基于加权单箱功率指数的集装箱船大型化分析

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(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

随着造船技术的发展以及各船东公司出于运输规模经济化的考虑，建造营运的集装箱船型尺度迅速发展。据统计，新造船平均尺寸已从2009年的4 000 TEU增至2014年的8 000 TEU，目前新船订单中船型尺度超过8 000 TEU的集装箱船所占比例已经达到了82%[1]，甚至22 000 TEU集装箱船型的订单也已出现。同时，随着集装箱船大型化的发展，基于合同约定的单一工况和航速指标的集装箱船型优化设计也在向多吃水、多航速营运特性(operational profile)的多工况优化设计的方向转变[2-5]。

然而，如何对集装箱船的多工况优化设计结果进行评估，目前依然没有一个普遍接受的统一的考核指标。在近几年与不同的船东接触过程中，虽然船东都提出了要进行船型多工况优化，但最终考核指标却往往还是集中于一两个点，很难真正反映船型在实际营运过程中的整体性能优劣。另外，对于集装箱船而言，表征其营运工况的构成有：①吃水状态。包括设计吃水、结构吃水等；②均质箱重的载箱量。包括典型的10 t均箱、12 t、14 t等；③航速(对应功率)选择[6-8]。

基于此，考虑以目标船型为研究对象，提出对于不同营运工况的比重进行加权考虑的单箱能耗(kW/TEU)指标——加权单箱功率指数。

1 加权单箱功率指数定义

对于营运工况进行综合考虑，并根据各装载状态的比重，得到加权单箱功率指数E。

(1)

式中：P为加权功率值，kW；N为加权载箱量，TEU；k为吃水状态比重系数，%；Pij为考察的营运功率，kW；aij为功率的比重系数，%，∑aij=1；Nij为考察的不同均质箱重的载箱量，TEU；bij为载箱量的比重系数，%，∑bij=1；ki为不同吃水状态的比重系数，%，∑ki=1。

该指数考虑了目标船型在整个营运工况内各个装载状态，基于其所占的比重进行加权评估，因此能够更合理地反映目标船型的单箱能耗情况。

2 加权单箱功率指数影响因素

集装箱船实际营运时，有各种各样的装载状态。为了便于讨论且不失一般性，选择典型的营运工况进行研究，亦即吃水状态选择设计吃水(Td)和结构吃水(TS)，载箱状态选择10 t均质箱重载箱、14 t均质箱重载箱和最大名义载箱，航速选择典型的18 kn和22 kn。

选取典型的营运工况比重系数见表1。表中比重系数可根据船舶的实际营运状态选取，侧重点不同，比重系数也会有所差别。

对集装箱船来说，每1个集装箱位都可以用1个三维编码行(bay)、列(row)和层(tier)来表示。为简化起见，用行(bay)和列(row)来代表该船型尺度的大小，层(tier)主要影响名义箱位，对船型实际载箱量影响很小，不予考虑。

目标船型的主要船型参数见表2。这5型船都是本公司近几年已交付或在建的超大型集装箱船，也是该时期内市场上的主流船型，具有代表性。

表2 目标船型参数

从船型尺度、营运航速、均质箱重载箱量以及吃水状态4个方面进行讨论。

2.1 船型尺度

根据表1和表2，并联系式(1)，计算得到目标船型的加权单箱功率指数，见表3。

表3 目标船型的加权单箱功率指数

由计算结果可知：

当然，集装箱船尺度的选择还要综合考虑船舶的整体性能，如稳性、快速性、载重量等，也要考虑建造成本，航线限制和码头限制等[9]。尽管目前市场上对集装箱船型大型化有不同的观点，但由于大型化带来的单箱能耗的降低显而易见。而对于集装箱船型尺度上限[10-12]，现在依然不能轻易下结论。

2.2 营运航速

假定其他比重系数不变，18 kn的比重系数由20%逐渐增加到80%，则得到的加权单箱功率指数见表4。

表4 营运航速比重变化对应的加权单箱功率指数

根据表4，得到随营运航速比重变化的E值，见图1。

图1 随营运航速比重变化的E值

随着营运航速中18 kn航行所占比重逐渐加大，E值明显减低。亦即降速航行能够显著减小单箱能耗。

2.3 均质箱重载箱量

假定其他比重系数不变，10 t均质箱重载箱量和14 t均质箱重载箱量所占比重发生变化，10 t均质箱重载箱量比重系数从20%增加至80%，14 t均质箱重载箱量比重系数从70%减少至10%，其中最大名义载箱量比重保持10%不变，得到的加权单箱功率指数见表5。

表5 均质箱重载箱量比重变化对应的加权单箱功率指数

根据表5，得到随均质箱重载箱量比重变化的E值曲线，见图2。

图2 随均质箱重载箱量比重变化的E值

随着均质箱重营运状态中10 t均箱的比重增加，E也随着降低。亦即营运状态侧重轻箱装载能减少单箱能耗。

2.4 吃水状态

假定其他比重系数不变，设计吃水状态比重从20%逐渐增长至80%，得到表6。

根据表6，得到随吃水状态比重变化的E值，见图3。

随着船型大型化，吃水状态所占比重对于E的影响逐渐减小。亦即随着船型变大，不同的吃水状态(对应不同的载箱量)单箱能耗也不会有大的差别。

表6 吃水状态比重变化对应的加权单箱功率指数

图3 随吃水状态比重变化的E值

3 结论

加权单箱功率指数是一个开放性的概念，使用者侧重点不同，该指数表征的集装箱船单箱能耗特性也会有所差别。船东可根据自己集装箱船队的营运特点，明确不同的权重系数，从而了解特定营运工况下的单箱能耗。该指数更能反映船型的实际能耗情况，以此进行集装箱船型多工况优化设计更加合理，也能提高船东实际营运的经济性。对目标船型的加权单箱功率指数进行分析比较后认为：

1)随着船型尺度增大，单箱能耗逐步降低。

2)降速航行能够显著减小单箱能耗。

3)营运状态选择增加轻质箱重载箱能明显减少单箱能耗。

4)随着船型变大，不同吃水状态下的单箱能耗差别并不明显。

以下问题还有待进一步分析与研究：

1)船长和船宽的变化对于单箱能耗的影响程度；

2)船型尺度的上限论证。