盧 晨，張華平

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 引 言

近年來，國際易腐貨物海運(yùn)貿(mào)易量持續(xù)增長。依托不斷創(chuàng)新的冷鏈保鮮技術(shù)和數(shù)字技術(shù)，承運(yùn)商可通過海陸聯(lián)運(yùn)模式將易腐商品高效安全地送達(dá)世界各國，并完好無損地交付給客戶。根據(jù)航運(yùn)咨詢公司德路里（Drewy）的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)［1］，2019 年全球冷藏貨物海運(yùn)貿(mào)易量為1.305 億t，至2024 年將達(dá)到1.560 億t，年均增長率為3.7%。冷藏集裝箱在冷鏈運(yùn)輸貿(mào)易中扮演著重要的角色，其具有傳統(tǒng)冷藏船不可替代的諸多優(yōu)勢(shì)，如門到門高效運(yùn)輸、無間斷全冷鏈運(yùn)輸、貨物吊運(yùn)及轉(zhuǎn)運(yùn)便捷、溫度場(chǎng)區(qū)分變化靈活、日常維護(hù)管理方便和可實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控等。當(dāng)前冷藏貨物海運(yùn)模式正在從專業(yè)冷藏船隊(duì)向冷藏集裝箱船隊(duì)轉(zhuǎn)變，預(yù)計(jì)到2024年，專業(yè)冷藏船運(yùn)輸量占貿(mào)易量的比例將從2019 年的13%下降至8%，而冷藏集裝箱運(yùn)輸量占貿(mào)易量的比例將從2019 年的87%增長至92%。根據(jù)德路里的統(tǒng)計(jì)［1］，受全球新冠疫情的影響，2020 年全球海運(yùn)易腐品貿(mào)易量相比2019 年下降了0.4%（至1.32 億t），而冷藏集裝箱貨運(yùn)量相比2019 年增長了0.3%（至540 萬TEU）。世界上最大的幾家冷藏貨物承運(yùn)商二十多年訂造冷藏集裝箱船的歷程基本上反映了全冷藏集裝箱船型的演變歷程和發(fā)展趨勢(shì)。幾款具有代表性的船型如表1 所示。

表1 幾款具有代表性的全冷藏集裝箱船概況

1 整體設(shè)計(jì)理念和船型特征

以某634 FEU全冷藏集裝箱船為例，對(duì)其整體設(shè)計(jì)理念和船型特征進(jìn)行分析。該型船的目標(biāo)營運(yùn)航線為哥倫比亞—美國東海岸，主要承運(yùn)香蕉、菠蘿等水果，在尺度上大致相當(dāng)于2 200 TEU 級(jí)支線集裝箱船。該型船貨艙內(nèi)和甲板上的所有箱位都是冷藏集裝箱箱位，設(shè)計(jì)吃水為9.3 m，均質(zhì)26 t 重箱數(shù)量可達(dá)600 FEU。船舶的總體布局和尺度參數(shù)均圍繞該設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過優(yōu)化論證確定。該型船的設(shè)計(jì)環(huán)境條件基于外界空氣最高溫度為＋40 ℃，貨艙內(nèi)的冷藏集裝箱全部為風(fēng)冷型式（Air-cooled type）考慮，單個(gè)40 ft（1 ft ＝0.304 8 m）冷藏集裝箱的通風(fēng)量為4 500 m3／h。冷藏集裝箱的供電量基于香蕉在穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度必須恒定于＋13 ℃的保鮮要求設(shè)定，其中：50%的冷藏集裝箱為暖箱（Warm container），其裝船時(shí)冷藏集裝箱內(nèi)的溫度為＋25 ℃）；另外50%的冷藏集裝箱為預(yù)制冷箱（Pre-cooled container），其裝船時(shí)冷藏集裝箱內(nèi)的溫度為＋13 ℃?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)邊界條件，通過查閱文獻(xiàn)等調(diào)查研究［2］并與船東溝通，確定冷藏集裝箱的供電量為8 kW／FEU。

2 船型開發(fā)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 尺度參數(shù)及船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)論證

該型船的目標(biāo)航線和港口泊位對(duì)船舶尺度的限制：總長小于等于220 m；型寬小于等于30 m；設(shè)計(jì)吃水小于等于9.3 m；空氣吃水小于等于40.23 m。該型船的目標(biāo)26 t均質(zhì)冷藏箱數(shù)量要求大于等于600 FEU，基于以下邊界條件：設(shè)計(jì)吃水9.3 m；平浮；油水等消耗品的攜帶量基于續(xù)航力1 800 n mile考慮，并考慮3 d冗余；集裝箱規(guī)格為40.0 ft ×8.0 ft×9.5 ft；集裝箱重心高度假定為45%箱高。

根據(jù)上述船東提供的限制性邊界條件和目標(biāo)均質(zhì)冷藏集裝箱數(shù)量要求，結(jié)合目標(biāo)航速要求，對(duì)船長和型深的選取進(jìn)行多方案對(duì)比。船長的論證分別考慮12 Bay、11 Bay和10 Bay等3 種方案，評(píng)價(jià)指針為初投資成本、快速性和油耗水平、載重量及均質(zhì)冷藏集裝箱數(shù)量水平；型深的論證考慮貨艙內(nèi)5 層冷藏集裝箱和6 層冷藏集裝箱2 種方案，評(píng)價(jià)指針為均質(zhì)冷藏集裝箱數(shù)量水平、貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)可行性和初投資成本。根據(jù)以上論證對(duì)比和綜合權(quán)衡，最終確定該型船的總長為192.0 m，型深為15.3 m，最大程度節(jié)約該項(xiàng)目的初期投資成本，同時(shí)確保主機(jī)油耗在合理區(qū)間內(nèi)，并確保26 t均質(zhì)冷藏箱數(shù)量滿足船東的要求，使多重約束條件下的單箱成本（Slot Cost）達(dá)到最低。

該型船在設(shè)計(jì)吃水（9.3 m）下的服務(wù)航速為21.5 kn，相比同尺度級(jí)別的集裝箱船偏高，且滿載設(shè)計(jì)吃水9.3 m相比同尺度級(jí)別的集裝箱船偏小，導(dǎo)致如何使該型船的能效設(shè)計(jì)指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，EEDI）滿足國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）Phase 1 的要求成為方案設(shè)計(jì)初期面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。為此，該型船設(shè)置“虛擬”的最大吃水10.9 m作為載重線勘劃和船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)吃水，有效提升EEDI計(jì)算中的裝載能力，使得EEDI比參考線低12.4%，達(dá)到IMO Phase 1 的要求，確保該設(shè)計(jì)方案滿足法規(guī)的要求。盡管該型船的最大結(jié)構(gòu)吃水對(duì)船東的船舶營運(yùn)沒有實(shí)際意義，但該設(shè)計(jì)策略以少量增加鋼材重量為代價(jià)使“客戶的高航速要求”與“EEDI法規(guī)要求”之間的矛盾得到了解決。

2.2 貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

該型船貨艙的所有箱位都能裝載冷藏集裝箱，且主要裝載的貨物是香蕉。參考挪威船級(jí)社RCP（Refrigerated Container Stowage Position，冷藏集裝箱裝載位置）船級(jí)符號(hào)的規(guī)范推薦，對(duì)于“dedicated banana carriers”單個(gè)40 ft冷藏集裝箱的冷卻風(fēng)量要求為4 500 m3／h。該型船共有4 個(gè)貨艙，各貨艙的通風(fēng)量和風(fēng)機(jī)配置見表2。

表2 各貨艙的通風(fēng)量和風(fēng)機(jī)配置

裝載冷藏集裝箱的貨艙通常采用“機(jī)械送風(fēng)＋自然出風(fēng)”的通風(fēng)方式。由于該型船所有貨艙的箱位都用來裝載冷藏集裝箱，且船東要求所有冷藏集裝箱的壓縮機(jī)端都布置在靠船尾的一端，導(dǎo)致貨艙區(qū)的所有甲板條區(qū)域都需布置送風(fēng)風(fēng)機(jī)，沒有足夠的額外空間布置自然出風(fēng)口。只有貨艙蓋板靠近船舷的兩側(cè)可布置自然出風(fēng)口的百葉窗。但是，由于通風(fēng)面積有限，若所有出風(fēng)都僅靠艙蓋自然出風(fēng)口完成，則通風(fēng)口處的風(fēng)速將接近10 m／s。風(fēng)速過高會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)阻力增大，通風(fēng)散熱效果下降，引起貨艙溫度過高，貨艙內(nèi)冷藏集裝箱的貨損概率增大。為解決該難題，該型船采用“橫向通風(fēng)”方案，即：針對(duì)每個(gè)冷藏集裝箱Bay，將送風(fēng)和抽風(fēng)布置于與冷藏箱壓縮機(jī)端面相鄰的同一道橫艙壁空間內(nèi)，這樣能有效縮短通風(fēng)路徑，減小通風(fēng)阻力，使冷藏集裝箱產(chǎn)生的熱量就地循環(huán)并被帶出貨艙。以通風(fēng)量最大的第三貨艙為例，其通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置：在中間設(shè)置機(jī)械送風(fēng)，在兩邊設(shè)置機(jī)械抽風(fēng)，在艙蓋板側(cè)壁設(shè)置自然通風(fēng)百葉窗，見圖1 和圖2。其中，x1～x4分別對(duì)應(yīng)不同的橫截面。

圖1 典型貨艙通風(fēng)系統(tǒng)CFD模型

圖2 典型貨艙CFD模型橫截面位置

為驗(yàn)證該通風(fēng)方案的通風(fēng)散熱效果，采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件StarCCM ＋對(duì)貨艙溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行仿真預(yù)報(bào)。仿真計(jì)算的輸入邊界條件：送入貨艙的新風(fēng)溫度為＋40 ℃；每個(gè)冷藏集裝箱的平均制冷量為12.8 kW。針對(duì)初次仿真預(yù)報(bào)結(jié)果中出現(xiàn)的貨艙內(nèi)局部溫度過高和局部流動(dòng)不佳的問題，對(duì)橫艙壁的結(jié)構(gòu)形式及開孔尺寸、送風(fēng)口和抽風(fēng)口的布置位置及角度進(jìn)行多次修改和優(yōu)化，最終得到理想的通風(fēng)散熱結(jié)果，橫艙壁內(nèi)絕大多數(shù)區(qū)域的最高溫度都控制在＋50 °C以內(nèi)，能保證冷藏集裝箱壓縮機(jī)正常運(yùn)行和制冷效果滿足要求。圖3 和圖4 分別為最終優(yōu)化方案的第三貨艙橫截面x1和x2位置的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)仿真預(yù)報(bào)結(jié)果。

圖3 典型貨艙溫度場(chǎng)仿真預(yù)報(bào)結(jié)果

圖4 典型貨艙速度場(chǎng)仿真預(yù)報(bào)結(jié)果

2.3 電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

該型船的冷藏集裝箱總電功率為4 800 kW，電站配置為2 臺(tái)2 650 kW柴油發(fā)電機(jī)和2 臺(tái)1 850 kW柴油發(fā)電機(jī)，電站總功率為9 000 kW。對(duì)于船舶電站總功率在8 000 ～10 000 kW這種臨界區(qū)間內(nèi)的情形，全船電力系統(tǒng)是采用中壓還是低壓，通常需要綜合權(quán)衡、慎重決策。若采用中壓電力系統(tǒng)，勢(shì)必要同時(shí)增加與發(fā)電機(jī)容量相當(dāng)?shù)慕祲鹤儔浩骱椭袎号潆娧b置。

該型船采用由多個(gè)匯流排組成的低壓電力系統(tǒng)，按為日用負(fù)載和冷藏集裝箱等幾類系統(tǒng)分開供電的思路，將電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)成多個(gè)分區(qū)供電的匯流排，使最大短路電流下降至120 kA以內(nèi)，使低壓配電系統(tǒng)具備技術(shù)可行性。據(jù)測(cè)算，該項(xiàng)目每艘船的初期投資成本可節(jié)省約35 萬美元。

2.4 船體橫艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

集裝箱船的船體梁結(jié)構(gòu)為薄壁大開口型式，通常在橫艙壁頂部設(shè)置橫向抗扭箱結(jié)構(gòu)，保證船體的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度滿足要求，貨艙內(nèi)冷藏集裝箱的堆裝層數(shù)通常小于貨艙內(nèi)集裝箱的最大層數(shù)。這種設(shè)計(jì)的一個(gè)缺陷是，貨艙內(nèi)最頂層、最外列的箱位端面因被橫向抗扭箱結(jié)構(gòu)遮擋，通常不適宜裝載冷藏集裝箱。這是由于船員無法近距離抵達(dá)該箱位，從而無法對(duì)冷藏集裝箱進(jìn)行日常巡視和維護(hù)檢修。

該型船突破傳統(tǒng)支線集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思維定式，按5 層高箱設(shè)計(jì)貨艙高度，并使貨艙內(nèi)的所有箱位都可裝載冷藏集裝箱（包括最頂層、最外列的箱位），能避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中貨艙內(nèi)全部裝載冷藏集裝箱（9.5 ft高箱）情形下的虧艙現(xiàn)象，提升貨艙的空間利用率，降低全船貨物的重心高度。

為實(shí)現(xiàn)該針對(duì)總體布局的優(yōu)化目標(biāo)，該型船的橫艙壁設(shè)計(jì)幾乎完全取消傳統(tǒng)的橫向抗扭箱結(jié)構(gòu)，在與最頂層冷藏箱位相鄰的橫艙壁上布置尺寸為2 200 mm × 1 700 mm 的開孔，在最外列箱位處布置尺寸為2 000 mm×1 700 mm的開孔（見圖5），保障船員日常巡視、維護(hù)冷藏集裝箱的便利性，保證貨艙內(nèi)的所有冷藏集裝箱都能實(shí)現(xiàn)無障礙拆卸壓縮機(jī)。

圖5 冷藏集裝箱船橫艙壁結(jié)構(gòu)

通過有限元分析優(yōu)化局部開孔形狀和結(jié)構(gòu)尺寸（見圖6），確保船體扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和局部強(qiáng)度滿足船級(jí)社規(guī)范的要求。

圖6 橫艙壁結(jié)構(gòu)有限元分析合成應(yīng)力云圖

3 結(jié) 語

本文所述634 FEU全冷藏集裝箱船是為國際專業(yè)冷藏貨物承運(yùn)商開發(fā)的一款特色鮮明的支線集裝箱船，其設(shè)計(jì)理念符合當(dāng)前國際冷藏集裝箱船型發(fā)展的趨勢(shì)。

該型船在貨艙通風(fēng)和船體橫艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面有所創(chuàng)新，充分依靠CFD 工具，拓展其在船型開發(fā)中應(yīng)用的廣度和深度，使之在驗(yàn)證評(píng)估和輔助決策中發(fā)揮重要作用。

冷藏集裝箱船具有特殊的航線營運(yùn)需求和貨物保鮮要求，其載運(yùn)的冷藏集裝箱數(shù)量通常較多，且設(shè)計(jì)航速偏高，能源需求較大，溫室氣體排放較多。因此，后續(xù)需在節(jié)能減碳方面對(duì)該類船型進(jìn)行深入研究，以期在“滿足客戶個(gè)性化需求”與“減少船舶碳排放”之間得到平衡。