建立船舶設(shè)計技術(shù)參數(shù)參照體系研究

郝金鳳，李忠剛，強兆新，何 寶，袁永生

（1.中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司，北京 100081；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

0 引言

2000年以來，我國船舶工業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，隨著造船產(chǎn)量的不斷擴(kuò)大，船型開發(fā)與設(shè)計技術(shù)有了長足進(jìn)步，具備了散貨船、油船和集裝箱船等常規(guī)運輸船型的自主設(shè)計和研發(fā)能力，實現(xiàn)了常規(guī)運輸船型的系列化、批量化接單和建造，部分產(chǎn)品已接近或達(dá)到世界先進(jìn)水平，但是仍與日、韓等造船強國有差距，并且隨著公約、規(guī)范的更新發(fā)展，尤其是減排等綠色法規(guī)的生效，船舶設(shè)計、建造的理念也發(fā)生了變化。因此，在已有技術(shù)基礎(chǔ)上，提出建立船舶關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)參數(shù)參照體系，以期形成一批引領(lǐng)國際市場需求的常規(guī)運輸船舶的品牌船型，使我國常規(guī)運輸船型綜合競爭力躍居世界前列。

本文在船舶設(shè)計原理和船舶設(shè)計發(fā)展趨勢分析的基礎(chǔ)上，建立船舶設(shè)計技術(shù)參數(shù)參照體系，在船舶業(yè)界起到技術(shù)引領(lǐng)作用。通過對船舶設(shè)計技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)影響因素的分析，給出常規(guī)運輸船型的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)指標(biāo)范圍，為我國打造常規(guī)運輸船舶的精品船型提供技術(shù)參考。

1 總體思路

總體思路歸納為以下幾點：

1）本參照體系是一個庫的概念，包括兩個部分：已造船資料、航線和碼頭、公約規(guī)范等影響因素資料庫和推薦的各船型的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)參數(shù)指標(biāo)范圍。其目的是對整個船舶行業(yè)有技術(shù)引導(dǎo)作用，促進(jìn)業(yè)界知識的共享，加強我國船舶訂單承接能力。

2）通過各種渠道收集國內(nèi)外已造船的資料，統(tǒng)計分析技術(shù)參數(shù)特點，并結(jié)合公約、規(guī)范的發(fā)展研究船舶設(shè)計發(fā)展趨勢，同時掌握市場反饋信息，為確定關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)參數(shù)指標(biāo)范圍提供技術(shù)基礎(chǔ)。

3）通過分析典型海運貨物的航線特點研究其適用停靠的港口、碼頭設(shè)施條件，掌握其對船舶關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)參數(shù)的影響，為確定關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)參數(shù)指標(biāo)范圍提供依據(jù)。

4）論證確定船舶關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)參數(shù)，在已造船資料和航線碼頭資料等分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合新生效或即將生效的公約、規(guī)范的要求推薦各船型關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)參數(shù)的指標(biāo)范圍，為國內(nèi)船型優(yōu)化、開發(fā)提供參考。

本文將著重論述船舶關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定部分，并且主要針對礦砂船、散貨船、油船和集裝箱船等常規(guī)運輸船型進(jìn)行研究。

2 確定關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)參數(shù)

船舶設(shè)計過程就是論證技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性相互作用獲得最佳平衡點的過程。船舶設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括很多技術(shù)參數(shù)，可以分為主尺度、主輔機、艙容、作業(yè)設(shè)備、創(chuàng)新點等五個大方面，共有41個主要技術(shù)參數(shù)（表1）。

表1中41項是礦砂船、油船、散貨船、集裝箱船的主要技術(shù)參數(shù)，全面表征了船型性能水平和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。船舶設(shè)計是螺旋式優(yōu)化的過程，是先確定總體的技術(shù)指標(biāo)再優(yōu)化、逐步完善具體的細(xì)節(jié)的工程，是不斷平衡、優(yōu)化的過程。因此在評價一型船是否優(yōu)秀，一般不需要對比船舶的每項技術(shù)指標(biāo)，而是抓住關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，評估船舶整體水平的優(yōu)越性，否則容易進(jìn)入“丟了西瓜撿芝麻”的誤區(qū)。

表1 常規(guī)運輸船舶關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)

在提出一艘新船的設(shè)計建造任務(wù)時，需進(jìn)行多方面的可行性研究，探討能達(dá)到的最佳經(jīng)濟(jì)效益的途徑以及所應(yīng)采取的有關(guān)技術(shù)措施，從而明確對新船的總體要求，通常包括：任務(wù)要求、航線要求、港口情況、機電配套、同類船型情況、公約規(guī)范要求以及船廠造價等。如果對某一標(biāo)準(zhǔn)船型進(jìn)行研究，則要針對這種船型適應(yīng)條件較廣泛、批量大的特點結(jié)合航線、港口的各方面條件做系列分析。根據(jù)船舶設(shè)計原理總結(jié)的經(jīng)驗，一般情況下主要影響因素有：載重量、航速、機型、主尺度限制條件等[1]。

在船舶設(shè)計中，港口碼頭的泊位條件和裝卸貨設(shè)備對停靠的船舶總長、型寬、結(jié)構(gòu)吃水有限制；對于裝載輕質(zhì)貨時，艙容是制約裝貨量的重要因素；集裝箱載箱量是船舶租金和運河收費的主要指標(biāo)。

節(jié)能減排是船舶設(shè)計的大勢所趨，EEDI指標(biāo)[2-4]至關(guān)重要，基于典型主力船型的升級換代、打造精品船型的開發(fā)研究，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上考慮適度前瞻的原則，需制定合理的EEDI指標(biāo)；目前，對節(jié)能減排研究較深入的有日韓等國，對于新推出的船型普遍都以CO2減排為指標(biāo)，因此本項目中在總技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中把CO2減排也作為指標(biāo)提出。總之，這兩個指標(biāo)最直接的反應(yīng)就是低油耗，推出低油耗指標(biāo)的船型，保證市場競爭力。

通過研究航線港口限制條件、公約規(guī)范的新要求、市場訂單承接需求以及同類船舶統(tǒng)計資料，并且組織業(yè)界專家進(jìn)行4輪討論確定11項常規(guī)運輸船型關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)（表2），并進(jìn)一步推薦各指標(biāo)范圍供船舶開發(fā)設(shè)計參考。

表2 船舶設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)指標(biāo)范圍

空船重量是決定載重量的關(guān)鍵指標(biāo)，影響空船重量的因素很復(fù)雜，包括高強度鋼應(yīng)用比例、建造水平和工業(yè)配套水平等多方面，如果只進(jìn)行數(shù)量上簡單對比不盡合理，因此經(jīng)過專家討論該指標(biāo)只作為參考。

3 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)換算及計算公式

航速的高低對于計算EEDI指標(biāo)、CO2減排指標(biāo)、油耗指標(biāo)有重要影響，開發(fā)船的航速可能與參考船的航速不同，這就會導(dǎo)致得到的EEDI等指標(biāo)缺乏統(tǒng)一的對比基礎(chǔ)；另外，文章第2部分確定的精品船型關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)參數(shù)中的“單運力CO2減排指標(biāo)”是新提出的一個概念，也需要進(jìn)一步細(xì)化，以便進(jìn)行更準(zhǔn)確的量化計算，進(jìn)而更合理、更有效地對開發(fā)船進(jìn)行評估。船舶航速轉(zhuǎn)換方法涉及的船舶要素如表3所示。

表3 航速轉(zhuǎn)換船舶要素表

3.1 航速轉(zhuǎn)換方法

EEDI計算應(yīng)用的是船舶75%SMCR的功率以及此功率對應(yīng)的夏季載重線吃水船速。而船舶技術(shù)指標(biāo)中所指的航速指標(biāo)一般為船舶設(shè)計吃水下，主機常用功率（通常是85%SMCR）帶15%海上儲備對應(yīng)的船速，相當(dāng)于船舶設(shè)計吃水工況功率航速曲線上的0.85SMCR×0.985/1.15功率點對應(yīng)的航速。若開發(fā)船航速實際達(dá)到的航速指標(biāo)與參考船流行指標(biāo)相同，則直接應(yīng)用其主機SMCR和相關(guān)吃水下對應(yīng)的75%SMCR點航速計算就可以了；若開發(fā)船航速實際達(dá)到的航速指標(biāo)與參考船流行指標(biāo)有差異，則需根據(jù)船模試驗報告的設(shè)計吃水和夏季吃水（通常是結(jié)構(gòu)吃水）功率航速曲線做轉(zhuǎn)化來確定標(biāo)準(zhǔn)的計算EEDI用的功率和航速。具體方法如下：在開發(fā)船設(shè)計吃水下的功率-航速曲線（由模型試驗或試航試驗得到）上查得與參考船航速指標(biāo)Vdc對應(yīng)的螺旋槳收到功率PDTt，獲得主機常用持續(xù)功率CSR和特定的最大持續(xù)功率SMCR，進(jìn)而在開發(fā)船結(jié)構(gòu)吃水下的功率-航速曲線（由模型試驗或試航試驗得到）上查得75%SMCR點航速作為Vref，用于開發(fā)船EEDI評估。主要步驟如下：

1）在開發(fā)船設(shè)計吃水下的的功率-航速曲線上查得Vdc對應(yīng)的螺旋槳收到功率PDTt；

2）用PDTt反算求得計算用主機名義功率：SMCRt=((PDTt/0.985)×1.15)/0.85；

3）在開發(fā)船結(jié)構(gòu)吃水下的功率-航速曲線上查得75%SMCRt對應(yīng)的航速。

航速轉(zhuǎn)換如圖1和圖2所示：

圖1 開發(fā)船設(shè)計吃水下主機功率-航速曲線圖

圖2 開發(fā)船滿載吃水下主機功率-航速曲線圖

計算單運力 CO2指標(biāo)時采用設(shè)計吃水下的航速，按照3.1中1）和2）的方法進(jìn)行航速轉(zhuǎn)換，獲得對應(yīng)的功率值，進(jìn)而求得相應(yīng)的油耗值。

3.2 CO2減排計算方法

CO2減排指標(biāo)是開發(fā)船與參考船進(jìn)行比較而言的，但是開發(fā)船與參考船相比載重量也有變化，往往是目標(biāo)船的載重量增大，這對于衡量CO2減排來說是有利因素，因此本計算方案采用開發(fā)船單位載重量下的 CO2減排與參考船單位載重量下的 CO2減排比較，即單運力CO2減排指標(biāo)，其計算公式為：

其中：2coE為單運力CO2減排指標(biāo)。

CO2減排計算涉及到的船舶要素如表4所示。

為簡單起見，評估可以僅僅應(yīng)用相同航行工況(85%SMCR帶 15%SM 設(shè)計吃水航速)和主機工況(85%SMCR，427000kJ/kg燃油熱值，ISO標(biāo)準(zhǔn)氣溫等)下的推進(jìn)主機日油耗降低比例來判定 CO2減排達(dá)到的比例。

評估也可以采用綜合分析法。若確有新開發(fā)船應(yīng)用實效CO2減排技術(shù)的如岸電系統(tǒng)、航行中的清潔燃料應(yīng)用、航行中的余能應(yīng)用等而減少了航行中主機排放或鍋爐排放或碼頭期間的發(fā)電機排放，則允許對此船采用航次周期綜合排放評估的方法。可以考慮航次周期在港時間、航行時間、航速、載貨量等開發(fā)新船與參考船都相同情況下以及顧及合理的不同工況時間權(quán)重及有關(guān)減排技術(shù)應(yīng)用時間權(quán)重來評估CO2減排比率。

4 船舶設(shè)計技術(shù)參數(shù)參照體系階段性研究成果

通過收集已造船資料、分析航線港口、公約規(guī)范、市場反饋等影響因素初步建立了常規(guī)運輸船型的資料庫，并且經(jīng)過業(yè)界專家多輪討論給出了九型精品船型設(shè)計技術(shù)參數(shù)指標(biāo)范圍。九型精品船型包括：40萬噸級礦砂船、20萬噸級散貨船、11萬噸級散貨船、9萬噸級散貨船、32萬噸級油船、16萬噸級油船、11萬噸級油船、5萬噸級油船、4600TEU集裝箱船。指標(biāo)確定原則是在主流船型主尺度下考慮了開發(fā)船型在當(dāng)前流行船舶航速下EEDI指標(biāo)滿足到2025年前的規(guī)則要求。

確定各指標(biāo)的范圍，主要采用的方法有以下幾種：

1）已造船統(tǒng)計資料分析法；

表4 CO2減排計算船舶要素表

2）港口、碼頭、運河等限制條件分析；

3）收費限制條件分析；

4）公約規(guī)范要求；

5）訂單市場反饋；

6）專家經(jīng)驗建議。

經(jīng)過造船工程學(xué)會組織4輪專家討論后，確定了九型精品船型關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)指標(biāo)范圍，該指標(biāo)范圍為九型精品船型開發(fā)課題任務(wù)書評審提供依據(jù)，引導(dǎo)其船型開發(fā)方向。

5 結(jié)束語

本文論述了船舶設(shè)計技術(shù)參數(shù)參照體系建立技術(shù)，經(jīng)專家討論確定了階段性指標(biāo)，對技術(shù)發(fā)展有引導(dǎo)作用，為船型優(yōu)化升級和船型開發(fā)提供參考。

參照體系在其船型適用性、指標(biāo)階段性等方面還存在不足和局限性。隨著船舶規(guī)范、設(shè)計技術(shù)、市場需求的發(fā)展變化，不斷完善，保持其先進(jìn)性，發(fā)揮指導(dǎo)意義。主要從以下5個方面開展完善工作：

1）密切跟蹤新公約、規(guī)范的制定和實施，分析其對船舶關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的影響及對設(shè)計理念的影響，根據(jù)需要更新參照體系中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2）及時掌握不同船型航線、港口、貨源等的變化，研究其對船舶關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的影響，根據(jù)需要更新參照體系中的相關(guān)數(shù)據(jù)，不斷完善。

3）持續(xù)關(guān)注節(jié)能減排的先進(jìn)設(shè)計技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展，跟蹤其對EEDI等指標(biāo)的影響，修改相應(yīng)指標(biāo)，保持本指導(dǎo)文件的先進(jìn)性。

4）持續(xù)收集新造船資料，擴(kuò)大樣本船資料數(shù)量。

5）進(jìn)一步建立除九型精品船型以外的其它船型數(shù)據(jù)庫，擴(kuò)大船型適用范圍。

[1]程斌, 潘偉文.船舶設(shè)計教程[M].上海: 上海交通大學(xué)出版社, 1988.

[2]IMO.RESOLUTION MEPC.203 (62), Amendments to the Annex of Protocol of 1997 to Amend the International Convention for the Prevention of Pollution From Ships, 1973, as Modified by the Protocol of 1978 Relating Thereto [S].2011.

[3]IMO.MEPC.212 (63), 2012 Guidelines on the method of calculation of the attained energy efficiency design index (EEDI) for new ships[S].2012.

[4]IMO.MEPC.214 (63), 2012 Guidelines on survey and certification of the energy efficiency design index (EEDI)[S].2012.

[5]中國船級社.船舶能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)驗證指南[S].2012.