合理選擇18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船的方形系數(shù)

王志超，包 巖，王 濤

(大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116021)

合理選擇18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船的方形系數(shù)

王志超，包 巖，王 濤

(大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116021)

為了得到18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船合理的方形系數(shù)，使用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算某18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船的每日總油耗和每日單個(gè)集裝箱平均油耗，由計(jì)算結(jié)果分析獲得18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船最佳經(jīng)濟(jì)效益的方形系數(shù)范圍，提出具有可行性的超大型集裝箱船方形系數(shù)選取方法。

超大型集裝箱船；方形系數(shù)；油耗。

隨著14 000 TEU/16 000 TEU/18 000 TEU及以上集裝箱船訂單的大量涌現(xiàn)，超大型集裝箱船已成為當(dāng)前重要船型之一[1]。雖然船舶級(jí)別增大，但要求單個(gè)集裝箱平均能耗越來(lái)越少[2]。隨著集裝箱船的大型化和中低速化，其方形系數(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Cb)也在變化著。通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段設(shè)計(jì)建造的18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船方形系數(shù)統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，Cb=～0.65和Cb=～0.70的超大型集裝箱船較集中。方形系數(shù)0.65與0.70對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響需進(jìn)一步研究。

本文結(jié)合某18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船，考慮超大型集裝箱船的營(yíng)運(yùn)特點(diǎn)，將營(yíng)運(yùn)中每日總?cè)加拖牧?以下簡(jiǎn)稱(chēng)每日總油耗)作為參考指標(biāo)，將單個(gè)集裝箱燃油消耗(以下簡(jiǎn)稱(chēng)單箱油耗)定為本文考量船舶經(jīng)濟(jì)效益的主要指標(biāo)，對(duì)于兩種方形系數(shù)的船型方案，在排水量及吃水有所差異的情況下進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)如何在設(shè)計(jì)初期根據(jù)船型需求，合理地選擇超大型集裝箱船的方形系數(shù)。

1 超大型集裝箱船的特點(diǎn)

船舶大型化是船舶發(fā)展歷史上的一個(gè)顯著趨勢(shì)[3]，在集裝箱船市場(chǎng)上，這一趨勢(shì)似乎更為明顯，超大型集裝箱船應(yīng)運(yùn)而生。在能源壓力越來(lái)越大的現(xiàn)實(shí)下，船東只會(huì)對(duì)燃油效率高、油耗低的船型感興趣[4]。

超大型集裝箱船屬于干線運(yùn)輸班輪，船東對(duì)這類(lèi)船舶更看重營(yíng)運(yùn)的規(guī)模效應(yīng)，提高卸貨效率，降低運(yùn)營(yíng)成本，其中船舶航速和油耗指標(biāo)是船東評(píng)價(jià)船舶性能的重要依據(jù)[5]。

超大型集裝箱船雖然整體油耗大，但由于其裝箱量巨大，使得單個(gè)集裝箱計(jì)算的單位油耗低，這也使得船東對(duì)該船一直保持關(guān)注[6]。

超大型集裝箱船相比于其他油船或散貨船等大型船舶，具有但不限于以下的特點(diǎn)。

1)超大型集裝箱船屬于快速航行船舶，其航速要超過(guò)油船或散貨船。由于超大型集裝箱船高航速和其時(shí)效性的特點(diǎn)，使得該船方形系數(shù)小于另兩型船舶[7]。

2)船舶方形系數(shù)是表征船體水下部分肥瘦程度的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于高速超大型集裝箱船而言，方形系數(shù)對(duì)摩擦阻力的影響比較小，但對(duì)剩余阻力影響較大，而油船和散貨船正好相反。因此選擇合適的方形系數(shù)可適當(dāng)降低阻力影響[8]。

2 計(jì)算方法

船舶主機(jī)單位時(shí)間的燃油消耗量[9-10]：

(1)

式中:B——船舶主機(jī)單位時(shí)間的燃油消耗量,g/h;Ps——主機(jī)發(fā)出的功率 kW；b——主機(jī)燃油消耗率 g/(kW·h)；Pe——主機(jī)有效的功率 kW；ηd——推進(jìn)效率；ηs——軸系傳送效率。

船舶航速V時(shí)，總阻力Rt，根據(jù)泰勒阻力估算法，此時(shí)船舶的有效功率Pe為[11]：

(2)

式中：ρ——海水密度 kg/m3;S——船體濕表面積,m2;Ct——船舶總阻力系數(shù)；V——船舶航速m/s2;Rt——船舶總阻力，N。

綜上，船舶主機(jī)單位時(shí)間的燃油消耗量B為

(3)

則超大型集裝箱船每日總油耗Bt,(t/d)為:

Bt=B·24×106

(4)

將超大型集裝箱船每日總油耗均勻分布至每個(gè)集裝箱，既每日每個(gè)集裝箱燃油消耗量Bt,n為

(5)

式中：n——裝箱量。

3 某18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船計(jì)算結(jié)果

對(duì)比分析超大型集裝箱船不同方形系數(shù)和船舶燃油消耗的關(guān)系，則需要將其他參數(shù)固定化。根據(jù)不同Cb，對(duì)比某18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船在均質(zhì)裝載工況下，載重量同異的油耗，以營(yíng)運(yùn)中每日總油耗為參考，而將每日每箱平均油耗作為船型經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估優(yōu)良的主要考量指標(biāo)。假定三艘18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船的空船重量及油水裝載相同，則考慮船舶排水量同異工況下，船舶濕表面積和總阻力系數(shù)不同造成油耗差異。

選取某18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船系列船的典型航速18、20、22 kn。在載重量相同、吃水不同和載重量不同、吃水相同兩種工況下，對(duì)比分析超大型集裝箱船每日總?cè)加拖牧亢兔咳彰肯淦骄牡娜加土俊?艘18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船長(zhǎng)寬比和長(zhǎng)度型深比都相同，只有吃水和方形系數(shù)不同，其中TEU-1為深吃水小方形系數(shù)，TEU-2為淺吃水大方形系數(shù)，TEU-3為深吃水大方形系數(shù)。3艘船舶主尺度見(jiàn)表1。

表1 某18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船主尺度

3.1 載重量相同、吃水不同工況

由于船舶裝載油水等可變載荷，則集裝箱船的載重量可等效于其裝箱量。當(dāng)超大型集裝箱船載重量相同、吃水不同時(shí)，即某兩艘18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船TEU-1和TEU-2，同時(shí)均質(zhì)裝載10 t/TEU，20 ft標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的裝載量為14 000箱，但由于船舶主尺度中Cb=0.65和Cb=0.70的不同，使TEU-1和TEU-2 在吃水T上有所差異稱(chēng)為工況I。

按照上述油耗計(jì)算公式，得出船舶同時(shí)均質(zhì)裝載10 t/TEU，在18～22 kn航速下的每日的油耗值。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，在兩艘18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船載重量相同，吃水不同的工況下，Cb=0.65的超大型集裝箱船，其每日燃油總消耗和每日單箱消耗都小于Cb=0.70的船舶。而隨著船舶航速增加，兩艘船舶總油耗和單箱油耗都有所增長(zhǎng)，但兩艘船舶從航速18～22 kn區(qū)間，每日總油耗比值和單箱油耗比值則都從93%降低至85%，減少了約8%。

表2 18～22 kn航速下的每日的油耗值(工況I)

換言之，18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱無(wú)論如何均質(zhì)裝載，都是航速越高，船舶每日總油耗和單箱油耗都越高，但Cb小的超大型集裝箱船相對(duì)于Cb大的船舶油耗增加緩慢，且兩者的差值在逐漸增加，即船舶航速越高，Cb小的超大型集裝箱在油耗方面優(yōu)勢(shì)越明顯。

3.2 載重量不同、吃水相同工況

當(dāng)超大型集裝箱船載重量不同、吃水相同時(shí)，稱(chēng)為工況II,即某兩艘18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船TEU-1和TEU-3，由于船舶主尺度中Cb=0.65和Cb=0.70的不同，使TEU-1和TEU-3在均質(zhì)裝載10 t/TEU，裝箱量分別為14 000箱和16 000箱。

按照上述油耗計(jì)算公式，得出船舶同時(shí)均質(zhì)裝載10 t/TEU，在18 kn～22 kn航速下的每日的油耗值。計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 18～22 kn航速下的每日的油耗值(工況II)

由表3可以看出，在吃水相同，載重量不同的工況下，Cb=0.65的超大型集裝箱船，其每日燃油消耗總量都小于Cb=0.70的船舶，但平均至每個(gè)集裝箱的燃油消耗卻大于Cb=0.70的船舶。而隨著船舶航速增加，兩艘船舶每日總油耗和單箱油耗都有所增長(zhǎng)，但兩艘船舶總油耗比值從99%降低至93%，減少了約6%，而兩艘船舶單箱總油耗比值從113%降低至106%，減少了約7%。每日單箱油耗幅度大于每日總油耗。均質(zhì)裝載不同重量集裝箱時(shí)，油耗與航速曲線趨勢(shì)一致。當(dāng)航速小于18kn時(shí)，其Cb=0.7總油耗會(huì)比Cb=0.65的更小。

換言之，18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船航速越高，船舶總油耗和單箱油耗都越高，但Cb小的超大型集裝箱船相對(duì)于Cb大的船舶總油耗更少；而Cb小的超大型集裝箱船隨著航速增加，單個(gè)集裝箱平均油耗都大于Cb大的船舶，但與Cb大船舶的差值在逐漸減少，即相對(duì)于Cb大的船舶，其油耗的劣勢(shì)在逐漸減小。假設(shè)船舶航速處在中低速區(qū)間，Cb大的超大型集裝箱船在每日單個(gè)集裝箱平均油耗和每日總油耗都可能會(huì)小于Cb小的船舶。

3.3 結(jié)果分析

對(duì)于上述兩種方形系數(shù)的3種船型方案，考慮兩種情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 三艘18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船 每日總油耗和每日單箱油耗

1)當(dāng)18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船航速區(qū)間為18～22 kn時(shí)，TEU-1每日總油耗最小，而TEU-2最大，其中18 kn以下時(shí)，TEU-3的總油耗要比TEU-1更低。

2)考慮18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船每日單箱油耗時(shí)，TEU-3每日單箱油耗最小，TEU-2最大。無(wú)論是考量總油耗還是單箱油耗，TEU-2都是經(jīng)濟(jì)效益最差的。

3)以每日總油耗為參考指標(biāo)，而每日單箱油耗為主要考量船舶經(jīng)濟(jì)效益的指標(biāo)，當(dāng)航速區(qū)間為18～22 kn，則TEU-3為經(jīng)濟(jì)效益最好,既深吃水方形系數(shù)范圍約為0.70的18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船經(jīng)濟(jì)效益最好。

4)該18 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船TEU-3在航速18 kn以下為最佳經(jīng)濟(jì)效益區(qū)間，既每日總油耗和單箱油耗都最小。特別是集裝箱船中低速化的現(xiàn)在，深吃水方形系數(shù)范圍約為0.70的超大船型經(jīng)濟(jì)效益會(huì)非常顯著。

4 結(jié)論

1)由于以上兩種方形系數(shù)具有超大型集裝箱船統(tǒng)一的特點(diǎn)，可適當(dāng)?shù)貞?yīng)用到其他超大型集裝箱船。

2)如果船東運(yùn)貨量較少、且需要航速較快，即船舶周轉(zhuǎn)性快，就應(yīng)該在設(shè)計(jì)初期選擇Cb較小的方案。

3)如果船東運(yùn)貨量較大、且對(duì)航速要求不高，即船舶周轉(zhuǎn)性無(wú)要求，就應(yīng)該在設(shè)計(jì)初期選擇Cb較大且吃水較深的方案。

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行性分析[D].上海：上海海運(yùn)學(xué)院,2003.

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Research on Rational Selection of Block Coefficient of 18 000 TEU Ultra Large Container Vessels

WANG Zhi-chao, BAO Yan, WANG Tao

(Dalian Shipbuilding Industry Co.,Ltd., Dalian Liaoning 116021, China)

The rational block coefficient of 18 000 TEU ultra large container vessel (ULCV) is studied. By experiential formula, the total oil consumption per day and average oil consumption of one container per day of 18 000 TEU ULCV are calculated. According to the results, the range of block coefficient with the best economic benefit has been gained. The feasible select method of block coefficient of ULCV is put forward for subsequent ULCV in design.

ultra large container vessel; block coefficient; specific fuel oil consumption.

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.015

2015-04-22

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目

王志超(1985-)，男，碩士，工程師

U674.13

A

1671-7953(2015)06-0065-04

修回日期：2015-06-10

研究方向:船舶與海洋工程總體設(shè)計(jì)

E-mail:offshore@dsic-design.cn