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最新船舶技术盘点

新闻来源:中国船检    浏览量:1124 李源 2016-09-08
        恩格斯曾对人类需求与科技发展的关系做过表述,社会一旦有技术上的需要,则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。在船舶行业,人类需求可以归纳为:增加安全性、可持续发展和减轻劳动量三类。船舶行业的技术进步围绕着三种需求在持续发展,其中最主要的有五项,分别是智能技术、环保技术、极地装备技术、海洋资源利用技术及新材料应用技术。
        智能技术
        智能技术成为船舶行业热门话题是从德国提出“工业4.0”概念开始的。“工业4.0”为整个工业界提出了一个新思维,将制造业向智能化转型,被认为是继蒸汽机应用、规模化生产和电气、电子信息技术等三次工业革命后的第四次工业革命。“工业4.0”就是将产品研发、生产、物流和客户通过智能网络联系起来。因为对整个工业界影响深远,其他制造业大国也纷纷推进相应战略,例如法国的“新工业计划”、英国的“制造2050”战略,日本的“制造业竞争策略”以及中国的“中国制造2025”。
       《中国制造2025》中指出,至2025年中国全面建成数字化、网络化、智能化、绿色化设计制造体系。LR发布的《2030年全球海事技术趋势》也指出:大数据管理和分析将越来越重要,它将对海运业产生重要影响。
        智能技术并非一项单独的技术,它融合了“大数据”、“物联网”以及“人工智能”等多项先进技术,智能技术应用在船舶行业可以产生智能设计与建造、智能船舶等多个方向的新技术。
        1、智能设计与建造
        智能设计与建造并非一个全新的话题,目前美、日、韩、欧等国家在船舶设计时普遍采用三维设计建模,在信息的集成和共享方面采用产品数据管理系统,实现了协同设计和生产。
        日本船企早在上世纪八十年代就组织力量自行开发了造船信息集成系统,一些先进船厂基本上都已采用CIMS(计算机集成制造系统)实现了数字化造船。韩国各大船企广泛引进欧美的造船辅助系统,并结合自身特点自行开发了造船CIMS,取得了显著的成果,大大缩短了船舶设计建造周期。除了设计阶段,三星重工将IT技术应用于造船生产工艺流程,构筑船厂统一的计算机网络管理控制系统,从船用钢材加工、船体分段焊接、搬运和组装全过程均由计算机系统操控,无线波频识别、条形码、无线通信、卫星定位等技术被广泛采用,并在建造过程大量使用“机器人”技术,使造船自动化率达到62%,为世界同行的最高水平。
        美国政府在军用船舶建造中推进了MARITECH计划,借助先进的IT理论和技术,以敏捷制造思想为指导,应用虚拟企业、虚拟产品、虚拟制造的全新船舶建造方式,实现了快速、精准、灵活、低成本、高质量的舰船生产。
        欧洲造船界推行了SEASPRITE项目, 通过Virtual Ship-ROPAX 2000信息平台将12个国家的48个企业、公司、研究机构整合起来,形成虚拟企业联盟,从而大大缩短了研制周期,提高了产品质量。
        我国船企在设计过程中3D建模已得到应用,但还远未实现全过程的三维设计,同时设计与建造仍作为两个独立的系统分别运作,未能形成协同操作,没有将设计成果直接应用于建造。在设计建造的某些阶段应用了数字化,但综合考虑从设计到建造的全过程,数字化程度还较低。
        未来,智能技术将贯穿整个设计、物流与建造的全过程,应用三维技术、虚拟设计技术及大数据技术,协同推进船舶设计和建造,减少工作量,提高设计建造精度。
        2、智能船舶
        智能船舶整合了传感器、大数据分析、通信技术和先进材料等各项技术,具备感知能力、评估分析能力、决策预策能力以及学习成长能力。目前许多船舶都具备感知能力,但是这些感知都是相互独立的,数据并没有融合;而在评估方面,现在的评估都是针对诸如远程监控、油耗分析、监控报警等某一个独立的问题,还无法满足基于任务目标最优化的综合分析要求;而在决策方面,目前仍然是独立设备、独立系统的反应,无法形成预测性和协同优化的行动机制。因此,智能船舶的发展首先应该填补智能评估系统这项空白, 即先学会思考,再以此为基础,按照智能评估的需求整合和补充感知功能,结合智能评估的能力和船上活动需要,改进现有的行动控制功能。
        现代重工于2011年3月推出世界第一艘智能船“Smart Ship 1.0”(智能型船1.0),这艘4500TEU集装箱船的船东为马士基集团,采用了现代重工及韩国电子通讯研究院(ETRI)共同开发、被选为IEC国际标准(IEC 61162-450)的“有/无线船舶综合管理网通讯技术”(SAN:Ship Area Network)。目前该公司正在这一基础上开发“Smart Ship 2.0”,并专门设立了“造船海洋IT整合革新中心”,专门负责IT技术与造船、海工装备相融合的技术研发。
        现阶段智能船舶研发还只是处于初级阶段,或者说实现了局部的智能化。未来智能船舶的发展趋势是利用传感器、船岸一体化等技术产生大量信息,这些信息通过高水准的数据分析系统作出最合适的决策,并且随着收集的数据量的增加,系统功能进一步增强,同时利用机器人技术替代人力操作,产生半自主船舶或全自主船舶。
        环保技术
        船舶的环保技术发展很快,从提出这一概念到成为行业的主流发展方向仅用了几年时间,随着规则的陆续生效,船舶具备环保性能将成为一种普遍的要求。并且随着技术的进步,对环保指标的要求将越来越高。对我国来说,不仅国际航行的船舶具备良好的环保性,内河航行的船舶也将逐步具备相同的环保性。除了采取各种措施减少排放,现在的技术已经在设想主动捕获排放的温室气体,并将其输送、封存到安全的场所。
        1、以清洁能源作为动力
        现阶段船舶使用的清洁能源主要是LNG,在欧洲水域运营的内河客滚船已在使用LNG作为替代能源,远洋运输船上双燃料的应用已经较成熟。截至2015年3月底,全球共有59艘在营船舶使用LNG 燃料,另有80艘LNG 燃料动力船订单,另外,第一艘LNG加注船将于明年交付,目前市场还有7艘订单。为迎接LNG动力船舶时代的到来,IMO《国际使用燃气或其他低闪点燃料船舶安全规则》(IGF-Code)将于2017年实施。随着市场的呼之欲出,船级社已经开始提供“LNG ready”认证服务。2015年4月采用纯LNG 动力的3100箱集装箱船在美国General Dynamics NASSCO的船厂下水,成为世界首艘仅采用LNG动力的集装箱船。未来,船舶大比例采用LNG作为燃料还需要一个较长的发展过程,需要解决诸如基础设施建设等实际问题,不过LNG作为船舶燃料已成为全球趋势。
除了LNG,其他清洁能源也将随着相关技术问题的解决得到越来越多的应用。
        2、碳捕获与封存
        碳捕获与封存(CCS)是将已排放的CO2在其进入大气之前将其捕获,然后进行输送并封存在安全的场所。该技术被国际能源署和其他国际机构认为是解决全球气候变化问题的一种关键手段。国际能源署2009年的计划是:至2020年碳捕获与封存项目能大规模开展,2050年全球投入1万亿美元用于碳捕获与封存。
        对船舶排放的CO2也可以通过这种方式进行处理。2009年,DNV与PSE公司合作,开始了海运碳捕获和储存项目。并于2013年发表了项目研究报告。此项目已经成功开发了船载二氧化碳捕获的设计理念。从烟道气体中分离出CO2的化学吸收装置、使用制冷剂压缩并冷凝捕获CO2的液化装置、以及暂时存储液态CO2的两个储罐共同组成了该系统。结果表明这个理念在技术上是可行的,且能减少高达65%的船舶CO2排放量。对一艘油轮来说,它每年可以捕获超过70000吨CO2
        另外,其他重工业燃烧化石燃料也产生大量的CO2,如果采用碳捕获与封存技术,中间必不可少地需要运输二氧化碳,使用船舶运输二氧化碳被认为是一种合理选择。2010年马士基、现代重工和挪威船级社已开始在二氧化碳船舶运输的设计和风险评估方面展开合作。目前由于全球经济下行,缺乏开发资金,碳捕获与封存项目遇到了一些障碍,但是长期看来,这是未来技术发展的一个重要方向。
        极地装备技术
        北极地区蕴藏着丰富的油气资源,2008年美国地质调查局发布《环北极资源评估报告》,评估结果为:北极地区有望新增石油储量900亿桶,新增天然气储量50万亿立方米,新增天然气凝析液440亿桶,新增储量84% 来自海洋。2010年来自俄罗斯科学院的数据评估表明,在21世纪后半叶,北极石油超级盆地有可能提供与波斯湾或西西伯利亚盆地相当的能源。另外北极地区还存在大量天然气水合物资源。另外,与传统航线相比,北极航线将显著缩短航程,降低航行成本,随着海冰消融,未来通航能力会极大提升。
        目前在北极地区的油气开采活动主要集中在俄罗斯、加拿大、挪威及美国阿拉斯加等地。每年北极航线也有一定的通航量,其中50%左右是油船,其次是杂货船、散货船等,这可能与北极周边国家的进出口需求有关。比如俄罗斯是能源出口大国,石油需要经北极航线向外运送,又如芬兰、瑞典等国有纸浆、木材及机械设备出口需求,需要多用途船等杂货船运送。中远航运公司已经对极地航行进行了尝试,2013年该公司的“永盛”轮首航北极东北航线,航行时间27天,比传统的经马六甲海峡、苏伊士运河的航线缩短9天。2015年“永盛”轮再次航行北极,并实现双向通行,往返历时73天,比传统航线节省了23天航行时间和30%的航程。
        过去几十年里北极海冰已经呈现加速减少趋势,海冰厚度和多年冰的范围也在减小,相关气候预测结果表明,2055年后北极可能会夏季无冰,未来北极重要的航运价值、资源价值、环境价值和科学价值将会随着海冰融化得以释放,极地油气资源开采装备以及各类极地运输船将得到大力发展。
        海洋资源利用技术
        随着人类社会经济的发展,对各种资源的需求量越来越大,陆上资源面临枯竭,人类的目光势必会转向占地球总面积70%的海洋。目前人类对海洋的认识并不全面,科学界认为人类对海洋的认识还不及对月球的认识。而随着科技越来越发达,人类对海洋的探索及利用也会越来越深入。以目前对海洋的了解,人类可以从海洋获取的资源有能源,包括油、气、天然气水合物、波浪能、潮汐能、海洋温差能等;矿产资源,包括各种金属矿产及稀土等;另外还有各种海洋生物资源。
        1、海洋能源
        ⑴ 海洋油气
        能源对人类社会的重要性不言而喻,目前对油气资源的利用已经相当普遍,目前世界上仍可开采的油田中,有近一半位于海洋,对海洋油气资源开采的顺序是从陆地到浅水再到深水和极地,海洋油气开采未来的发展趋势是深水化和极地化。
        ⑵ 天然气水合物
        天然气水合物于20世纪60年代被发现,据估计,全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍,具有广阔的开发前景,目前主要是以日本、美国、俄罗斯为首的几个国家在重点研究,我国近年来也开始重视对于天然气水合物的开采和资源保护。
        日本2013年宣布成功从深海可燃冰层中提取出甲烷,成为世界上首个掌握海底天然气水合物采掘技术的国家,并希望2018年开发出成熟技术,实现大规模商业化生产。此外,美国、加拿大、俄罗斯、印度、韩国等国家政府也都分别制定了有关天然水合物的长期研究计划,计划在2018~2023年实现商业开采。我国计划2020~2030年为天然气水合物开采试生产阶段,2030~2050年进入商业开采阶段。未来天然气水合物勘探和开采装置将得到广泛应用。
        ⑶ 可再生海洋能源
        与化石能源相比,可再生能源具有永不枯竭且清洁安全的优势,采用浮式装置,在海上综合利用海洋里的各类可再生能源——太阳能、风能、波浪能、潮汐能、盐差能、温差能等,进行发电,将电能并入电网或存储在电池/燃料电池中。该技术在未来将具有可观的应用前景。
        2、海洋矿产
        目前所了解的海洋矿产有多金属结核、多金属硫化物、富钴结壳和稀土,对这些资源基本还处于勘探阶段,具备初步的开采能力。世界首艘海洋采矿船由MAC公司订购,目前正在福建马尾船厂建造,预计将于2017年底交付,交付后将用于鹦鹉螺矿业公司在巴布亚新几内亚的一处多金属硫化物矿区。
        未来随着海洋采矿技术的不断成熟,深海采矿将具备技术可行性、经济可行性以及环境可行性,从而实现大规模的商业化开采。有数据显示:全球深海采矿营收将从几乎为零爆增到100亿欧元,同时全球近10%的矿产将从大洋海底获得。
        3、海洋生物利用技术
        据估计全球藻类种类介于3万到100万之间。对藻类的利用有三种途径:① 作为食物和制药原料;② 作为生物燃料原料;③通过海藻进行废水处理。同时藻类生产和加工过程比庄稼种植效率更高。藻类生产不会产生甲烷,对天气条件的依赖比岸上农业小,是一种鲁棒性和效能都很高的食物和能量来源。
        海洋生物利用技术通过建立藻类海洋站获取和培育相关海洋生物资源,设备运行所需能源来自波浪、太阳能和风能,并可消耗沿海工厂、农场和住宅排放的废水,减少污染。同时,产生的藻类可用于食物、生物能源、肥料、制药和化妆品生产。
        新材料应用技术
        材料产业是船舶工业发展不可或缺的基础。目前船用材料绝大部分仍用钢材,一些复合材料及合金材料在船舶上有了一定的应用,尤其是对特殊性能和快速性有要求的船舶。比如军船为了追求高航速和隐身性常在部分船体采用复合材料,高速船为了获得高航速常采用铝合金船体。
        船用新材料的优势在于重量轻、可塑性强、强度高、耐腐蚀等,缺点是初始采购成本高,加工工艺较复杂,如果考虑到新材料需要的维护较少,重量轻油耗低等优点,综合衡量,全生命周期的使用成本反而会下降。有统计表明,海洋生物污损可使船舶每年的燃料消耗增加40%,由此产生的温室气体排放也会显著增加。
        很多新材料在其他工业领域已有广泛的应用,属于成熟的使用技术,比如钛在航空领域普遍应用,民用飞机的钛使用量已从上世纪90年代的2%上升到目前的15%。未来随着应用技术的提升,以及对高效、智能、环保、节能等性能要求越来越高,船舶应用新材料的比例会显著提升,一些更加先进的新材料,比如纳米材料,也会得到应用。未来的船用材料可能会具有环境感知、自清洁、自修复能力,以及更好的导电能力和外型修正能力,将为民用运输船、军用舰船及海工装备带来卓越的性能优势。
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