合理选择18 000 TEU级超大型集装箱船的方形系数

王志超，包 岩，王 涛

(大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116021)

合理选择18 000 TEU级超大型集装箱船的方形系数

王志超，包 岩，王 涛

(大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116021)

为了得到18 000 TEU级超大型集装箱船合理的方形系数，使用经验公式法计算某18 000 TEU级超大型集装箱船的每日总油耗和每日单个集装箱平均油耗，由计算结果分析获得18 000 TEU级超大型集装箱船最佳经济效益的方形系数范围，提出具有可行性的超大型集装箱船方形系数选取方法。

超大型集装箱船；方形系数；油耗。

随着14 000 TEU/16 000 TEU/18 000 TEU及以上集装箱船订单的大量涌现，超大型集装箱船已成为当前重要船型之一[1]。虽然船舶级别增大，但要求单个集装箱平均能耗越来越少[2]。随着集装箱船的大型化和中低速化，其方形系数(以下简称Cb)也在变化着。通过对现阶段设计建造的18 000 TEU级超大型集装箱船方形系数统计中发现，Cb=～0.65和Cb=～0.70的超大型集装箱船较集中。方形系数0.65与0.70对经济效益的影响需进一步研究。

本文结合某18 000 TEU级超大型集装箱船，考虑超大型集装箱船的营运特点，将营运中每日总燃油消耗量(以下简称每日总油耗)作为参考指标，将单个集装箱燃油消耗(以下简称单箱油耗)定为本文考量船舶经济效益的主要指标，对于两种方形系数的船型方案，在排水量及吃水有所差异的情况下进行对比分析，总结如何在设计初期根据船型需求，合理地选择超大型集装箱船的方形系数。

1 超大型集装箱船的特点

船舶大型化是船舶发展历史上的一个显著趋势[3]，在集装箱船市场上，这一趋势似乎更为明显，超大型集装箱船应运而生。在能源压力越来越大的现实下，船东只会对燃油效率高、油耗低的船型感兴趣[4]。

超大型集装箱船属于干线运输班轮，船东对这类船舶更看重营运的规模效应，提高卸货效率，降低运营成本，其中船舶航速和油耗指标是船东评价船舶性能的重要依据[5]。

超大型集装箱船虽然整体油耗大，但由于其装箱量巨大，使得单个集装箱计算的单位油耗低，这也使得船东对该船一直保持关注[6]。

超大型集装箱船相比于其他油船或散货船等大型船舶，具有但不限于以下的特点。

1)超大型集装箱船属于快速航行船舶，其航速要超过油船或散货船。由于超大型集装箱船高航速和其时效性的特点，使得该船方形系数小于另两型船舶[7]。

2)船舶方形系数是表征船体水下部分肥瘦程度的一个重要参数。对于高速超大型集装箱船而言，方形系数对摩擦阻力的影响比较小，但对剩余阻力影响较大，而油船和散货船正好相反。因此选择合适的方形系数可适当降低阻力影响[8]。

2 计算方法

船舶主机单位时间的燃油消耗量[9-10]：

(1)

式中:B——船舶主机单位时间的燃油消耗量,g/h;Ps——主机发出的功率 kW；b——主机燃油消耗率 g/(kW·h)；Pe——主机有效的功率 kW；ηd——推进效率；ηs——轴系传送效率。

船舶航速V时，总阻力Rt，根据泰勒阻力估算法，此时船舶的有效功率Pe为[11]：

(2)

式中：ρ——海水密度 kg/m3;S——船体湿表面积,m2;Ct——船舶总阻力系数；V——船舶航速m/s2;Rt——船舶总阻力，N。

综上，船舶主机单位时间的燃油消耗量B为

(3)

则超大型集装箱船每日总油耗Bt,(t/d)为:

Bt=B·24×106

(4)

将超大型集装箱船每日总油耗均匀分布至每个集装箱，既每日每个集装箱燃油消耗量Bt,n为

(5)

式中：n——装箱量。

3 某18 000 TEU级超大型集装箱船计算结果

对比分析超大型集装箱船不同方形系数和船舶燃油消耗的关系，则需要将其他参数固定化。根据不同Cb，对比某18 000 TEU级超大型集装箱船在均质装载工况下，载重量同异的油耗，以营运中每日总油耗为参考，而将每日每箱平均油耗作为船型经济效益评估优良的主要考量指标。假定三艘18 000 TEU级超大型集装箱船的空船重量及油水装载相同，则考虑船舶排水量同异工况下，船舶湿表面积和总阻力系数不同造成油耗差异。

选取某18 000 TEU级超大型集装箱船系列船的典型航速18、20、22 kn。在载重量相同、吃水不同和载重量不同、吃水相同两种工况下，对比分析超大型集装箱船每日总燃油消耗量和每日每箱平均消耗的燃油量。3艘18 000 TEU级超大型集装箱船长宽比和长度型深比都相同，只有吃水和方形系数不同，其中TEU-1为深吃水小方形系数，TEU-2为浅吃水大方形系数，TEU-3为深吃水大方形系数。3艘船舶主尺度见表1。

表1 某18 000 TEU级超大型集装箱船主尺度

3.1 载重量相同、吃水不同工况

由于船舶装载油水等可变载荷，则集装箱船的载重量可等效于其装箱量。当超大型集装箱船载重量相同、吃水不同时，即某两艘18 000 TEU级超大型集装箱船TEU-1和TEU-2，同时均质装载10 t/TEU，20 ft标准集装箱的装载量为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上有所差异称为工况I。

按照上述油耗计算公式，得出船舶同时均质装载10 t/TEU，在18～22 kn航速下的每日的油耗值。计算结果见表2。

由表2可见，在两艘18 000 TEU级超大型集装箱船载重量相同，吃水不同的工况下，Cb=0.65的超大型集装箱船，其每日燃油总消耗和每日单箱消耗都小于Cb=0.70的船舶。而随着船舶航速增加，两艘船舶总油耗和单箱油耗都有所增长，但两艘船舶从航速18～22 kn区间，每日总油耗比值和单箱油耗比值则都从93%降低至85%，减少了约8%。

表2 18～22 kn航速下的每日的油耗值(工况I)

换言之，18 000 TEU级超大型集装箱无论如何均质装载，都是航速越高，船舶每日总油耗和单箱油耗都越高，但Cb小的超大型集装箱船相对于Cb大的船舶油耗增加缓慢，且两者的差值在逐渐增加，即船舶航速越高，Cb小的超大型集装箱在油耗方面优势越明显。

3.2 载重量不同、吃水相同工况

当超大型集装箱船载重量不同、吃水相同时，称为工况II,即某两艘18 000 TEU级超大型集装箱船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在均质装载10 t/TEU，装箱量分别为14 000箱和16 000箱。

按照上述油耗计算公式，得出船舶同时均质装载10 t/TEU，在18 kn～22 kn航速下的每日的油耗值。计算结果详见表3。

表3 18～22 kn航速下的每日的油耗值(工况II)

由表3可以看出，在吃水相同，载重量不同的工况下，Cb=0.65的超大型集装箱船，其每日燃油消耗总量都小于Cb=0.70的船舶，但平均至每个集装箱的燃油消耗却大于Cb=0.70的船舶。而随着船舶航速增加，两艘船舶每日总油耗和单箱油耗都有所增长，但两艘船舶总油耗比值从99%降低至93%，减少了约6%，而两艘船舶单箱总油耗比值从113%降低至106%，减少了约7%。每日单箱油耗幅度大于每日总油耗。均质装载不同重量集装箱时，油耗与航速曲线趋势一致。当航速小于18kn时，其Cb=0.7总油耗会比Cb=0.65的更小。

换言之，18 000 TEU级超大型集装箱船航速越高，船舶总油耗和单箱油耗都越高，但Cb小的超大型集装箱船相对于Cb大的船舶总油耗更少；而Cb小的超大型集装箱船随着航速增加，单个集装箱平均油耗都大于Cb大的船舶，但与Cb大船舶的差值在逐渐减少，即相对于Cb大的船舶，其油耗的劣势在逐渐减小。假设船舶航速处在中低速区间，Cb大的超大型集装箱船在每日单个集装箱平均油耗和每日总油耗都可能会小于Cb小的船舶。

3.3 结果分析

对于上述两种方形系数的3种船型方案，考虑两种情况，计算结果见图1。

图1 三艘18 000 TEU级超大型集装箱船 每日总油耗和每日单箱油耗

1)当18 000 TEU级超大型集装箱船航速区间为18～22 kn时，TEU-1每日总油耗最小，而TEU-2最大，其中18 kn以下时，TEU-3的总油耗要比TEU-1更低。

2)考虑18 000 TEU级超大型集装箱船每日单箱油耗时，TEU-3每日单箱油耗最小，TEU-2最大。无论是考量总油耗还是单箱油耗，TEU-2都是经济效益最差的。

3)以每日总油耗为参考指标，而每日单箱油耗为主要考量船舶经济效益的指标，当航速区间为18～22 kn，则TEU-3为经济效益最好,既深吃水方形系数范围约为0.70的18 000 TEU级超大型集装箱船经济效益最好。

4)该18 000 TEU级超大型集装箱船TEU-3在航速18 kn以下为最佳经济效益区间，既每日总油耗和单箱油耗都最小。特别是集装箱船中低速化的现在，深吃水方形系数范围约为0.70的超大船型经济效益会非常显著。

4 结论

1)由于以上两种方形系数具有超大型集装箱船统一的特点，可适当地应用到其他超大型集装箱船。

2)如果船东运货量较少、且需要航速较快，即船舶周转性快，就应该在设计初期选择Cb较小的方案。

3)如果船东运货量较大、且对航速要求不高，即船舶周转性无要求，就应该在设计初期选择Cb较大且吃水较深的方案。

[1] 罗跃华.集装箱船舶的大型化发展趋势[J].水运管理,2011,33(7):37-39.

[2] 仇鑫龙.中远集团建造超大型集装箱船技术经济可

行性分析[D].上海：上海海运学院,2003.

[3] 段 超.集装箱船舶大型化发展趋势研究[D].大连：大连海事大学,2013.

[4] Bill Shi.ABS Experience in Large Container Ships[R].大连,大连船舶重工设计研究所,2011.

[5] 隋 月,王志超.试论超大型集装箱船的优化设计[J].大连船研,2014(3):6-10.

[6] 汪玉平.集装箱船主要技术经济指标分析[J].水运科技信息,1999(3):16-17.

[7] 刘英良.超大型集装箱船多工况点的最佳方形系数范围探索[J].船舶,25(1):21-24.

[8] 胡 平,虞 赉,陈建挺.大型集装箱船快速性研究[J].上海船舶运输科学研究所学报，2010,33(2):93-97.

[9] 毛卫斌.关于船舶运行期间燃油成本的研究[D].大连：大连海事大学，2002.

[10] 盛振邦,刘应中.船舶原理(下)[M].上海:上海交通大学出版社，2004.

[11] 盛振邦,刘应中.船舶原理(上)[M].上海:上海交通大学出版社，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

工信部高技术船舶科研项目

王志超(1985-)，男，硕士，工程师

U674.13

A

1671-7953(2015)06-0065-04

修回日期：2015-06-10

研究方向:船舶与海洋工程总体设计

E-mail:offshore@dsic-design.cn