基于加權單箱功率指數的集裝箱船大型化分析

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(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

隨著造船技術的發展以及各船東公司出于運輸規模經濟化的考慮，建造營運的集裝箱船型尺度迅速發展。據統計，新造船平均尺寸已從2009年的4 000 TEU增至2014年的8 000 TEU，目前新船訂單中船型尺度超過8 000 TEU的集裝箱船所占比例已經達到了82%[1]，甚至22 000 TEU集裝箱船型的訂單也已出現。同時，隨著集裝箱船大型化的發展，基于合同約定的單一工況和航速指標的集裝箱船型優化設計也在向多吃水、多航速營運特性(operational profile)的多工況優化設計的方向轉變[2-5]。

然而，如何對集裝箱船的多工況優化設計結果進行評估，目前依然沒有一個普遍接受的統一的考核指標。在近幾年與不同的船東接觸過程中，雖然船東都提出了要進行船型多工況優化，但最終考核指標卻往往還是集中于一兩個點，很難真正反映船型在實際營運過程中的整體性能優劣。另外，對于集裝箱船而言，表征其營運工況的構成有：①吃水狀態。包括設計吃水、結構吃水等；②均質箱重的載箱量。包括典型的10 t均箱、12 t、14 t等；③航速(對應功率)選擇[6-8]。

基于此，考慮以目標船型為研究對象，提出對于不同營運工況的比重進行加權考慮的單箱能耗(kW/TEU)指標——加權單箱功率指數。

1 加權單箱功率指數定義

對于營運工況進行綜合考慮，并根據各裝載狀態的比重，得到加權單箱功率指數E。

(1)

式中：P為加權功率值，kW；N為加權載箱量，TEU；k為吃水狀態比重系數，%；Pij為考察的營運功率，kW；aij為功率的比重系數，%，∑aij=1；Nij為考察的不同均質箱重的載箱量，TEU；bij為載箱量的比重系數，%，∑bij=1；ki為不同吃水狀態的比重系數，%，∑ki=1。

該指數考慮了目標船型在整個營運工況內各個裝載狀態，基于其所占的比重進行加權評估，因此能夠更合理地反映目標船型的單箱能耗情況。

2 加權單箱功率指數影響因素

集裝箱船實際營運時，有各種各樣的裝載狀態。為了便于討論且不失一般性，選擇典型的營運工況進行研究，亦即吃水狀態選擇設計吃水(Td)和結構吃水(TS)，載箱狀態選擇10 t均質箱重載箱、14 t均質箱重載箱和最大名義載箱，航速選擇典型的18 kn和22 kn。

選取典型的營運工況比重系數見表1。表中比重系數可根據船舶的實際營運狀態選取，側重點不同，比重系數也會有所差別。

對集裝箱船來說，每1個集裝箱位都可以用1個三維編碼行(bay)、列(row)和層(tier)來表示。為簡化起見，用行(bay)和列(row)來代表該船型尺度的大小，層(tier)主要影響名義箱位，對船型實際載箱量影響很小，不予考慮。

目標船型的主要船型參數見表2。這5型船都是本公司近幾年已交付或在建的超大型集裝箱船，也是該時期內市場上的主流船型，具有代表性。

表2 目標船型參數

從船型尺度、營運航速、均質箱重載箱量以及吃水狀態4個方面進行討論。

2.1 船型尺度

根據表1和表2，并聯系式(1)，計算得到目標船型的加權單箱功率指數，見表3。

表3 目標船型的加權單箱功率指數

由計算結果可知：

當然，集裝箱船尺度的選擇還要綜合考慮船舶的整體性能，如穩性、快速性、載重量等，也要考慮建造成本，航線限制和碼頭限制等[9]。盡管目前市場上對集裝箱船型大型化有不同的觀點，但由于大型化帶來的單箱能耗的降低顯而易見。而對于集裝箱船型尺度上限[10-12]，現在依然不能輕易下結論。

2.2 營運航速

假定其他比重系數不變，18 kn的比重系數由20%逐漸增加到80%，則得到的加權單箱功率指數見表4。

表4 營運航速比重變化對應的加權單箱功率指數

根據表4，得到隨營運航速比重變化的E值，見圖1。

圖1 隨營運航速比重變化的E值

隨著營運航速中18 kn航行所占比重逐漸加大，E值明顯減低。亦即降速航行能夠顯著減小單箱能耗。

2.3 均質箱重載箱量

假定其他比重系數不變，10 t均質箱重載箱量和14 t均質箱重載箱量所占比重發生變化，10 t均質箱重載箱量比重系數從20%增加至80%，14 t均質箱重載箱量比重系數從70%減少至10%，其中最大名義載箱量比重保持10%不變，得到的加權單箱功率指數見表5。

表5 均質箱重載箱量比重變化對應的加權單箱功率指數

根據表5，得到隨均質箱重載箱量比重變化的E值曲線，見圖2。

圖2 隨均質箱重載箱量比重變化的E值

隨著均質箱重營運狀態中10 t均箱的比重增加，E也隨著降低。亦即營運狀態側重輕箱裝載能減少單箱能耗。

2.4 吃水狀態

假定其他比重系數不變，設計吃水狀態比重從20%逐漸增長至80%，得到表6。

根據表6，得到隨吃水狀態比重變化的E值，見圖3。

隨著船型大型化，吃水狀態所占比重對于E的影響逐漸減小。亦即隨著船型變大，不同的吃水狀態(對應不同的載箱量)單箱能耗也不會有大的差別。

表6 吃水狀態比重變化對應的加權單箱功率指數

圖3 隨吃水狀態比重變化的E值

3 結論

加權單箱功率指數是一個開放性的概念，使用者側重點不同，該指數表征的集裝箱船單箱能耗特性也會有所差別。船東可根據自己集裝箱船隊的營運特點，明確不同的權重系數，從而了解特定營運工況下的單箱能耗。該指數更能反映船型的實際能耗情況，以此進行集裝箱船型多工況優化設計更加合理，也能提高船東實際營運的經濟性。對目標船型的加權單箱功率指數進行分析比較后認為：

1)隨著船型尺度增大，單箱能耗逐步降低。

2)降速航行能夠顯著減小單箱能耗。

3)營運狀態選擇增加輕質箱重載箱能明顯減少單箱能耗。

4)隨著船型變大，不同吃水狀態下的單箱能耗差別并不明顯。

以下問題還有待進一步分析與研究：

1)船長和船寬的變化對于單箱能耗的影響程度；

2)船型尺度的上限論證。