新型MiniCape散货船设计

张洪流 刘阳 刘正亮 赵锡超

摘    要：結合目前散货船市场的现状，我司推出新一代MiniCape散货船设计并应用于航运市场。该型船通过对航速、EEDI提升、结构及空船重量控制、绿色环保设计及生产设计优化等，使该船比现有同类型船舶更环保、更节能、更智能、更舒适、载重量更大，实现了同时满足HCSR和EEDI2标准的新型船舶，为类似船型的设计提供参考。

关键词：散货船;绿色;低风阻;节能;运量;运营成本

中图分类号：U662.2                                文献标识码：A

Design of New MiniCape Bulk Carrier

ZHANG Hongliu， LIU Yang， LIU Zhengliang， ZHAO Xichao

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）

Abstract： Based on the current situation of the bulk carrier market， a new generation of MiniCape bulk carrier is designed and applied to the shipping market. Through the optimization of speed， EEDI， structure and empty ship weight control， green and environmental protection design and production design， the ship is more environmental protection， more intelligent， more comfortable， more load capacity than the existing similar ships. A new type of ship which meets HCSR and EEDI2 standards at same time is realized， which can provide reference for similar ship design.

Key words： Bulk carrier; Green; Lower wind resistance; Energy saving; Transportation volume; Operating cost

1     前言

随着世界贸易大格局的变化，以及船舶新法规的相应生效及实施，节能减排、降低燃油消耗、绿色环保、低维护成本的散货船成为船东追求的目标。面对残酷的散货船市场，船厂、设计院要在市场环境中生存并良性发展，就需要开发新的船型来适应形势的发展。近年来，MiniCape型散货船在某些特定航线需求旺盛，如西澳大利亚黑德兰港的锂矿石和西非几内亚的锰矿石运输等，因此我司根据市场需求设计推出新型120000 DWT的MiniCape散货船。本文就该船型的设计开发、建造进行介绍。

该船为单螺旋桨、低速柴油机推进的远洋航行散货船，适用于装载煤、矿石、谷物等散货。该船上建有6层甲板，船员总数25人，7个货舱总舱容约135000 m3;在结构吃水14.6m时，载重量约120 000  DWT，续航力22 000 kn;入DNV船级社，悬挂香港旗。

2     线型设计

（1）该船依据设定的主要尺度和目标航速，选取数据库中较为接近的优秀船型作为母型，经过船型变化获得优选线型。首先，对原始线型的不同首部和尾部形状进行分析研究，优选首部和尾部形状进行方案设计并进行CFD计算选优;然后，通过开展浮心纵向位置变化、舭部半径变化、修改进流段和去流段以及水线形状等，依据CFD计算结果，同时辅助专家经验进行线型设计，保证线型设计符合船舶建造要求;最后获得最终线型方案为：首部采取直立球首设计，阻力性能优秀;尾部则拥有上佳的伴流分布，有助于提高螺旋桨推进效率;

（2）在操纵性和耐波性设计中，利用软件计算操纵性能，保证操纵性满足规范要求;首部水线进流处平缓，相对其他同类船型具有更瘦的水线面，可以在海况不佳时更容易切开波浪，明显降低波浪增阻（见图 1、图 2）;

（3）根据最终设计线型，开展一系列模型试验，包括阻力、自航、敞水、流线、伴流、波浪增阻试验等。

在快速性试验过程中，为实现性能的最优化，开展了桨前节能装置（导管）的设计（见图 3）及PK试验、设计桨的PK试验。快速性试验结果表明，在合同功率点下，航速超越了规格书要求的指标（见图 4）;波浪增阻试验表明该船可满足最小装机功率要求。

3    上建型式设计

考虑到提高航速及EEDI指标提升，做到真正节能环保，该船采用低风阻型上建型式，如图5所示。

（1）采用STARCCM+软件，对上层建筑传统方案和低风阻优化方案进行数值模拟比较;

（2）采用湍流定常计算（仅计算水线以上的部分）。在风速低于8级风时网格数为400万即可;当风速更高时，为了高风速的稳定，网格数为2 000万左右。

（3）计算状态为：船速14 kn;风速分别为蒲氏2级、4级、6级和8级风，如表1所示。

（4）通过对两种不同上层建筑表面速度分布计算，得出不同风速度下上建阻力值（见表 2）及节能效果（见表 3）。

计算结果表明：随着风速的增加，上建型式流动分离现象趋向严重，风阻占总阻力的比值也增大，在蒲氏4级风时风阻约占总阻力的4%，6级风时约占总阻力的7%，8级风时约占总阻力的11%;低风阻上层建筑优化方案避免了直角分离的影响，并减小了风垂直接触表面积。风速越大节能效果越显著。在蒲氏4级风时可降低功率2.2%，8级风时可降低功率约7%，这对EEDI指标提升起到了良好的效果。实船航行试验表明，其服务航速达到并超出了合同指标，且船舶振动及操纵性也符合合同要求，船东非常满意。

4    空船重量控制

空船重量控制是保证船舶载重量的关键因素。船体结构重量约占空船重量80%，因此控制船体结构重量极为重要。通过优化布置、结构形式、节点型式、构件尺寸，对船体结构进行全面的优化设计：

（1）控制初始设计值，合理优化货舱划分，以最大程度降低静水弯矩及剪力值;

（2）优化肋距、纵骨及强框间距。确定对构件尺寸最有利的间距;

（3）优化构件尺寸，构件分析采用迭代法，反复优化得到最佳值;

（4）节点设计精细化。对比各种加强方案，优化关键节点型式，改善疲劳强度，降低应力值;

（5）生产设计时各专业充分协调。如生产工艺协调，使分段线、板缝线、构件尺寸最优化，达到最佳平衡;

（6）根据CSR的特性，提高整船的高强度钢比例，并在一些高应力区采用高等级的高强度钢;而对一些易疲劳处构件采用低级别高强度钢，提高抗疲劳能力;

（7）优化货舱区域外的结构布置、尺寸，有效控制船中区域外的结构重量;对首尾机舱骨架型式进行纵横骨架式的详细比较，最后确定尾部和机舱双层底采用横骨架式外，其余都采用纵骨架式，有利于总纵强度并减轻重量;

（8）进行多方案的直接计算分析。根据计算结果采用不同的加强方式，达到结构重量的最优化。

通过采用合理的布置和精细化的设计，全船结构重量得到了有效控制，与建造合同相比，增加了约500 t载货量，取得可喜的结果。

5     绿色环保设计

（1）该船的设计已满足DNV 环保入级符号CLEAN的要求。有绿色环保入级符号的船舶需满足对燃油舱保护，氮氧化物、硫氧化物等有害物质的排放、空调制冷剂的选用，焚烧炉排烟及废水、垃圾、压载水的相关处理和排放要求。为此，该船根据MARPOL和船级社的要求，采取一系列措施，包括：燃油舱保护、舱底水系统的优化，空调、冷藏设备的选型等。并设置了低硫燃油和低硫柴油储存舱，以满足船舶在ECA区域航行时对硫化物排放的要求。

（2）硫氧化物和氮氧化物排放的控制既要考虑当前使用需要，也充分考虑未来更为严格的环保法规的要求。主辅机废气洗涤后硫氧化物最低含量等效于燃烧0.1%含硫量的燃油，洗涤效果高于目前全球海域最低0.5%含硫量的要求。机舱布置考虑到将来可能的主辅机SCR的加装要求，预留SCR布置空间，便于SCR加装。

（3）安装了多种节能控制系统，如中央冷却变频系统、机舱风机节能变频系统及脱硫变频系统，配置了多达十三套变频器。在网变频负荷占到电站负荷的50%以上，完成了多源变频负载对电力系统干扰谐波计算及抑制研究，采取了AFE前端滤波、有源滤波等手段，有效抑制谐波最终实现了节能70%以上的极佳效果。

（4）采用高流明的LED照明系统，并基于CADMATIC环境下的三维设计手段和精细化的照度计算，完成了灯具数量的估算和人性化布置，满足船级社照度要求，并达到节能增效的效果。

（5）配备有一体化架构接入智能网络信息平台的能效管理系统，可以通过实时监控的手段进行智能评估能耗，做出节能减排的辅助决策。帮助船东和船员以更经济环保的方法管理船舶运行，见图 8。

6     总布置设计

（1）该船共有7个货舱，货舱区采用常规的单壳结构，设有底边舱斜板、双层底和顶边舱。该船为B-60型干舷，按照国际公约和规则，在完整稳性方面满足IS CODE（2008）和IACS UR S11、S17的要求，在破舱稳性方面满足1966年国际载重线公约1988议定书中第27条的破损稳性要求和SOLAS II-1章第9条的底部破损横准;

（2）为提高货舱利用率，优选压缩机舱和首部长度，从而增加货舱区长度，提高货舱容积。这样的优化设计，虽取得了比同类型船较高的货舱利用率，但也增加了船舶稳性计算的要求;

（3）由于该船货舱长度很长和货舱舱容很大，在充分考虑S11、S17和破舱稳性的计算，经过优选分舱长度、压载系统的布置以及空气管位置，计算满足稳性和强度要求，最终确定了货舱布置方案。其中，适当减小了第一货舱的舱容，以应对国际载重线公约单舱破损的要求;同时还缩小了第三货舱舱容，以减小由S17单个货舱进水引起的总纵弯矩过大。該方案不仅有效地控制了船舶总纵弯矩，又实现了对结构重量的控制，同时使货舱区域布置合理，达到货物装卸方便和安全的要求;

（4）该船设计贯穿绿色环保理念。其中，对燃油舱、柴油舱采取了双壳保护措施，满足最新的燃油舱保护规范的要求;将货舱区燃油舱布置在顶边舱，同时采用双壳结构进行隔离。其隔离舱分别用于淡水洗舱水和洗舱污水的存放，淡水可以通过航行中的造水机制造，既节能又可以节约港口的淡水使用费用;同时船舶自身对污水的收集又减少了船舶停靠时对港口环境的排污污染，使船东对船舶的使用更加经济、方便、环保;另外，本船顶边压载舱和底边压载舱采用联通管上下联通，形成一个上下贯通的压载舱，压载舱相应的控制阀均布置在管弄内，便于船舶运营中的操作与维修。这样的布置还可以减少相关的压载管路、空气管、阀件等的配备，简便了工艺，降低了成本，在压载水排放过程中，顶边舱的重力可以提高泵的效率，缩短压载水交换时间。

7     生产设计

（1） 管弄布置

该船为双管弄结构，结合管弄结构空间，对管弄区域的管路、铁舾件、电缆进行综合布置，确保管子安装空间、小车运行空间、遥控阀门的安装检修空间、支管长度及支架高度、多芯管长度等均为最优状态;

将主压载管路、扫舱管由钢管改为玻璃钢管，减少管子重量;主压载管路布置在管弄两侧，并充分考虑支管上遥控蝶阀的安装检修空间，在有遥控蝶阀的地方协调结构进行局部修改，在管子穿舱位置留出安装空间;优化多芯管、电缆路径、管弄小车的安装运行空间;多芯管与电缆通过双层电缆托架布置在一起，节约安装空间，减少管子支架的安装及焊接工作;将布置好的管弄方案与船东进行确认，并按船东意见进行微调，优化安装维修空间，见图 9所示。

（2）机舱布置

在详细设计阶段，根据相关设备的性能及其操作要求，布置时预留出操作维修空间;功能相关的辅机和箱柜考虑组装成一体，便于划分单元;根据舱室及设备的功能，优化设备布置，缩短管路长度;因增加脱硫塔，主海水管路需由DN650加大至DN700，机舱底层前壁、主机与主海水管路、压载泵之间空间狭小，将脱硫塔的主海水管路由海水总管取水改为由高位海底门取水;与压载泵厂家协调，将压载泵接线合方向旋转180 ?，避开主海水总管;将脱硫塔的主海水泵、稀释泵、水质检测单元等相关附件布置在机舱右舷靠近高位海底门处;增加平台，使其满足脱硫塔相关附件的操作检修;将通风管路与其它管路靠近布置，在需要散热的设备处将风管延伸至设备附近。优化后的机舱模型，见图 10所示。

（3）主甲板布置

主甲板主管路设置在主甲板右舷，舱口盖液压管穿舱口围肘板，到舷邊的电缆管采用套管形式走到舱内;主甲板多芯管布置在主电缆管下方，管路布置整齐、美观，且能减少多芯管保护罩的安装;每个货舱设置一个可拆式跨管平台，确保左右舷通道互通;左右舷主通道设置风暴扶手索，确保极端工况下的安全性;

以#1、#2舱之间系泊布置为例，进行系泊绞车、水平导缆器、跨管平台、观舱平台之间的综合协调，在确保系泊功能正常使用的前提下，拉线角度需在可控范围之内，使通道最大化，同时避免与主管路干涉;

将舱盖操作阀箱平台和观舱平台做成一体化，节省空间，美观实用，舱口围两端设置简易式限位器方钢平台，简单实用，见图 11所示。

（4）上建布置

上建甲板从上到下依次划分为6层。为满足船舶航行过程中的使用便利及航行需要，将船长及轮机长房间设置在D甲板首部，大副及大管轮房间设置在C甲板首部，以方便高级官员在行船过程中可以在办公室直接观察船舶状态。

采用A甲板布置工作舱室（厨房、餐厅、配餐间、办公室），将配餐间与餐厅合并;同时通过在舱室中增加独立围壁板以及调整卫生单元布置及封板布置，在上建舱室中开辟出可供管路和通风拉设的路径;最终协调了上建结构和电缆弄出口、风弄出口、走廊等位置的大量干涉问题，解决了新型上建综合布置相关难题，见图 12。

8     结论

通过以上实施方案，实现了全球首型同时满足HCSR和EEDI2标准的低风阻Mini Cape型散货船的设计建造，船体结构重量相比母型船船体结构约轻1000  t，载重量约增加500 t，其配备的能效管理系统实现了船岸一体化管理。通过对船舶主机、发电机等设备能效数据实时监控、分析，指导船岸执行最佳节能方案，提高船舶整体综合运行效能;机舱风机、脱硫系统等配备变频控制系统，服务航速为14.36 kn，主机油耗每天约29.6 t，载重量为120 578 DWT，满足新巴拿马运河规范及NEW NOISE CODE标准要求，比现有同类型船舶更环保、维护成本更低、更节能、智能、住舱更舒适、载重量更大。与类似船型相比，相同条件下日油耗下降逾20%，载货量提升约5%，达到世界先进水平。该船设计实施方案为国内同类型船舶的设计建造提供了宝贵的经验。

参考文献

[1] 沈小兴.Mini-capesize 散货船结构设计概述[J]. 船舶设计通讯，June 2009.

[2] 船舶设计手册（总体分册）[ M] . 北京：国防工业出版社. 2013.

[3] DNV GL.SOX Scrubber Retrofits[ S] . 2018.