朱烈伏, 范 欣

(江蘇熔盛重工有限公司， 江蘇 南通 226532 )

7.6萬(wàn)t巴拿馬型散貨船優(yōu)化介紹

朱烈伏, 范 欣

(江蘇熔盛重工有限公司， 江蘇 南通 226532 )

闡述了7.6萬(wàn)t巴拿馬型散貨船優(yōu)化的總體思路和方法。并就快速性、經(jīng)濟(jì)性、綠色環(huán)保設(shè)計(jì)等方面做了深入研究。在造船業(yè)不景氣的大環(huán)境下，為提高巴拿馬型散貨船的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，降低船東使用成本和建造成本提供借鑒。

散貨船 優(yōu)化

1 引言

散貨船是全球船隊(duì)保有量最大的船型，按照載重量的不同，可以分為2～5萬(wàn)t的靈便型散貨船；6～8萬(wàn)t的巴拿馬型散貨船；8～9萬(wàn)t的卡爾薩母型散貨船；15萬(wàn)t左右的好望角型散貨船；20萬(wàn)t以上的超大型散貨船。其中7.6萬(wàn)t的巴拿馬型散貨船，以其貨物運(yùn)輸?shù)膹V泛性，成為船東最愿意訂造的散貨船船型之一。然而，自2008年金融危機(jī)以來(lái)，航運(yùn)市場(chǎng)一蹶不振，波羅的海干散貨指數(shù)下跌超過(guò)百分之九十，在如此低迷的大背景下，能夠最終吸引船東下單的船型，應(yīng)當(dāng)以油耗低，排放低為明顯特征。對(duì)于船廠方面，巴拿馬型散貨船的價(jià)格由船價(jià)峰值5 000多萬(wàn)美元/艘，下降為現(xiàn)在的2 700萬(wàn)美元/艘，加之美圓貶值等因素，價(jià)格下降將近一半。因此如何降低該船型的使用成本和建造成本顯得尤為迫切。

2 7.6萬(wàn)t巴拿馬型散貨船概況

7.6萬(wàn)t巴拿馬型散貨船為低速柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，可航行于無(wú)限航區(qū)，該船設(shè)球鼻艏、方艉、連續(xù)上甲板、半平衡舵、固定螺距螺旋槳、居住艙室位于艉部?？裳b載鐵礦石、煤、谷物等各種貨物。圖1為該型船側(cè)視圖。

該船主尺度如下：

總長(zhǎng)： 224.9 m；垂線間長(zhǎng)： 217.0 m；型寬： 32.25 m；型深： 19.7 m；設(shè)計(jì)吃水： 12.2 m；結(jié)構(gòu)吃水： 14.25 m；航速：14.5 kn；定員：28 P。

船級(jí)符號(hào)為CCS：★CSA Bulk Carrier，CSR，BC-A，Hold No2,4 and 6 maybe Empty,Grab(20),PSPC(B),Loading Computer S.I.G，ESP，In-Water Survey,BWMP, ★CSM Aut-0 SCM,CMS。

圖1 側(cè)視圖

3 快速性優(yōu)化

船舶快速性是船舶性能的一個(gè)重要指標(biāo)，包含了節(jié)能和速度兩層含義。優(yōu)化船舶的快速性，也應(yīng)從這兩方面入手，盡量提高推進(jìn)器的推力和減小船舶航行的阻力。

3.1 船舶線型優(yōu)化

7.6萬(wàn)t巴拿馬型散貨船為經(jīng)濟(jì)型、低速肥大船,興波阻力很小，線型設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮摩擦阻力和粘壓阻力，運(yùn)用船型可分原理，對(duì)首艉線型分別開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)。

船舶線型優(yōu)化時(shí)，為了提高航速，需減少艉部螺旋槳進(jìn)流區(qū)域的線型，但又要保持一定空間以布置機(jī)艙設(shè)備。對(duì)于艏部線型，以原線型為基礎(chǔ)同時(shí)參考目前國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的巴拿馬船型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)艏部和艉部分別進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)優(yōu)化，進(jìn)行計(jì)算和比較選優(yōu)，最終選定優(yōu)秀的線型，并在國(guó)際著名水池SSPA開(kāi)展船模試驗(yàn)驗(yàn)證工作。圖2為艏艉線型修改圖。

表1為線型優(yōu)化后，選取不同主機(jī)參數(shù)時(shí)，航速的對(duì)照表。

圖2 艏艉線型修改

參數(shù)母型船方案一方案二方案三機(jī)型Wartsila5RTflex58TDWartsila5RTflex58TDWartsila5RTflex58TDWartsila5RTflex58TD限制最大持續(xù)功率9500kW×105r/min9500kW×105r/min8741kW×101.1r/min8741kW×101.1r/min常用功率8075kW×99.5r/min8075kW×99.5r/min7200kW×95.8r/min7200kW×95.8r/min航速14.50kn14.70kn14.30kn14.50kn(帶節(jié)能裝置)

可見(jiàn)，通過(guò)線型優(yōu)化后，在主機(jī)功率不變的前提下，航速可以提高0.2 kn。

3.2 螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)

螺旋槳設(shè)計(jì)不僅要追求高效率，同時(shí)也要確保螺旋槳的良好空泡形態(tài)，以防止槳葉剝蝕，減少誘導(dǎo)激振力，從而防止振動(dòng)，提高船舶的安全性和舒適性。我們對(duì)螺旋槳設(shè)計(jì)的優(yōu)化和研究是以中島槳和斯馬德槳作為優(yōu)化被選方案，通過(guò)螺旋槳敞水試驗(yàn)和船模自航試驗(yàn)對(duì)螺旋槳進(jìn)行選優(yōu)，進(jìn)而得出螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表2)。

表2 螺旋槳優(yōu)化后設(shè)計(jì)吃水航速比較

通過(guò)對(duì)在設(shè)計(jì)吃水下航速性能進(jìn)行比較分析，最終選擇斯馬德槳作為本船的螺旋槳設(shè)計(jì)。

3.3 節(jié)能裝置設(shè)計(jì)

為了在線型和螺旋槳優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善艉部流場(chǎng)(見(jiàn)圖3)，進(jìn)一步提高推進(jìn)效率，降低燃油消耗，我們對(duì)適用本船的節(jié)能裝置進(jìn)行了相關(guān)研究。本船為肥大型低速船型，主要從改變艉部流場(chǎng)和回收轂渦能量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行節(jié)能研究，經(jīng)過(guò)研究和分析本船節(jié)能裝置方案為前置導(dǎo)管+轂帽鰭。

圖3 艉流原理圖

對(duì)消渦鰭的設(shè)計(jì)方案在大型空泡水筒中進(jìn)行分析。試驗(yàn)在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心進(jìn)行，水筒工作段長(zhǎng)度為3.2 m，直徑0.8 m，水速調(diào)節(jié)范圍為3 m/s～20 m/s，壓力調(diào)整范圍從8 kP～400 kP。試驗(yàn)在固定水速V=3.5 m/s下進(jìn)行，通過(guò)調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速，使得進(jìn)速系數(shù)J0在0.36～0.6之間變化，間距為0.02。圖4為常規(guī)帽與轂帽鰭效率曲線比較。

試驗(yàn)結(jié)果表明，安裝消渦鰭后螺旋槳推力提高，扭距降低，從而使得效率增加，在設(shè)計(jì)點(diǎn)J0=0.46附近，螺旋槳增效3.2%。

圖4 常規(guī)帽與轂帽鰭效率曲線比較

4 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)營(yíng)運(yùn)中效益最大化目標(biāo)，需要盡可能地提高船舶性價(jià)比。為此，在經(jīng)濟(jì)性方面著重考慮在保證船舶強(qiáng)度的情況下，使船舶的結(jié)構(gòu)布置更加合理，主要從以下三個(gè)方面開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 總縱強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

總縱強(qiáng)度計(jì)算的優(yōu)化是根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)共同規(guī)范CSR對(duì)于各完整工況及破艙進(jìn)水工況的彎矩及剪力進(jìn)行校核，彎矩在裝載工況中最大彎矩的基礎(chǔ)上增加5%裕度；剪力采用裝載各種工況中最大剪力，并根據(jù)CSR規(guī)范修正后增加8%裕度；同時(shí)在計(jì)算剖面的選取上，增加為每隔4個(gè)肋位選取一個(gè)計(jì)算剖面，在綜合考慮彎矩和剪力的前提下，大大減少了船體梁強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的余量。

4.2 結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算是采用DNV船級(jí)社基于CSR開(kāi)發(fā)的Naticus軟件進(jìn)行的。本次優(yōu)化將原縱向構(gòu)件材料由AH32鋼升級(jí)為AH36鋼，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算得到貨艙區(qū)的外板厚度減小3～4 mm；貨艙雙層底內(nèi)底板厚度減少0.5 mm；底邊壓載艙斜板厚度減少0.5～2 mm；頂邊壓載艙底板厚度減少1 mm；舷頂列板及頂邊壓載艙斜板厚度減少2 mm。

4.3 貨艙三艙段結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了保證設(shè)計(jì)更加精確，我們對(duì)貨艙進(jìn)行三艙段有限元分析，對(duì)于主甲板、舷側(cè)肋骨、雙層底肋板的板厚進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以使船舶結(jié)構(gòu)更加合理，在降低船舶重量的同時(shí)有效地增加了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為了保證船舶的疲勞強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)有限元模型進(jìn)行疲勞分析，對(duì)橫艙壁底墩和貨艙肋骨趾端等應(yīng)力集中的區(qū)域進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。

5 綠色環(huán)保設(shè)計(jì)

綠色環(huán)保設(shè)計(jì)參考了壓載水管理、NOx,SOx排放標(biāo)準(zhǔn)、PSPC-國(guó)際船舶涂層性能標(biāo)準(zhǔn)等綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)要求，將節(jié)能減排和綠色環(huán)保融入到整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中。

5.1 壓載水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前壓載水處理的控制標(biāo)準(zhǔn)分D1和D2兩種。 其中D1只是對(duì)壓載水進(jìn)行交換，并不是真正的處理，D2才是對(duì)壓載水的處理。D1標(biāo)準(zhǔn)有以下三種：①溢流法：用3倍壓載水量交換；②順序法：采用順序排空和注滿；③稀釋法：從頂部注入，底部排出。D2標(biāo)準(zhǔn)是滿足《壓載水管理公約》要求。2012年開(kāi)工建造的船舶應(yīng)采用D2的標(biāo)準(zhǔn)，到2016年所有的船舶都應(yīng)滿足D2標(biāo)準(zhǔn)。表3為壓載水處理裝置原理分析比較。

為了提高船東營(yíng)運(yùn)的靈活性，優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮了D1 和D2 兩種壓載水處理方法，在增加船舶營(yíng)運(yùn)靈活性的同時(shí)，有效降低了船東后續(xù)的營(yíng)運(yùn)成本。在規(guī)范生效之前，船東在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中可以采用D1 標(biāo)準(zhǔn)中的順序法進(jìn)行壓載水交換。同時(shí)該優(yōu)化設(shè)計(jì)也對(duì)D2方案中壓載水處理設(shè)備的選用與安裝進(jìn)行研究，目前市場(chǎng)有多種壓載水處理解決方案，該船在綜合分析安裝空間、設(shè)備采購(gòu)成本、船東營(yíng)運(yùn)成本和相關(guān)設(shè)備容量等因素后，最終選用了Ecochlor Solution化學(xué)方法壓載水處理解決方案。

表3 壓載水處理裝置原理分析比較

5.2 MGO系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2010年1月1日歐盟和美國(guó)加利福尼亞州實(shí)施船舶強(qiáng)制使用低硫燃油2005/33/EC的要求，美國(guó)和加拿大也提出船舶強(qiáng)制使用低硫燃油的要求，在優(yōu)化過(guò)程中充分考慮本船營(yíng)運(yùn)航線以及相應(yīng)港口法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)減少硫化物的排放量以減輕環(huán)境污染。圖5為硫排放區(qū)域示意圖。

本船配置了MGO系統(tǒng)(包括MGO儲(chǔ)存艙、沉淀艙和日用艙，以及獨(dú)立的MGO供油系統(tǒng)和駁運(yùn)系統(tǒng))，船舶的主機(jī)、輔機(jī)和鍋爐可以采用低硫燃油，從而滿足相關(guān)港口對(duì)硫排放的要求，進(jìn)一步提高船舶營(yíng)運(yùn)的靈活性。

溫度超過(guò)20°時(shí)，MGO燃油的粘度低于2 cst，不能滿足進(jìn)入主機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備的燃油系統(tǒng)進(jìn)行正常運(yùn)行的要求，需要采用冷卻的方法將MGO燃油進(jìn)行冷卻以滿足系統(tǒng)運(yùn)行的要求。表4為MGO燃油冷卻設(shè)備形式分析與選型。

圖5 硫排放區(qū)域

序號(hào)型式原理特點(diǎn)證書(shū)12CHILLER型式直接式氟利昂介質(zhì)直接冷卻MGO冷卻效果好,冷卻管需要真空雙層管,安裝使用成本較高;部分廠家已有證書(shū)間接式氟利昂介質(zhì)間接冷卻MGO冷卻效果好,氟利昂冷卻淡水,淡水再冷卻MGO,安裝使用成本較高;部分廠家已有證書(shū)34COOLER型式海水冷卻海水直接冷卻MGO滿足冷卻效果,安裝使用簡(jiǎn)單,成本不高,但是海水直接冷卻有泄漏風(fēng)險(xiǎn),規(guī)范不建議部分廠家已有證書(shū)淡水冷卻中央淡水直接冷卻MGO滿足冷卻效果,安裝使用簡(jiǎn)單,成本不高,中央淡水冷卻,可以避免對(duì)環(huán)境的污染部分廠家已有證書(shū)

通過(guò)研究和分析比較，該船型選用冷卻效果好、采購(gòu)成本低、以淡水為冷卻方式的COOLER系統(tǒng)。

5.3 PSPC新造船防腐及涂層性能設(shè)計(jì)

PSPC是第一個(gè)強(qiáng)制實(shí)施的國(guó)際船舶涂層性能新標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)造船業(yè)產(chǎn)生了重大影響，PSPC要求船舶在正常運(yùn)營(yíng)15年后，整體涂裝仍能保持在完好的狀態(tài)。2008年7月1日，壓載艙P(yáng)SPC正式實(shí)施，2013年1月1日貨油艙P(yáng)SPC正式實(shí)施，這些涂裝新標(biāo)準(zhǔn)的密集出臺(tái)，對(duì)船廠的涂裝工藝和及鋼材預(yù)處理工藝提出了更高的要求。本船在涂裝設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求下，充分考慮了建造成本和工作量，系統(tǒng)地形成了《PSPC》操作規(guī)程，采用了高性能的油漆配套，以及采用了通用型的環(huán)氧底漆等方法，以提高涂裝效率。

6 優(yōu)化結(jié)果

6.1 航速的提高與油耗的減少

通過(guò)對(duì)船舶線型和螺旋槳進(jìn)行優(yōu)化，在保持船舶航速為14.5 kn的情況下，主機(jī)輸出功率降低612 kW(油耗降低2.4 t/天)，船舶主機(jī)日油耗降低至28.7 t/天。

通過(guò)節(jié)能裝置的安裝，進(jìn)一步改善艉部流場(chǎng)，提高推進(jìn)效率，主機(jī)輸出功率降低260 kW，降低了燃油消耗，船舶航速為14.51 kn的情況下船舶主機(jī)日油耗降低至27.7 t/天。表5為優(yōu)化前后油耗對(duì)照表。

表5 優(yōu)化前后油耗對(duì)照表

6.2 鋼材重量降低

優(yōu)化后的空船結(jié)構(gòu)重量由10 700 t減少到10 500 t(減少約200 t)，按目前的鋼材價(jià)格，每艘船的鋼材成本下降約100萬(wàn)元，并且船舶的載重量相應(yīng)增加。

6.3 EEDI指數(shù)優(yōu)化

EEDI能效設(shè)計(jì)指數(shù)是衡量船舶能效水平的指標(biāo)，船舶運(yùn)營(yíng)時(shí)所消耗的能源、船舶的航速以及最大載貨量是衡量船舶EEDI指數(shù)高低的三大關(guān)鍵性因素。

通過(guò)各方面的優(yōu)化后，能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI達(dá)到3.351(74.1%)遠(yuǎn)低于目前基線值4.4521，達(dá)到IMO第二階段(2020年1月1日～2024年12月31日)減排的要求。圖6為能效設(shè)計(jì)指數(shù)圖表。

圖6 能效設(shè)計(jì)指數(shù)圖表

7 結(jié)束語(yǔ)

該船型在優(yōu)化過(guò)程中，還考慮了冰區(qū)加強(qiáng)，裝載鋼卷等情況，由于篇幅有限，不一一列舉。此文為作者在設(shè)計(jì)中的心得體會(huì)，希望能給設(shè)計(jì)者在對(duì)其他散貨船優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中提供借鑒。

[1] 孫家鵬.經(jīng)濟(jì)實(shí)用的3 500 dwt單貨艙多用途船[J].船舶設(shè)計(jì)通訊，2011，1：3-7.

[2] 韓笑妍.散貨船價(jià)格跌無(wú)可跌[J].中國(guó)船檢，2013，1：46-47.

The Optimization of 76 000 t Panama Bulk Carrier

ZHU Lie-fu, FAN Xin

(Jiangsu Rongsheng Heavy Industry Co.,Ltd., Nantong Jiangsu 226532, China)

This article introduces the overall idea and method in optimization of 76 000 t Panama bulk carrier. The rapidity, economy and environmental conservation of the optimization are deeply studied. Under the depression of shipbuilding market, this optimization can improve the market competitiveness of Panama bulk carrier, reduce the building and operating cost, and provide a reference for shipbuilders and ship owners.

Carrier Optimization

朱烈伏(1983-)，男，助理工程師。

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