郝金鳳，李忠剛，強(qiáng)兆新，何 寶，袁永生

（1.中船重工船舶設(shè)計(jì)研究中心有限公司，北京 100081；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫 214082）

0 引言

2000年以來(lái)，我國(guó)船舶工業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，隨著造船產(chǎn)量的不斷擴(kuò)大，船型開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)技術(shù)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，具備了散貨船、油船和集裝箱船等常規(guī)運(yùn)輸船型的自主設(shè)計(jì)和研發(fā)能力，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)運(yùn)輸船型的系列化、批量化接單和建造，部分產(chǎn)品已接近或達(dá)到世界先進(jìn)水平，但是仍與日、韓等造船強(qiáng)國(guó)有差距，并且隨著公約、規(guī)范的更新發(fā)展，尤其是減排等綠色法規(guī)的生效，船舶設(shè)計(jì)、建造的理念也發(fā)生了變化。因此，在已有技術(shù)基礎(chǔ)上，提出建立船舶關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)參照體系，以期形成一批引領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)需求的常規(guī)運(yùn)輸船舶的品牌船型，使我國(guó)常規(guī)運(yùn)輸船型綜合競(jìng)爭(zhēng)力躍居世界前列。

本文在船舶設(shè)計(jì)原理和船舶設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)分析的基礎(chǔ)上，建立船舶設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)參照體系，在船舶業(yè)界起到技術(shù)引領(lǐng)作用。通過(guò)對(duì)船舶設(shè)計(jì)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)影響因素的分析，給出常規(guī)運(yùn)輸船型的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)指標(biāo)范圍，為我國(guó)打造常規(guī)運(yùn)輸船舶的精品船型提供技術(shù)參考。

1 總體思路

總體思路歸納為以下幾點(diǎn)：

1）本參照體系是一個(gè)庫(kù)的概念，包括兩個(gè)部分：已造船資料、航線和碼頭、公約規(guī)范等影響因素資料庫(kù)和推薦的各船型的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)范圍。其目的是對(duì)整個(gè)船舶行業(yè)有技術(shù)引導(dǎo)作用，促進(jìn)業(yè)界知識(shí)的共享，加強(qiáng)我國(guó)船舶訂單承接能力。

2）通過(guò)各種渠道收集國(guó)內(nèi)外已造船的資料，統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)參數(shù)特點(diǎn)，并結(jié)合公約、規(guī)范的發(fā)展研究船舶設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)掌握市場(chǎng)反饋信息，為確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)范圍提供技術(shù)基礎(chǔ)。

3）通過(guò)分析典型海運(yùn)貨物的航線特點(diǎn)研究其適用?？康母劭凇⒋a頭設(shè)施條件，掌握其對(duì)船舶關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)的影響，為確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)范圍提供依據(jù)。

4）論證確定船舶關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，在已造船資料和航線碼頭資料等分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合新生效或即將生效的公約、規(guī)范的要求推薦各船型關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)的指標(biāo)范圍，為國(guó)內(nèi)船型優(yōu)化、開(kāi)發(fā)提供參考。

本文將著重論述船舶關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)的確定部分，并且主要針對(duì)礦砂船、散貨船、油船和集裝箱船等常規(guī)運(yùn)輸船型進(jìn)行研究。

2 確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

船舶設(shè)計(jì)過(guò)程就是論證技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性相互作用獲得最佳平衡點(diǎn)的過(guò)程。船舶設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括很多技術(shù)參數(shù)，可以分為主尺度、主輔機(jī)、艙容、作業(yè)設(shè)備、創(chuàng)新點(diǎn)等五個(gè)大方面，共有41個(gè)主要技術(shù)參數(shù)（表1）。

表1中41項(xiàng)是礦砂船、油船、散貨船、集裝箱船的主要技術(shù)參數(shù)，全面表征了船型性能水平和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。船舶設(shè)計(jì)是螺旋式優(yōu)化的過(guò)程，是先確定總體的技術(shù)指標(biāo)再優(yōu)化、逐步完善具體的細(xì)節(jié)的工程，是不斷平衡、優(yōu)化的過(guò)程。因此在評(píng)價(jià)一型船是否優(yōu)秀，一般不需要對(duì)比船舶的每項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，而是抓住關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，評(píng)估船舶整體水平的優(yōu)越性，否則容易進(jìn)入“丟了西瓜撿芝麻”的誤區(qū)。

表1 常規(guī)運(yùn)輸船舶關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

在提出一艘新船的設(shè)計(jì)建造任務(wù)時(shí)，需進(jìn)行多方面的可行性研究，探討能達(dá)到的最佳經(jīng)濟(jì)效益的途徑以及所應(yīng)采取的有關(guān)技術(shù)措施，從而明確對(duì)新船的總體要求，通常包括：任務(wù)要求、航線要求、港口情況、機(jī)電配套、同類(lèi)船型情況、公約規(guī)范要求以及船廠造價(jià)等。如果對(duì)某一標(biāo)準(zhǔn)船型進(jìn)行研究，則要針對(duì)這種船型適應(yīng)條件較廣泛、批量大的特點(diǎn)結(jié)合航線、港口的各方面條件做系列分析。根據(jù)船舶設(shè)計(jì)原理總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，一般情況下主要影響因素有：載重量、航速、機(jī)型、主尺度限制條件等[1]。

在船舶設(shè)計(jì)中，港口碼頭的泊位條件和裝卸貨設(shè)備對(duì)?？康拇翱傞L(zhǎng)、型寬、結(jié)構(gòu)吃水有限制；對(duì)于裝載輕質(zhì)貨時(shí)，艙容是制約裝貨量的重要因素；集裝箱載箱量是船舶租金和運(yùn)河收費(fèi)的主要指標(biāo)。

節(jié)能減排是船舶設(shè)計(jì)的大勢(shì)所趨，EEDI指標(biāo)[2-4]至關(guān)重要，基于典型主力船型的升級(jí)換代、打造精品船型的開(kāi)發(fā)研究，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上考慮適度前瞻的原則，需制定合理的EEDI指標(biāo)；目前，對(duì)節(jié)能減排研究較深入的有日韓等國(guó)，對(duì)于新推出的船型普遍都以CO2減排為指標(biāo)，因此本項(xiàng)目中在總技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中把CO2減排也作為指標(biāo)提出?？傊@兩個(gè)指標(biāo)最直接的反應(yīng)就是低油耗，推出低油耗指標(biāo)的船型，保證市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

通過(guò)研究航線港口限制條件、公約規(guī)范的新要求、市場(chǎng)訂單承接需求以及同類(lèi)船舶統(tǒng)計(jì)資料，并且組織業(yè)界專(zhuān)家進(jìn)行4輪討論確定11項(xiàng)常規(guī)運(yùn)輸船型關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)（表2），并進(jìn)一步推薦各指標(biāo)范圍供船舶開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)參考。

表2 船舶設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)指標(biāo)范圍

空船重量是決定載重量的關(guān)鍵指標(biāo)，影響空船重量的因素很復(fù)雜，包括高強(qiáng)度鋼應(yīng)用比例、建造水平和工業(yè)配套水平等多方面，如果只進(jìn)行數(shù)量上簡(jiǎn)單對(duì)比不盡合理，因此經(jīng)過(guò)專(zhuān)家討論該指標(biāo)只作為參考。

3 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)換算及計(jì)算公式

航速的高低對(duì)于計(jì)算EEDI指標(biāo)、CO2減排指標(biāo)、油耗指標(biāo)有重要影響，開(kāi)發(fā)船的航速可能與參考船的航速不同，這就會(huì)導(dǎo)致得到的EEDI等指標(biāo)缺乏統(tǒng)一的對(duì)比基礎(chǔ)；另外，文章第2部分確定的精品船型關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)中的“單運(yùn)力CO2減排指標(biāo)”是新提出的一個(gè)概念，也需要進(jìn)一步細(xì)化，以便進(jìn)行更準(zhǔn)確的量化計(jì)算，進(jìn)而更合理、更有效地對(duì)開(kāi)發(fā)船進(jìn)行評(píng)估。船舶航速轉(zhuǎn)換方法涉及的船舶要素如表3所示。

表3 航速轉(zhuǎn)換船舶要素表

3.1 航速轉(zhuǎn)換方法

EEDI計(jì)算應(yīng)用的是船舶75%SMCR的功率以及此功率對(duì)應(yīng)的夏季載重線吃水船速。而船舶技術(shù)指標(biāo)中所指的航速指標(biāo)一般為船舶設(shè)計(jì)吃水下，主機(jī)常用功率（通常是85%SMCR）帶15%海上儲(chǔ)備對(duì)應(yīng)的船速，相當(dāng)于船舶設(shè)計(jì)吃水工況功率航速曲線上的0.85SMCR×0.985/1.15功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的航速。若開(kāi)發(fā)船航速實(shí)際達(dá)到的航速指標(biāo)與參考船流行指標(biāo)相同，則直接應(yīng)用其主機(jī)SMCR和相關(guān)吃水下對(duì)應(yīng)的75%SMCR點(diǎn)航速計(jì)算就可以了；若開(kāi)發(fā)船航速實(shí)際達(dá)到的航速指標(biāo)與參考船流行指標(biāo)有差異，則需根據(jù)船模試驗(yàn)報(bào)告的設(shè)計(jì)吃水和夏季吃水（通常是結(jié)構(gòu)吃水）功率航速曲線做轉(zhuǎn)化來(lái)確定標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算EEDI用的功率和航速。具體方法如下：在開(kāi)發(fā)船設(shè)計(jì)吃水下的功率-航速曲線（由模型試驗(yàn)或試航試驗(yàn)得到）上查得與參考船航速指標(biāo)Vdc對(duì)應(yīng)的螺旋槳收到功率PDTt，獲得主機(jī)常用持續(xù)功率CSR和特定的最大持續(xù)功率SMCR，進(jìn)而在開(kāi)發(fā)船結(jié)構(gòu)吃水下的功率-航速曲線（由模型試驗(yàn)或試航試驗(yàn)得到）上查得75%SMCR點(diǎn)航速作為Vref，用于開(kāi)發(fā)船EEDI評(píng)估。主要步驟如下：

1）在開(kāi)發(fā)船設(shè)計(jì)吃水下的的功率-航速曲線上查得Vdc對(duì)應(yīng)的螺旋槳收到功率PDTt；

2）用PDTt反算求得計(jì)算用主機(jī)名義功率：SMCRt=((PDTt/0.985)×1.15)/0.85；

3）在開(kāi)發(fā)船結(jié)構(gòu)吃水下的功率-航速曲線上查得75%SMCRt對(duì)應(yīng)的航速。

航速轉(zhuǎn)換如圖1和圖2所示：

圖1 開(kāi)發(fā)船設(shè)計(jì)吃水下主機(jī)功率-航速曲線圖

圖2 開(kāi)發(fā)船滿(mǎn)載吃水下主機(jī)功率-航速曲線圖

計(jì)算單運(yùn)力 CO2指標(biāo)時(shí)采用設(shè)計(jì)吃水下的航速，按照3.1中1）和2）的方法進(jìn)行航速轉(zhuǎn)換，獲得對(duì)應(yīng)的功率值，進(jìn)而求得相應(yīng)的油耗值。

3.2 CO2減排計(jì)算方法

CO2減排指標(biāo)是開(kāi)發(fā)船與參考船進(jìn)行比較而言的，但是開(kāi)發(fā)船與參考船相比載重量也有變化，往往是目標(biāo)船的載重量增大，這對(duì)于衡量CO2減排來(lái)說(shuō)是有利因素，因此本計(jì)算方案采用開(kāi)發(fā)船單位載重量下的 CO2減排與參考船單位載重量下的 CO2減排比較，即單運(yùn)力CO2減排指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

其中：2coE為單運(yùn)力CO2減排指標(biāo)。

CO2減排計(jì)算涉及到的船舶要素如表4所示。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，評(píng)估可以?xún)H僅應(yīng)用相同航行工況(85%SMCR帶 15%SM 設(shè)計(jì)吃水航速)和主機(jī)工況(85%SMCR，427000kJ/kg燃油熱值，ISO標(biāo)準(zhǔn)氣溫等)下的推進(jìn)主機(jī)日油耗降低比例來(lái)判定 CO2減排達(dá)到的比例。

評(píng)估也可以采用綜合分析法。若確有新開(kāi)發(fā)船應(yīng)用實(shí)效CO2減排技術(shù)的如岸電系統(tǒng)、航行中的清潔燃料應(yīng)用、航行中的余能應(yīng)用等而減少了航行中主機(jī)排放或鍋爐排放或碼頭期間的發(fā)電機(jī)排放，則允許對(duì)此船采用航次周期綜合排放評(píng)估的方法?？梢钥紤]航次周期在港時(shí)間、航行時(shí)間、航速、載貨量等開(kāi)發(fā)新船與參考船都相同情況下以及顧及合理的不同工況時(shí)間權(quán)重及有關(guān)減排技術(shù)應(yīng)用時(shí)間權(quán)重來(lái)評(píng)估CO2減排比率。

4 船舶設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)參照體系階段性研究成果

通過(guò)收集已造船資料、分析航線港口、公約規(guī)范、市場(chǎng)反饋等影響因素初步建立了常規(guī)運(yùn)輸船型的資料庫(kù)，并且經(jīng)過(guò)業(yè)界專(zhuān)家多輪討論給出了九型精品船型設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)范圍。九型精品船型包括：40萬(wàn)噸級(jí)礦砂船、20萬(wàn)噸級(jí)散貨船、11萬(wàn)噸級(jí)散貨船、9萬(wàn)噸級(jí)散貨船、32萬(wàn)噸級(jí)油船、16萬(wàn)噸級(jí)油船、11萬(wàn)噸級(jí)油船、5萬(wàn)噸級(jí)油船、4600TEU集裝箱船。指標(biāo)確定原則是在主流船型主尺度下考慮了開(kāi)發(fā)船型在當(dāng)前流行船舶航速下EEDI指標(biāo)滿(mǎn)足到2025年前的規(guī)則要求。

確定各指標(biāo)的范圍，主要采用的方法有以下幾種：

1）已造船統(tǒng)計(jì)資料分析法；

表4 CO2減排計(jì)算船舶要素表

2）港口、碼頭、運(yùn)河等限制條件分析；

3）收費(fèi)限制條件分析；

4）公約規(guī)范要求；

5）訂單市場(chǎng)反饋；

6）專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)建議。

經(jīng)過(guò)造船工程學(xué)會(huì)組織4輪專(zhuān)家討論后，確定了九型精品船型關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)范圍，該指標(biāo)范圍為九型精品船型開(kāi)發(fā)課題任務(wù)書(shū)評(píng)審提供依據(jù)，引導(dǎo)其船型開(kāi)發(fā)方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了船舶設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)參照體系建立技術(shù)，經(jīng)專(zhuān)家討論確定了階段性指標(biāo)，對(duì)技術(shù)發(fā)展有引導(dǎo)作用，為船型優(yōu)化升級(jí)和船型開(kāi)發(fā)提供參考。

參照體系在其船型適用性、指標(biāo)階段性等方面還存在不足和局限性。隨著船舶規(guī)范、設(shè)計(jì)技術(shù)、市場(chǎng)需求的發(fā)展變化，不斷完善，保持其先進(jìn)性，發(fā)揮指導(dǎo)意義。主要從以下5個(gè)方面開(kāi)展完善工作：

1）密切跟蹤新公約、規(guī)范的制定和實(shí)施，分析其對(duì)船舶關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的影響及對(duì)設(shè)計(jì)理念的影響，根據(jù)需要更新參照體系中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2）及時(shí)掌握不同船型航線、港口、貨源等的變化，研究其對(duì)船舶關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的影響，根據(jù)需要更新參照體系中的相關(guān)數(shù)據(jù)，不斷完善。

3）持續(xù)關(guān)注節(jié)能減排的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展，跟蹤其對(duì)EEDI等指標(biāo)的影響，修改相應(yīng)指標(biāo)，保持本指導(dǎo)文件的先進(jìn)性。

4）持續(xù)收集新造船資料，擴(kuò)大樣本船資料數(shù)量。

5）進(jìn)一步建立除九型精品船型以外的其它船型數(shù)據(jù)庫(kù)，擴(kuò)大船型適用范圍。

[1]程斌, 潘偉文.船舶設(shè)計(jì)教程[M].上海: 上海交通大學(xué)出版社, 1988.

[2]IMO.RESOLUTION MEPC.203 (62), Amendments to the Annex of Protocol of 1997 to Amend the International Convention for the Prevention of Pollution From Ships, 1973, as Modified by the Protocol of 1978 Relating Thereto [S].2011.

[3]IMO.MEPC.212 (63), 2012 Guidelines on the method of calculation of the attained energy efficiency design index (EEDI) for new ships[S].2012.

[4]IMO.MEPC.214 (63), 2012 Guidelines on survey and certification of the energy efficiency design index (EEDI)[S].2012.

[5]中國(guó)船級(jí)社.船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)驗(yàn)證指南[S].2012.