1 000 TEU高端綠色環保型支線集裝箱船設計分析

錢海煒，章 銳，干兆輝

（舟山長宏國際船舶修造有限公司，浙江舟山 316000）

0 引言

隨著全球溫室效應的加劇，世界各國對保護環境的呼聲日益增長，對污染源的限制要求越來越高。國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）2008年10月召開的會議對船舶廢氣排放提出了進一步的要求，并頒布了分階段實施的廢氣排放標準，針對NOx、SOx、CO2和顆粒物等的含量均提出了嚴格要求。

針對SOx的排放，目前世界各國都在嚴格限制船舶柴油機排氣的含硫量，歐洲硫排放控制區對硫含量排放要求為≤0.1% m/m；全球范圍內對硫含量的排放要求為≤3.5% m/m，到2020年的排放要求為≤0.5% m/m。使用低硫油，將大大增加船舶的運營成本，特別是常年在排放控制區內航行的船舶，這使得“普通燃料＋脫硫裝置”的方案顯得更有意義。

2011年7月，IMO在英國倫敦總部召開了會議，確立了船舶能效設計指數（EEDI）和船舶能效管理計劃（SEEMP）2項船舶能效標準，適用于2013年1月1日及以后安放龍骨的400 t及以上國際航行船舶。

為應對不斷實施的新標準、新規范，開發低能耗、低排放、低污染、高能效的“綠色船舶”是造船業發展的必由之路。

1 船型與總體方案的論證設計與分析

該型1 000 TEU集裝箱船入DNV GL船級社，為單槳單舵、并布置有斜首柱、球鼻艏和方艉、有側推；船體為全焊式，主甲板整體連續，雙層底從船艏尖艙延伸至機艙的艙壁。在進行船型選擇時，主尺度的選取是第一位，線型設計是關鍵。設計航速決定了船體的豐滿度、形狀和主要尺寸。1 000 TEU集裝箱船選取 18 kn為設計航速，因此需要尋求船長、船寬、方形系數、縱漂心、球頭形狀等參數的最佳組合，才能在此航速下取得較高的船體效率。在選擇了船體的目標排水量和設計吃水后，通過研究來確定最佳的船體方形系數。眾所周知，集裝箱船的主尺度尚需與集裝箱尺度相匹配，因而可根據選用的主尺度要素設計線型。完成線型設計后，首先要復核其排水量是否滿足規定的要求；如不滿足尚需修改線型。在達到要求后，再進行總布置和分艙，校核各艙長是否滿足布置集裝箱和機械設備的要求，以及是否滿足規范的規定（如艏尖艙長度）；如不滿足，則需適當調整主尺度。經過反復幾次選型，最終確定其主尺度。

在傳統的線型設計過程中，設計者一般只關注設計吃水的設計航速時的船舶性能指標，而對于實際船舶在運營中的吃水及航速并不關心；然而在船舶營運過程中，按設計吃水的設計航速航行的時間占比非常少，僅為1%～3%，因此即便船舶在設計吃水設計航速時的技術指標很好，也不意味著該船在實際營運中的經濟性突出。為了保證本船在實際運營中的經濟性，降低該船在實際營運中的油耗，尤其根據船東提供的該船型的操作特點，對該船的線型進行進一步優化設計，著力降低該船在常用吃水、常用航速時的油耗，提高該船在實際運營中的經濟性。

在線型的優化設計過程中，采用CFD計算方法進行優化；同時通過研究采用最新的扭曲舵+舵球的新型節能裝置設計，提高船型的推進效率，綜合考慮到螺旋槳的空泡、激振力性能，同時平衡設計螺旋槳的轉速裕度，不斷優化螺旋槳的設計，提高螺旋槳的推進效率。

利用最終優化的線型制作船模，同時采用各種節能措施，在荷蘭MARIN水池進行了備用槳船模試驗。試驗結果表明，該船的航速可達18.5 kn，大大超出預期航速要求，且試驗時艏部區域水池水面水平似鏡，獲得各方專家的好評。與同類船型相比，該船在運營過程中的平均燃油消耗降低約10%。

2 船體結構設計以及強度分析

與其他類型的海上運輸船舶不同，集裝箱船的甲板開口較大，航速較高，前后貨艙結構復雜且具有較多的橫向艙壁，對其結構設計和強度安全性帶來了挑戰，需要在設計中解決以下問題。

2.1 總縱強度

集裝箱船在航行中通常呈現中拱狀態，為了減少靜水中拱彎矩和剪力，油水艙需要布置在船舯，而此處又是堆放集裝箱的位置，因而需要妥善處理這一矛盾，以適度控制中剖面模數的需要并減輕重量。

2.2 扭轉強度

集裝箱船大開口的結構特點，導致其在承受橫向波浪載荷時，抵抗能力較差，從而需要考慮斜浪和橫浪中的強度安全性。

2.3 高強度鋼使用

高強度鋼的使用對控制板厚和減輕重量很有幫助，但是也會降低結構構件的抗疲勞強度，因而需要在設計時注意疲勞強度的強度儲備和焊接質量要求。

3 動力系統論證及分析

3.1 S Ox排放控制及解決方案

3.1.1 SOx排放控制要求

目前世界各國都在嚴格限制船舶柴油機排氣的硫含量，歐洲硫排放控制區對硫含量排放要求為≤0.1% m/m；全球范圍內對硫含量排放要求為≤3.5% m/m，到2020年的排放要求為≤0.5% m/m，如圖1所示。

自2016年1月1日起，我國設立珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域船舶排放控制區（見圖2），確定排放控制區內的核心港口區域（上海、寧波—舟山、蘇州、南通港、天津、秦皇島、唐山、黃驊港、深圳、廣州、珠海港），排放控制區內有條件的港口，可以實施高于現行排放控制要求的措施（船舶靠岸停泊期間使用硫含量≤0.5% m/m的燃油等）；自2017年1月1日起，船舶在排放控制區內的核心港口區域靠岸停泊期間（靠港后的1 h和離港前的1 h除外，下同）應使用硫含量≤0.5% m/m的燃油；自2018年1月1日起，船舶在排放控制區內所有港口靠岸停泊期間應使用硫含量≤0.5% m/m的燃油；自2019年1月1日起，船舶進入排放控制區應使用硫含量≤0.5% m/m的燃油；2019年12月31日前，評估前述控制措施實施效果，確定是否采取以下行動：

1）船舶進入排放控制區使用硫含量≤0.1% m/m的燃油；

2）擴大排放控制區地理范圍。

圖2 中國排放控制區示意圖

3.1.2 SOx排放控制常規解決方案

船舶柴油機為了達到硫含量排放要求，有 2種方法：1）需要使用硫含量滿足要求的燃料；2）若船舶航行需要在限制區域與其它區域之間來回往返，則需要轉換不同的燃料來滿足相應的排放要求。

3.1.3 安裝排氣后處理系統解決方案

安裝排氣后處理系統后（主要是添加堿性物質中和的原理），可以使用含硫量為3.5% m/m的燃料且能夠滿足在硫排放控制區的硫排放要求；而在非排放控制區域，則可以關閉后處理系統，操作簡單，比較靈活。

該船主機排氣系統安裝脫硫后處理系統，在使用普通燃油的情況下，能夠使主機排氣硫含量達到≤0.1% m/m，滿足目前最嚴格的硫含量排放要求，如圖 3所示。本船配置的脫硫系統為組合系統（開式系統+閉式系統），船舶航行在零排放限制區域，當海水堿度不夠、海水臟污的時候使用閉式系統；航行在其他限制區域的時候使用開式系統。

圖3 柴油機排放后處理系統（組合系統：開式系統+閉式系統）

3.1.4 經濟性對比

基于目前的低硫燃料價格水平測算，安裝脫硫系統的成本回收周期大約為4年～5年，使用普通燃料＋脫硫系統比使用低硫燃料每年可節省約30萬美元，且可減少大氣污染。長期來講，油價一旦上升，便更具有優勢。

1）普通燃料（硫含量3.5%）：138美元/噸；

2）低硫燃料（硫含量0.1%）：310美元/噸；

3）油渣處理費：247美元/噸；

4）脫硫裝置堿性添加劑：295美元/噸。

3.2 推進系統解決方案

船舶推進系統采用低速柴油機+齒輪箱+軸帶發電機+可調螺距螺旋槳的方式進行布置（見圖4），系統主要有以下幾個特點。

圖4 推進系統示意圖

1）采用低速柴油機

低速柴油機的燃油消耗比采用中速機低約19 g/kW·h，主機功率為7 770 kW，按航行功率的90%計算，每天可節省燃料約3 t；另外，低速柴油機的日常維護成本也較低。

2）采用軸帶發電機

采用軸帶發電機，在航行工況下，可以替代 2臺柴油發電機組，而軸帶發電機使用主機作為原動機，其油耗比柴油發電機組的高速柴油機低約56 g/kW·h，每天節省燃料約1.3 t；同時，大大降低了主發電機組的維護運行成本。

3）采用可調螺距螺旋槳

相比固定螺距螺旋槳方案，通過調節主機轉速來調節推力，且倒退時需要改變主機或齒輪箱的轉向。由此，該船采用可調螺距螺旋槳方案，主機轉速固定，通過調節螺旋槳螺距來改變推力，且倒退時也是通過螺距調節，主機不用換向，從而提高了船舶的操作性和機動性。

4 艙蓋系統研究及設計

貨艙艙口蓋是貨艙區域的甲板開口開閉設備，露天甲板為風雨密艙口蓋，一般為非密性的。除此之外，還可堆載貨物如集裝箱等，為提高裝載能力，船有1/3～1/2集裝箱的箱位配置于甲板上。

本船艙口蓋為鉸翻式，電動液壓操作。由于貨艙開口大，結構采用縱橫骨架式，間距按堆載受力狀況進行布置，以減少結構加強帶來的重量。根據艙蓋板主梁與集裝箱箱腳布置相對應的原則，確定板格的基本結構；而后根據船級社對艙口蓋局部強度要求的公式，計算出主要結構尺寸；艙蓋的初步結構完成后，通過建立有限元模型對整個強度進行校核，在校核過程中通過加載、計算等方式，不斷調整板架尺寸達到優化艙蓋重量的目的。由此，通過優化結構，減少全船艙蓋的重量，提高船舶的經濟性。

5 綁扎系統研究及設計

由于文中研究的是小型集裝箱船，甲板不設綁扎橋。由于船東要求在甲板及貨艙里需要堆裝22'、23'、25'、26'及30'等非標的多種集裝箱，給箱腳布置帶來不便。為了合理利用箱腳，進行了多種組合配置，盡量減少箱腳的數量，同時又滿足了船東堆裝的要求。在貨艙中，為達到堆裝要求，除了需要合理布置箱腳外，導軌架也需根據船東的特殊需求，按照不同規格及非標集裝箱的布置作特殊處理，采用艙壁上安置獨立鋼板架式的形式，最終達到在貨艙堆裝非標多種集裝箱的要求。

6 高效扭曲舵的設計和研究

本船配備懸掛式高效扭曲舵，并配有舵球。舵桿、舵葉及舵桿套筒均由舵廠家提供，并負責液壓螺母及舵桿的拂配，此類舵可滿足船舶快速性和節能降耗的需要，從而減少了空泡現象的發生。同時，在一定程度上可減少舵的腐蝕，延長舵的使用年限，提高船舶操縱性。此類舵的結構相對復雜，安裝工藝有所不同，尤其對舵桿套筒的焊接要求較高，應嚴格按照舵桿套筒的焊接工藝進行焊接，將焊接變形控制在公差范圍內，并制定舵桿套筒安裝工藝，確定舵桿套筒的安裝階段，以保證安裝精度的準確性。高效扭曲舵如圖5所示。

圖5 高效扭曲舵參考圖

7 結論

該船的設計吃水為7.6 m，SMCR下航速達到約18 kn，設計油耗為31.3 噸/天，比同類船型節省10%。2013年工信部發布的《高技術船舶科研項目指南（2013年版）》中提出，與現有同類船型相比，船舶能效設計指數（EEDI）比國際海事組織（IMO）的EEDI基線值下降至少25%，本文的船舶滿足該項要求。主機使用高硫含量重油后排氣中硫氧化物的含量經脫硫裝置處理后，等同于使用≤0.1% m/m 的低硫油燃燒后的排氣含量。該船型一旦投入市場營運，將會有效降低燃油消耗量，減少運營成本，并對高端綠色支線集裝箱船市場產生積極影響。