠江”号、“WD Fairway”号和“Vasco da Gama”号等挖泥船。这些超大型挖泥船加长后，使舱容量增加到160,，但其疏浚设备并未改变。 过去，疏浚设备还经历了另一变化。20年前，只有最小型的挖泥船才安装一根耙吸管。 3现在，为西欧疏浚公司建造的舱容量高达20000m的挖泥船也安装一根耙臂(见图2)。 3 安装一根耙吸管的挖泥船 建造年份 图2 3 转折点大致在舱容约10000m规模处。 采用一根耙吸管的主要好处在于投资成本和维修成本都比较低，而且单个耙头还可以获得较大的拖曳力。不过，挖泥船的冗余度较低，挖泥时的偏航角较大。同时，在大多数情况下，装舱时间较长。但是，借助于使用成本计算结果可以确定最经济的方案。 , 泥舱的几何形状和底部抛泥区域 一般来讲，泥舱的几何形状可以分为两类:V形泥舱和具有两排泥门的泥舱(见图3)。1998年以前，大多数挖泥船都具有双排泥门。这些船舶用于各类工程。1998年建造的“HAM 317”号和“Vasco da Gama”号采用了V形泥舱。这种泥舱形状的主要好处是残留泥沙少。但是，这些船不宜于抛卸粘性较大的泥沙。此后，用于吹填工程的挖泥船大部分都采用V形泥舱。在大多数情况下，这些挖泥船主要用于艏吹或艏喷。 , 装载系数 另一个明显的趋势是装载系数(泥舱的设计比重)的增大。这一点从新一代挖泥船的用途就可以看出。过去5年间，主要建造的都是用于吹填工程和海岸防护工程的挖泥船。 吹填工程使用的挖泥船主要用于运砂，一般都是在泥舱中沉淀性良好的中砂~粗沙。因此挖泥船不需要很大的泥舱，但是其运输能力很重要。 用于海岸防护工程的挖泥船主要也是用于运输中砂~粗沙。这些典型的荷兰挖泥船专用于将砂运输到非常接近海岸处。这就是为什么这些挖泥船必须在非常浅的水域作业的原因。在对吃水没有严格限制的情况下，为使这些挖泥船经济上更合算，其最大吃水对于海岸防护工程的要求来说要达到比较大。由于这一原因，这些挖泥船必须能够在部分装载的条件下工作。为了使泥舱内所装载的泥沙顶面在部分装载条件下高于海平面，就不能将泥舱造得太大。从 4 图3中可见V形泥舱内泥沙的顶面较高(因而泥舱较小)。 图3 泥舱较短或较窄也会使泥沙顶面增高，使装载系数增大。 , 船体线型 过去20年，船体线型有了很大的发展。船体线型的丰满度不断增大，方型系数达到约0.86甚至更大，而船舶的速度也在增大。船长与船宽之比平均降至5.2。 采用新技术对船体线型进行了优化，使推进效率更高而阻力更小。同时船舶产生的波浪也大幅度减少。过去2年间，人们已经可以预测船艉附近的波型和水流，后者对于振动和噪音来说尤其重要。 球鼻艏的选择取决于诸如航行速度的重要性、船行波的限制高度和艏吹的可能性等因素。 球鼻艏使挖泥船的投资增加但也使产量增加。 , 自动化 自动化能够更好地监测疏浚过程，也能更好地对这些过程加以控制，从而提高挖泥船的产量。很重要的一点是使疏浚过程与其它过程的集成。 由于新技术的发展，人们已经能够实施基槽开挖或精确疏浚等工程。 , 维护 最后必须提到的趋势是致力于提高挖泥船的可靠性和减少系统的维护。减少维护和提高可靠性可减少停工时间和增加年产量，因而可降低每立方米的成本。 这可通过在疏浚系统中采用耐磨材料和提高机械的安全系数来实现。这会增加投资并减少初期产量(载重量减少、可用功率减少)。而且，造船经验和现代有限元法计算使人们能够优化钢材抗疲劳的结构。 同时，新的自动化技术使人们能够监测船舶、提前预防故障。综合各种监测系统以及关于材料和设备的知识，就可以建立一个维护管理系统。此外，物流也可以纳入这一系统。 采用这些系统，可以缩短停工时间，并可以更好地安排维护工作。 有些疏浚公司在提高可靠性方面投资较多，希望通过减少维护和停工时间以及增加年产量来得到回报。有些疏浚公司则选择低投入，而接受较多的停工时间。 由于船舶的复杂性，今后比较专业性的维护工作可能要转包给专业公司。 , 结论 以上所提及的趋势中有两点很清楚。首先，新技术的发展使挖泥船更具竞争力，使年产 5 量增加而维护量减少。第二点，挖泥船更趋专门化，功能要求也越发专业化。 , 通过使用计算进行优化 找到适合某一市场需求的最佳方案的一条有效途径就是通过使用计算对各方案进行比较。不同工况下疏浚成本取决于对各种成本和挖泥船产量的预测。疏浚设备制造商和疏浚公司必须密切配合，确定实际的投资和运营成本。因此，强调使用成本并把投资作为起点的指标是很重要的。 使用成本可分为下列几部分: , 投资费用 投资费用来源于初期的投资支出如利息和折旧。经济使用寿命、利率和残值决定了年度投资费用。这些费用是固定的，很容易预测。投资费用是年度成本的主要部分。因此忽略次要特点而将注意力集中到符合挖泥船使命要求的主要功能上很重要。投资费用大约为25-40,。 , 燃料费用 燃料费用取决于所使用的功率、油耗和燃料价格。重油比船用柴油便宜但需要较大的投资。大多数使用计算明重油设备的使用成本低，尤其是对于较大型的耙吸挖泥船。因为年产量主要取决于所使用的功率，最好利用最大装机功率。燃料费用约占15-25,。 , 修理和维护费用 确定修理和维护费用最困难的一个方面是设计和维护及停工时间之间的关系。利用统计学预测维护不可行，因为统计数字不能表达投资和维护之间的关系。通过疏浚设备制造商和疏浚公司之间的密切合作可以进行更切合实际的预测，制造商可以计算更换易损件的价格而疏浚公司可以规定关于机械和船体磨损和维护的数字。计算疏浚系统的流量就可以估计磨损等维护要素。多数情况下，设计中选择过高的安全性往往是疏浚公司基于经验的一种情绪化的因素。修理和维护费用约占15-25,。有些情况下，这笔费用可以非常高，这是由于疏浚土非常尖锐和粗燥、材料的非耐磨性或其他极端条件所造成的。 , 船员费用 一般很容易确定船员费用。疏浚公司凭其经验可以确定某一平均需要的总船员数。大多数情况下，在比较各方案时这一数字是不变的。与其他费用相比，船员费用相对较低，约占10-20,。 , 保险费 保险费由总投资而定，约占3-5,。 , 其他费用 其他费用如管理费或调遣费等，假定它们在所有设计方案中都是相同的，因此在比较中意义不大。 , 优化方法 当定义了功能要求后，就可以进行基本设计了。采用预算的方法进行。船舶的整体价格和性能已经确定下来。这些数字并非最终数字但具有一定的精度，预算设计适用于不同方案 6 的计算。与预算设计相比，非常精确地计算出与比选方案的差异非常重要。例如，如果需要对一台潜水泥泵作出决策，那么确定一艘超大型挖泥船的准确投资的意义就不大。而另一方面，非常精确地确定潜水泵方案的价格差异和性能就显得很重要。 基本设计一旦完成后，就可以进行比选方案的设计。船舶的要求、挖深、载重量、艏吹距离、土壤类型和吃水等保持不变。有些情况下，这会引起舱容量的一些变化。例如，一艘 3载重量为15000吨和舱容量为10000m的挖泥船，其泵舱位于船艉。在设计中使舱容量最大化很重要。因此，在船舶尺寸不变的情况下将泵舱放在船艏的比选方案可使舱容量增大。 当确定一个比选方案后，必须考虑各种后果。一个小小的变化就会引起对基本设计的多处变动。所有这些变动的结果都必须在挖泥船价格和性能中加以计算。 实践表明投资最大的方案的使用成本最低。见图4。 使用成本与投资的关系 使用成本 投资 图4 为了确定最经济的方案，最好使设计出的各比选方案具有大致相同的投资。一艘装机功率高的挖泥船必须与一艘功率较低、尺寸较大而建造价格相同的挖泥船进行比较。 当对某一方案作出了选择，就可以进一步进行优化。在这一过程中，每次只能改变一个参数。每改变一次参数就必须进行一次使用计算。计算中，挖泥船制造商和疏浚公司之间必须密切配合对挖泥船的维护和舱容的利用情况进行预测。 优化也会引起对要求的改变。例如，如果船舶型深的增大会造成重量和成本的略有增加，那么建议增大船舶的最大吃水(如果需要的话可以限制波浪弯矩)。在这种情况下，船舶的运载能力有可能得到提高而成本则增加不多。如果水深受到限制，该船将在部分装载的状态下作业。尽管利用全部舱容的周数有限，但这从经济上讲依然非常合算。 如果优化方法运用正确、使命要求明确，就能得到一个切合目标、均衡良好的设计方案。 , 挖泥船优化的新技术 7 新技术会使挖泥船效率更高。那种认为无论何时所有新技术都会使挖泥船效率更高的想法是一种误解。对于每一个设计，都必须对新技术的正反两方面加以权衡。 过去两年中，已经开发了各种新技术，用于计算某种疏浚设备的产量并作出正确选择。此外，也开发了各种技术以优化挖泥船。 以下将介绍一些新技术。 , 泥舱装载和疏浚设备 为了确定最经济的疏浚设备，对泥沙在自航耙吸挖泥船中的沉积进行了综合研究。为此，在IHC荷兰公司的实验室内建立了一个大比尺试验设施。这项研究的结果是对沉积过程描述的改进。其中一个主要的结论是当挖细沙时，泥舱的产量取决于舱内沉积泥沙床面的上升，而床面的上升主要取决于浓度、泥沙类型和(由大流量引起的)紊流量。 在计算最佳流量时，该流量必须满足这一沉积过程的需要(入舱产量应大于沉积产量)，但同时也不应过大以降低对沉积过程产生不利影响的紊动作用。在细沙的情况下，能力较低的疏浚设备可能更经济，或者作为另一种选择，疏浚设备必须能够控制泥浆的流量。在对装舱过程有更深入了解的基础上，就能够计算出增大或减小疏浚设备能力的影响。一旦确定了设备的装舱时间和投资后，就能对成本加以计算，并选定最优方案。 , 船体优化 在船体优化领域已做了大量的研究工作。这使得人们对大驱动功率和肥大型船体线型的作用有了更加深入的了解。 利用荷兰造船研究所(MARIN)开发的位势流计算流体动力学(RAPID)的CFD代码进行迭代计算就可以对新造船舶的船艏和船艉进行优化。有时，值得采用球鼻艏，这样可以明显降低船舶的阻力。球鼻艏的另一个优点是具有平滑的波型。只有当设计人员能够自由设计球鼻艏时才能做到这一点。但实际上存在许多限制，如受艏吹或一定的浮心的限制。同样，球鼻艏在船舶空载时(船舶超过50,的航行时间都是如此)的工作情况也很重要。 利用荷兰造船研究所开发的粘性流计算 流体动力学(PARNASSOS)的CFD代码可以 对船艉部分进行检验。这使人们对螺旋桨和导 流管周围的复杂情况有了更深入的了解，能够 全面地对尾流区进行可靠的估算。采用这些技 术，可以使经过螺旋桨的水流更均匀，从而提 高其效率，降低噪音和振动。通过使用计算可 以计算出额外增加的速度或节省的推进功率所起的作用，但是对降低极端生成波或振动所起的作用却很难用使用计算来表达。 , 耙吸管和吊架 船舶的尺度已经有了很大的扩展。尽管这些船舶比较小的船舶更适合海上航行，但其工作性能并没有得到很大的改进。这是由于船舶的横摇和耙吸管的振动频率相互作用造成的，特别是在耙吸管的下放过程中。 8 现在已经可以计算出由于船舶的横摇对耙吸管工况的影响。在此基础上，有可能对耙吸管和吊架进行设计，从而使船舶的工作性能在投资增加有限的情况下得到改进。有时，必须对吊架加以调整或必须提高绞车的速度。 新设计可以与已有船舶进行比较，以判断其海上的适航性。尽管新设计的挖泥船的海上适航性更优异，但这很难用使用计算加以量化。 , 结论 上述进展仅是几例。有些新技术无法量化但却对船舶的设计有利。有些新进展所带来的利益可以用每立方米成本加以计算。以下将介绍一些优化范例。 , 优化范例 本部分将讨论几个参数变动的例子。 , 运输能力 自航耙吸挖泥船的方型系数与集装箱船、冷冻船或液体化学品运输船相比很大。挖泥船与其它船舶的区别在于装载物的价值。如果装载物的价值非常高，则以最快的速度运输非常重要。如果装载物较便宜，则增加装载数量、降低航行速度较合算。 Deadweight and speed versus blockco雈fici雗t载重量、航速与方型系数的关系 24600 t16.40 kn 16.30 kn24400 t 24200 t16.20 kn 16.10 kn24000 t载航23800 t16.00 kn重速 Speed量 Deadweight15.90 kn23600 t Payload23400 t15.80 knSpeed 15.70 kn23200 t 23000 t15.60 kn0.8300.8350.8400.8450.8500.8550.8600.8650.870Blockco雈fici雗t 方型系数 图6 对某一艘挖泥船来说，其方型系数是变化的。计算显示方型系数增加10,则有效载重约增加同样的数量(10,)。另一方面，方型系数增加会使速度降低约5%。这就是说增加船舶的丰满度会增加运输能力。由此可以得出这样的结论特，即在距离较大的情况下，较大的方型系数会降低每立方米的成本。 方型系数最大化的限制因素诸如与船艉丰满度有关的振动和船艏在波浪中的状态等。 , 功率和舱容量之间的平衡 如前所述，在大致相同的投资条件下比较各方案十分重要。装机功率非常高的挖泥船与装机功率中到低的挖泥船相比，人们可以发现采用了极端方案的船舶(装机功率非常高或非常低)每立方米的成本较高。 9 3 例如，对于一艘总装机功率为13000kW、舱容为10000m的挖泥船，可以给出投资大致 3相同的两个方案。第一个方案的舱容量为8000m，总装机功率为15000kW;第二方案的舱容 3量为12000m，总装机功率为11000kW。比较各方案的使用成本，第一个方案与基本设计相比在航行距离短的情况下稍微有利，与第二方案相比较为有利。由于装机功率大，这一方案可以在非常恶劣的环境下工作，如大浪、密实土等。这一功率强大的船舶也可以与超大型挖泥船一起在相同的艏吹排岸线上作业。由于该船尺寸相对较小，航行速度比其它方案要高。该船的运输能力明显较低但装卸时间较短。如果航行距离较远，则装机功率高的方案每立方米成本比其它方案高得多。 装机功率为11000kW的比较方案与基本设计相比在航行距离长的情况下稍微有利。 总的来讲，基本设计的性能最佳。实际上，未来的环境条件如预期的水流条件、艏吹排岸距离等对装机功率的选择具有决定作用。 , 型深变化 3 另一个优化的范例有关船舶的型深度和吃水。对一艘5000m耙吸挖泥船，比较两个方案。一个方案的型深为8.60m、甲板带舱口围板;另一个方案的上部齐平甲板位于基面以上的高度为11.80m，。 图7 由于船舶的尺寸，船舶的纵向强度并不能决定船舶的钢板厚度。对于甲板齐平的挖泥船，最大挖泥吃水为8.25m，而甲板带舱口围板的船舶，根据国际规范对最大干舷的规定其最大吃水为7.50m。 甲板齐平船舶的钢材重量约比甲板带舱口围板的船舶重2,。如果甲板齐平船舶能装载到最大吃水8.25m，则该船最大载重吨位比带舱口围板的船舶高20,。 图8 10 如果吃水没有受到限制，则航行距离为5海里时甲板齐平船舶的每立方米成本约低3,(见图8)。如果吃水受到限制的情况在航行距离为5海里的工程中不到60,，那么建议采用甲板齐平的船舶。在航行距离大的情况下，甚至更有利(当航行距离为25海里时，在吃水受限制的情况达70,时都有利)。在航行距离为25海里和吃水不受限制的情况下，每立方米成本约低8,。 本例中，两种方案的耙吸管都位于舱口围板甲板层。有些情况下，耙吸管位于舱口围板旁，这样可操作性更好。 结论 要找到最优方案，确定挖泥船的使命要求非常重要。尽管牢记这一点很重要，在提出要求时具有一定的灵活性也很重要。 新技术、因研究和新计算方法而获得的更多知识使当今人们能够优化挖泥船的设计。然而在很多情况下，很难以使用成本来判定最优设计和对新设计加以量化。挖泥船制造商和疏浚承包商的喜好或观念经常左右各种选择。是否以更利于维修的观念来投资常取决于船主的经验和哲理。在其他一些情况下，很可能找到最优方案。进行优化时，仅对有限的参数加以修改，但依然有必要分析这些变动对总设计方案的影响。 在同一投资水平上对各个方案进行比较十分重要。投资较高的方案在大多数情况下会降低每立方米的使用成本。例如，要在挖泥船的大小和装机功率之间找到优化平衡点，必须比较两个投资相同的方案。装机功率较大的方案尺寸会小些。 可以肯定寻找最优设计的过程是非常复杂的。这需要疏浚承包商、船厂和分承包商之间的大力合作。在荷兰，有一个非常强大的疏浚产业群，其中研究机构、疏浚承包商、船厂和分承包商起着重要的作用。 设计过程中，必须将重点放在技术方面，而商务方面则留待以后阶段考虑。 认为一切风险都可以不考虑只是一种幻觉。一旦一个疏浚公司决定投资，始终存在着市场如何发展的风险。疏浚公司的进取精神在公司的成功中起着重要的作用。 朱雪莲译自“Design Optimization of Trailing Suction Hopper Dredgers – How to achieve the maximum result with your investment”, Andre Kik, Proceedings of the First Chinese International Dredging Congress, pp429~442. 林风校审 11