节能型集装箱船型研究

2013-09-27侯立平

船舶与海洋工程 2013年3期

侯立平

（中远集装箱运输有限公司，上海 200080）

0 引言

金融风暴后，由于欧美干线需求持续低迷，供大于求成为班轮业普遍现象，航运市场面临巨大的困境。为了应对运力过剩、燃油价格高企的现状，很多班轮公司都纷纷祭起“加船减速”的大旗，营运船舶航速的降低对新船型的设计和建造亦带来很大影响，新船型的设计和订造成为各设计单位、航运公司考虑的重点，关注新市场环境下的新船型以期对现有船队结构进行调整升级则成为诸多班轮公司普遍采用的经营手段。

1 今年以来集装箱船订单现状[1]

尽管集装箱航运市场仍处于低迷状态，但由于近几年来新造船价格的降低（见图1），以及使用节能型船舶替代早先高航速、高能耗船舶的需求，集装箱船领域的新订单仍然层出不穷。Alphaliner的统计数据表明，2008年9月至2012年12月，全球集装箱船订单规模为445艘、302万TEU，占同期全球船队运力总量的18.4%。尽管订单总量仅为2006~2008年全球集装箱船订单规模的一半左右，但考虑到国际金融危机对航运业的影响，在全球经济缓慢复苏过程中已属不易。虽然班轮业供大于求的状况在不断加剧，2013年一季度发布业绩公告的班轮公司中亏损面依然较大，而同期依然新增了数量可观的集装箱船订单（见图2）。在存量订单中，一种载箱量在8800TEU左右的宽体船订单抢眼，成为市场的一个热点。

目前全球尚未交付的8000~9500TEU 订单数超过100艘，这些订单中剔除2007年后订造、但因为延迟交付等因素尚未交付船东的8500TEU订单，基本是18列/45.6~45.8m宽的8000TEU级船和19列/48.2m宽、/宽体8800TEU型集装箱船，其中后者订单有57艘，占据新订单的半壁江山。另外，还有一个值得注意的现象：传统的42.8m宽、甲板上横向堆装17列集装箱的8500TEU船型在金融风暴后没有公司再订造。

宽体8800TEU级集装箱船因其上层建筑所处位置不同，可分为单岛式和双岛式两种设计，单岛式一般载箱量在8800TEU左右，双岛式最大载箱量可超过9200TEU。

对比传统8500TEU集装箱船，宽体8800TEU船的船长缩短至300m以内，满足目前南美东航线上对船长300m的限制要求；船宽则放大至48.2m，满足目前公布的巴拿马运河新船闸通行要求。船长的缩减，可有效降低船舶的空船重量，进而降低船舶的造价成本。而船宽加大，相比传统瘦长型集装箱船型，虽然高速性能受到影响，但对改善船舶稳性有利，同时随着集装箱布置列数增加，总装箱数以及14t均质装载重箱量都有明显增加。此外，设计航速降低后船舶主机及配套设备可相应调整，有利降低船舶造价。

图2 2013年前几个月集装箱船订单

图1 新造船价格指数

此类宽体型的8800TEU船，长宽比小于传统8500TEU级船，设计航速较传统8500TEU级低，最大油耗亦有降低，载重量放大，且压载水用量减少，宽体8800TEU级船的14t均质装载重箱数要明显优于传统8500TEU级，满载后营运航速下单箱的燃油成本明显比传统8500TEU船要低。

2 节能型集装箱船型设计目标[2]

由于燃油价格的上升，降低船舶航速已是不争的事实。EEDI（Energy Efficiency Design Index，船舶能效设计指数）自2013年1月1日开始生效，新船设计必然以获得更小（更优秀）的EEDI数为目的。从计算公式上可以看出，对EEDI指数起决定性作用的参数主要有航速、为达到该航速所需的安装功率、船舶载货量三项。就集装箱船设计而言，需要通过注重总体布置，控制船舶自重，减少船舶航行途中压载水的使用量，进而提升船舶的有效装货量，增大船舶载重量，降低集装箱船油耗的主要措施有：

2.1 减速航行

减速已逐渐被业内接纳，并已影响到新造船的开发和设计，表现为船舶的航速指标比雷曼危机爆发前的设计有 10%左右的降低。在此基础上，新船型设计在船舶线型方面优化，进一步降低船舶阻力，如采用低航速适用的球鼻艏、螺旋桨设计等，使船舶具备低速航行的优势。

2.2 主机功率低配或配置新型低转速超长冲程主机

由于航速的降低，所配主机功率也可进一步减小。典型例子是13000TEU船，金融危机前主流设计都配置12K98型主机，目前的主流设计基本采用12S90型主机，主机活塞冲程变长、转速降低，从而最大功率降低，油耗亦降低。如图3所示，当所选主机从传统转速改为低转速后，在主机65%的功率输出范围内，单位功率的油耗可降低约7%。

2.3 增加有效载箱量

相对以往设计，由于对航速要求降低，新设计的集装箱船更显“短、胖”，18000TEU船长约为400m，船宽约59m，长宽比降至6.8以内，8800TEU的长宽比降至6.2，方形系数的增加，相同名义箱位下，使现有设计的集装箱船载重量更大，可装载更多的集装箱，在前述的油耗降低条件下，单箱油耗数可以有进一步的降低。

图3 主机功率油耗曲线

3 经济船型设计技术

3.1 降低船舶阻力

在线型既定的情况下，可以应用各种技术尽可能地减小船舶阻力。由于水动力设计水平已日益接近目前设计能力的有效边际，以前设计中不太引人注目的减少船舶空气阻力的方案现已出现在许多设计图纸中：有些船舶的上层建筑已开始按照“箭簇型”进行布置；有些船舶水线以上首部采用诸如 CORNER-CUT的特殊设计，以获得更好的空气流线分布的方案。

使用船底防污漆对减小船体的粗糙度也会有一定的效果，各船体涂料公司积极研发新型防污漆，增加了船体的光滑度，降低海生物附着率，从而达到降阻的目的。

马士基、现代商船、达飞等公司还纷纷对部分集装箱船改造，去除这些船舶的球鼻艏。预计将节省1%~2%的燃料，其目的是降低船舶在减速航行条件下低速段的兴波阻力。

3.2 提高推进效率

通常螺旋推进器最大效率为75%，其余的能量以漩涡的形式消耗。目前，提高船舶推进效率主要基于桨前和桨后2种措施。桨前着重改善半流场，如Mewis导管、桨前鳍等；桨后侧重于利用能量回收，改善螺旋桨的推进效率，如螺旋桨毂帽鳍、在舵叶上装配导流帽和舵翼等，日、韩等国大船厂都纷纷推出类似的节能装置。日本川崎在其建造船舶上长期使用其专利舵设计，即在螺旋桨后面在船舵上装配导流帽和舵翼，通过回收螺旋桨转动产生的涡流来节省能量，从而达到提高推进效率的目的。日本商船三井开发的螺旋桨毂帽鳍也有同样的功效，在螺旋桨后面桨帽的位置安装螺旋桨毂帽鳍，高效回收殻漩涡能量使其转变为推进能量，从而改善螺旋桨的推进效率。从总体上讲，船体线形、舵、桨的优化配合才是根本手段。