合理選擇18 000 TEU級超大型集裝箱船的方形系數

王志超，包 巖，王 濤

(大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116021)

合理選擇18 000 TEU級超大型集裝箱船的方形系數

王志超，包 巖，王 濤

(大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116021)

為了得到18 000 TEU級超大型集裝箱船合理的方形系數，使用經驗公式法計算某18 000 TEU級超大型集裝箱船的每日總油耗和每日單個集裝箱平均油耗，由計算結果分析獲得18 000 TEU級超大型集裝箱船最佳經濟效益的方形系數范圍，提出具有可行性的超大型集裝箱船方形系數選取方法。

超大型集裝箱船；方形系數；油耗。

隨著14 000 TEU/16 000 TEU/18 000 TEU及以上集裝箱船訂單的大量涌現，超大型集裝箱船已成為當前重要船型之一[1]。雖然船舶級別增大，但要求單個集裝箱平均能耗越來越少[2]。隨著集裝箱船的大型化和中低速化，其方形系數(以下簡稱Cb)也在變化著。通過對現階段設計建造的18 000 TEU級超大型集裝箱船方形系數統計中發現，Cb=～0.65和Cb=～0.70的超大型集裝箱船較集中。方形系數0.65與0.70對經濟效益的影響需進一步研究。

本文結合某18 000 TEU級超大型集裝箱船，考慮超大型集裝箱船的營運特點，將營運中每日總燃油消耗量(以下簡稱每日總油耗)作為參考指標，將單個集裝箱燃油消耗(以下簡稱單箱油耗)定為本文考量船舶經濟效益的主要指標，對于兩種方形系數的船型方案，在排水量及吃水有所差異的情況下進行對比分析，總結如何在設計初期根據船型需求，合理地選擇超大型集裝箱船的方形系數。

1 超大型集裝箱船的特點

船舶大型化是船舶發展歷史上的一個顯著趨勢[3]，在集裝箱船市場上，這一趨勢似乎更為明顯，超大型集裝箱船應運而生。在能源壓力越來越大的現實下，船東只會對燃油效率高、油耗低的船型感興趣[4]。

超大型集裝箱船屬于干線運輸班輪，船東對這類船舶更看重營運的規模效應，提高卸貨效率，降低運營成本，其中船舶航速和油耗指標是船東評價船舶性能的重要依據[5]。

超大型集裝箱船雖然整體油耗大，但由于其裝箱量巨大，使得單個集裝箱計算的單位油耗低，這也使得船東對該船一直保持關注[6]。

超大型集裝箱船相比于其他油船或散貨船等大型船舶，具有但不限于以下的特點。

1)超大型集裝箱船屬于快速航行船舶，其航速要超過油船或散貨船。由于超大型集裝箱船高航速和其時效性的特點，使得該船方形系數小于另兩型船舶[7]。

2)船舶方形系數是表征船體水下部分肥瘦程度的一個重要參數。對于高速超大型集裝箱船而言，方形系數對摩擦阻力的影響比較小，但對剩余阻力影響較大，而油船和散貨船正好相反。因此選擇合適的方形系數可適當降低阻力影響[8]。

2 計算方法

船舶主機單位時間的燃油消耗量[9-10]：

(1)

式中:B——船舶主機單位時間的燃油消耗量,g/h;Ps——主機發出的功率 kW；b——主機燃油消耗率 g/(kW·h)；Pe——主機有效的功率 kW；ηd——推進效率；ηs——軸系傳送效率。

船舶航速V時，總阻力Rt，根據泰勒阻力估算法，此時船舶的有效功率Pe為[11]：

(2)

式中：ρ——海水密度 kg/m3;S——船體濕表面積,m2;Ct——船舶總阻力系數；V——船舶航速m/s2;Rt——船舶總阻力，N。

綜上，船舶主機單位時間的燃油消耗量B為

(3)

則超大型集裝箱船每日總油耗Bt,(t/d)為:

Bt=B·24×106

(4)

將超大型集裝箱船每日總油耗均勻分布至每個集裝箱，既每日每個集裝箱燃油消耗量Bt,n為

(5)

式中：n——裝箱量。

3 某18 000 TEU級超大型集裝箱船計算結果

對比分析超大型集裝箱船不同方形系數和船舶燃油消耗的關系，則需要將其他參數固定化。根據不同Cb，對比某18 000 TEU級超大型集裝箱船在均質裝載工況下，載重量同異的油耗，以營運中每日總油耗為參考，而將每日每箱平均油耗作為船型經濟效益評估優良的主要考量指標。假定三艘18 000 TEU級超大型集裝箱船的空船重量及油水裝載相同，則考慮船舶排水量同異工況下，船舶濕表面積和總阻力系數不同造成油耗差異。

選取某18 000 TEU級超大型集裝箱船系列船的典型航速18、20、22 kn。在載重量相同、吃水不同和載重量不同、吃水相同兩種工況下，對比分析超大型集裝箱船每日總燃油消耗量和每日每箱平均消耗的燃油量。3艘18 000 TEU級超大型集裝箱船長寬比和長度型深比都相同，只有吃水和方形系數不同，其中TEU-1為深吃水小方形系數，TEU-2為淺吃水大方形系數，TEU-3為深吃水大方形系數。3艘船舶主尺度見表1。

表1 某18 000 TEU級超大型集裝箱船主尺度

3.1 載重量相同、吃水不同工況

由于船舶裝載油水等可變載荷，則集裝箱船的載重量可等效于其裝箱量。當超大型集裝箱船載重量相同、吃水不同時，即某兩艘18 000 TEU級超大型集裝箱船TEU-1和TEU-2，同時均質裝載10 t/TEU，20 ft標準集裝箱的裝載量為14 000箱，但由于船舶主尺度中Cb=0.65和Cb=0.70的不同，使TEU-1和TEU-2 在吃水T上有所差異稱為工況I。

按照上述油耗計算公式，得出船舶同時均質裝載10 t/TEU，在18～22 kn航速下的每日的油耗值。計算結果見表2。

由表2可見，在兩艘18 000 TEU級超大型集裝箱船載重量相同，吃水不同的工況下，Cb=0.65的超大型集裝箱船，其每日燃油總消耗和每日單箱消耗都小于Cb=0.70的船舶。而隨著船舶航速增加，兩艘船舶總油耗和單箱油耗都有所增長，但兩艘船舶從航速18～22 kn區間，每日總油耗比值和單箱油耗比值則都從93%降低至85%，減少了約8%。

表2 18～22 kn航速下的每日的油耗值(工況I)

換言之，18 000 TEU級超大型集裝箱無論如何均質裝載，都是航速越高，船舶每日總油耗和單箱油耗都越高，但Cb小的超大型集裝箱船相對于Cb大的船舶油耗增加緩慢，且兩者的差值在逐漸增加，即船舶航速越高，Cb小的超大型集裝箱在油耗方面優勢越明顯。

3.2 載重量不同、吃水相同工況

當超大型集裝箱船載重量不同、吃水相同時，稱為工況II,即某兩艘18 000 TEU級超大型集裝箱船TEU-1和TEU-3，由于船舶主尺度中Cb=0.65和Cb=0.70的不同，使TEU-1和TEU-3在均質裝載10 t/TEU，裝箱量分別為14 000箱和16 000箱。

按照上述油耗計算公式，得出船舶同時均質裝載10 t/TEU，在18 kn～22 kn航速下的每日的油耗值。計算結果詳見表3。

表3 18～22 kn航速下的每日的油耗值(工況II)

由表3可以看出，在吃水相同，載重量不同的工況下，Cb=0.65的超大型集裝箱船，其每日燃油消耗總量都小于Cb=0.70的船舶，但平均至每個集裝箱的燃油消耗卻大于Cb=0.70的船舶。而隨著船舶航速增加，兩艘船舶每日總油耗和單箱油耗都有所增長，但兩艘船舶總油耗比值從99%降低至93%，減少了約6%，而兩艘船舶單箱總油耗比值從113%降低至106%，減少了約7%。每日單箱油耗幅度大于每日總油耗。均質裝載不同重量集裝箱時，油耗與航速曲線趨勢一致。當航速小于18kn時，其Cb=0.7總油耗會比Cb=0.65的更小。

換言之，18 000 TEU級超大型集裝箱船航速越高，船舶總油耗和單箱油耗都越高，但Cb小的超大型集裝箱船相對于Cb大的船舶總油耗更少；而Cb小的超大型集裝箱船隨著航速增加，單個集裝箱平均油耗都大于Cb大的船舶，但與Cb大船舶的差值在逐漸減少，即相對于Cb大的船舶，其油耗的劣勢在逐漸減小。假設船舶航速處在中低速區間，Cb大的超大型集裝箱船在每日單個集裝箱平均油耗和每日總油耗都可能會小于Cb小的船舶。

3.3 結果分析

對于上述兩種方形系數的3種船型方案，考慮兩種情況，計算結果見圖1。

圖1 三艘18 000 TEU級超大型集裝箱船 每日總油耗和每日單箱油耗

1)當18 000 TEU級超大型集裝箱船航速區間為18～22 kn時，TEU-1每日總油耗最小，而TEU-2最大，其中18 kn以下時，TEU-3的總油耗要比TEU-1更低。

2)考慮18 000 TEU級超大型集裝箱船每日單箱油耗時，TEU-3每日單箱油耗最小，TEU-2最大。無論是考量總油耗還是單箱油耗，TEU-2都是經濟效益最差的。

3)以每日總油耗為參考指標，而每日單箱油耗為主要考量船舶經濟效益的指標，當航速區間為18～22 kn，則TEU-3為經濟效益最好,既深吃水方形系數范圍約為0.70的18 000 TEU級超大型集裝箱船經濟效益最好。

4)該18 000 TEU級超大型集裝箱船TEU-3在航速18 kn以下為最佳經濟效益區間，既每日總油耗和單箱油耗都最小。特別是集裝箱船中低速化的現在，深吃水方形系數范圍約為0.70的超大船型經濟效益會非常顯著。

4 結論

1)由于以上兩種方形系數具有超大型集裝箱船統一的特點，可適當地應用到其他超大型集裝箱船。

2)如果船東運貨量較少、且需要航速較快，即船舶周轉性快，就應該在設計初期選擇Cb較小的方案。

3)如果船東運貨量較大、且對航速要求不高，即船舶周轉性無要求，就應該在設計初期選擇Cb較大且吃水較深的方案。

[1] 羅躍華.集裝箱船舶的大型化發展趨勢[J].水運管理,2011,33(7):37-39.

[2] 仇鑫龍.中遠集團建造超大型集裝箱船技術經濟可

行性分析[D].上海：上海海運學院,2003.

[3] 段 超.集裝箱船舶大型化發展趨勢研究[D].大連：大連海事大學,2013.

[4] Bill Shi.ABS Experience in Large Container Ships[R].大連,大連船舶重工設計研究所,2011.

[5] 隋 月,王志超.試論超大型集裝箱船的優化設計[J].大連船研,2014(3):6-10.

[6] 汪玉平.集裝箱船主要技術經濟指標分析[J].水運科技信息,1999(3):16-17.

[7] 劉英良.超大型集裝箱船多工況點的最佳方形系數范圍探索[J].船舶,25(1):21-24.

[8] 胡 平,虞 賚,陳建挺.大型集裝箱船快速性研究[J].上海船舶運輸科學研究所學報，2010,33(2):93-97.

[9] 毛衛斌.關于船舶運行期間燃油成本的研究[D].大連：大連海事大學，2002.

[10] 盛振邦,劉應中.船舶原理(下)[M].上海:上海交通大學出版社，2004.

[11] 盛振邦,劉應中.船舶原理(上)[M].上海:上海交通大學出版社，2004.

Research on Rational Selection of Block Coefficient of 18 000 TEU Ultra Large Container Vessels

WANG Zhi-chao, BAO Yan, WANG Tao

(Dalian Shipbuilding Industry Co.,Ltd., Dalian Liaoning 116021, China)

The rational block coefficient of 18 000 TEU ultra large container vessel (ULCV) is studied. By experiential formula, the total oil consumption per day and average oil consumption of one container per day of 18 000 TEU ULCV are calculated. According to the results, the range of block coefficient with the best economic benefit has been gained. The feasible select method of block coefficient of ULCV is put forward for subsequent ULCV in design.

ultra large container vessel; block coefficient; specific fuel oil consumption.

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.015

2015-04-22

工信部高技術船舶科研項目

王志超(1985-)，男，碩士，工程師

U674.13

A

1671-7953(2015)06-0065-04

修回日期：2015-06-10

研究方向:船舶與海洋工程總體設計

E-mail:offshore@dsic-design.cn