1 000 TEU高端绿色环保型支线集装箱船设计分析

钱海炜，章 锐，干兆辉

（舟山长宏国际船舶修造有限公司，浙江舟山 316000）

0 引言

随着全球温室效应的加剧，世界各国对保护环境的呼声日益增长，对污染源的限制要求越来越高。国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）2008年10月召开的会议对船舶废气排放提出了进一步的要求，并颁布了分阶段实施的废气排放标准，针对NOx、SOx、CO2和颗粒物等的含量均提出了严格要求。

针对SOx的排放，目前世界各国都在严格限制船舶柴油机排气的含硫量，欧洲硫排放控制区对硫含量排放要求为≤0.1% m/m；全球范围内对硫含量的排放要求为≤3.5% m/m，到2020年的排放要求为≤0.5% m/m。使用低硫油，将大大增加船舶的运营成本，特别是常年在排放控制区内航行的船舶，这使得“普通燃料＋脱硫装置”的方案显得更有意义。

2011年7月，IMO在英国伦敦总部召开了会议，确立了船舶能效设计指数（EEDI）和船舶能效管理计划（SEEMP）2项船舶能效标准，适用于2013年1月1日及以后安放龙骨的400 t及以上国际航行船舶。

为应对不断实施的新标准、新规范，开发低能耗、低排放、低污染、高能效的“绿色船舶”是造船业发展的必由之路。

1 船型与总体方案的论证设计与分析

该型1 000 TEU集装箱船入DNV GL船级社，为单桨单舵、并布置有斜首柱、球鼻艏和方艉、有侧推；船体为全焊式，主甲板整体连续，双层底从船艏尖舱延伸至机舱的舱壁。在进行船型选择时，主尺度的选取是第一位，线型设计是关键。设计航速决定了船体的丰满度、形状和主要尺寸。1 000 TEU集装箱船选取 18 kn为设计航速，因此需要寻求船长、船宽、方形系数、纵漂心、球头形状等参数的最佳组合，才能在此航速下取得较高的船体效率。在选择了船体的目标排水量和设计吃水后，通过研究来确定最佳的船体方形系数。众所周知，集装箱船的主尺度尚需与集装箱尺度相匹配，因而可根据选用的主尺度要素设计线型。完成线型设计后，首先要复核其排水量是否满足规定的要求；如不满足尚需修改线型。在达到要求后，再进行总布置和分舱，校核各舱长是否满足布置集装箱和机械设备的要求，以及是否满足规范的规定（如艏尖舱长度）；如不满足，则需适当调整主尺度。经过反复几次选型，最终确定其主尺度。

在传统的线型设计过程中，设计者一般只关注设计吃水的设计航速时的船舶性能指标，而对于实际船舶在运营中的吃水及航速并不关心；然而在船舶营运过程中，按设计吃水的设计航速航行的时间占比非常少，仅为1%～3%，因此即便船舶在设计吃水设计航速时的技术指标很好，也不意味着该船在实际营运中的经济性突出。为了保证本船在实际运营中的经济性，降低该船在实际营运中的油耗，尤其根据船东提供的该船型的操作特点，对该船的线型进行进一步优化设计，着力降低该船在常用吃水、常用航速时的油耗，提高该船在实际运营中的经济性。

在线型的优化设计过程中，采用CFD计算方法进行优化；同时通过研究采用最新的扭曲舵+舵球的新型节能装置设计，提高船型的推进效率，综合考虑到螺旋桨的空泡、激振力性能，同时平衡设计螺旋桨的转速裕度，不断优化螺旋桨的设计，提高螺旋桨的推进效率。

利用最终优化的线型制作船模，同时采用各种节能措施，在荷兰MARIN水池进行了备用桨船模试验。试验结果表明，该船的航速可达18.5 kn，大大超出预期航速要求，且试验时艏部区域水池水面水平似镜，获得各方专家的好评。与同类船型相比，该船在运营过程中的平均燃油消耗降低约10%。

2 船体结构设计以及强度分析

与其他类型的海上运输船舶不同，集装箱船的甲板开口较大，航速较高，前后货舱结构复杂且具有较多的横向舱壁，对其结构设计和强度安全性带来了挑战，需要在设计中解决以下问题。

2.1 总纵强度

集装箱船在航行中通常呈现中拱状态，为了减少静水中拱弯矩和剪力，油水舱需要布置在船舯，而此处又是堆放集装箱的位置，因而需要妥善处理这一矛盾，以适度控制中剖面模数的需要并减轻重量。

2.2 扭转强度

集装箱船大开口的结构特点，导致其在承受横向波浪载荷时，抵抗能力较差，从而需要考虑斜浪和横浪中的强度安全性。

2.3 高强度钢使用

高强度钢的使用对控制板厚和减轻重量很有帮助，但是也会降低结构构件的抗疲劳强度，因而需要在设计时注意疲劳强度的强度储备和焊接质量要求。

3 动力系统论证及分析

3.1 S Ox排放控制及解决方案

3.1.1 SOx排放控制要求

目前世界各国都在严格限制船舶柴油机排气的硫含量，欧洲硫排放控制区对硫含量排放要求为≤0.1% m/m；全球范围内对硫含量排放要求为≤3.5% m/m，到2020年的排放要求为≤0.5% m/m，如图1所示。

自2016年1月1日起，我国设立珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区（见图2），确定排放控制区内的核心港口区域（上海、宁波—舟山、苏州、南通港、天津、秦皇岛、唐山、黄骅港、深圳、广州、珠海港），排放控制区内有条件的港口，可以实施高于现行排放控制要求的措施（船舶靠岸停泊期间使用硫含量≤0.5% m/m的燃油等）；自2017年1月1日起，船舶在排放控制区内的核心港口区域靠岸停泊期间（靠港后的1 h和离港前的1 h除外，下同）应使用硫含量≤0.5% m/m的燃油；自2018年1月1日起，船舶在排放控制区内所有港口靠岸停泊期间应使用硫含量≤0.5% m/m的燃油；自2019年1月1日起，船舶进入排放控制区应使用硫含量≤0.5% m/m的燃油；2019年12月31日前，评估前述控制措施实施效果，确定是否采取以下行动：

1）船舶进入排放控制区使用硫含量≤0.1% m/m的燃油；

2）扩大排放控制区地理范围。

图2 中国排放控制区示意图

3.1.2 SOx排放控制常规解决方案

船舶柴油机为了达到硫含量排放要求，有 2种方法：1）需要使用硫含量满足要求的燃料；2）若船舶航行需要在限制区域与其它区域之间来回往返，则需要转换不同的燃料来满足相应的排放要求。

3.1.3 安装排气后处理系统解决方案

安装排气后处理系统后（主要是添加碱性物质中和的原理），可以使用含硫量为3.5% m/m的燃料且能够满足在硫排放控制区的硫排放要求；而在非排放控制区域，则可以关闭后处理系统，操作简单，比较灵活。

该船主机排气系统安装脱硫后处理系统，在使用普通燃油的情况下，能够使主机排气硫含量达到≤0.1% m/m，满足目前最严格的硫含量排放要求，如图 3所示。本船配置的脱硫系统为组合系统（开式系统+闭式系统），船舶航行在零排放限制区域，当海水碱度不够、海水脏污的时候使用闭式系统；航行在其他限制区域的时候使用开式系统。

图3 柴油机排放后处理系统（组合系统：开式系统+闭式系统）

3.1.4 经济性对比

基于目前的低硫燃料价格水平测算，安装脱硫系统的成本回收周期大约为4年～5年，使用普通燃料＋脱硫系统比使用低硫燃料每年可节省约30万美元，且可减少大气污染。长期来讲，油价一旦上升，便更具有优势。

1）普通燃料（硫含量3.5%）：138美元/吨；

2）低硫燃料（硫含量0.1%）：310美元/吨；

3）油渣处理费：247美元/吨；

4）脱硫装置碱性添加剂：295美元/吨。

3.2 推进系统解决方案

船舶推进系统采用低速柴油机+齿轮箱+轴带发电机+可调螺距螺旋桨的方式进行布置（见图4），系统主要有以下几个特点。

图4 推进系统示意图

1）采用低速柴油机

低速柴油机的燃油消耗比采用中速机低约19 g/kW·h，主机功率为7 770 kW，按航行功率的90%计算，每天可节省燃料约3 t；另外，低速柴油机的日常维护成本也较低。

2）采用轴带发电机

采用轴带发电机，在航行工况下，可以替代 2台柴油发电机组，而轴带发电机使用主机作为原动机，其油耗比柴油发电机组的高速柴油机低约56 g/kW·h，每天节省燃料约1.3 t；同时，大大降低了主发电机组的维护运行成本。

3）采用可调螺距螺旋桨

相比固定螺距螺旋桨方案，通过调节主机转速来调节推力，且倒退时需要改变主机或齿轮箱的转向。由此，该船采用可调螺距螺旋桨方案，主机转速固定，通过调节螺旋桨螺距来改变推力，且倒退时也是通过螺距调节，主机不用换向，从而提高了船舶的操作性和机动性。

4 舱盖系统研究及设计

货舱舱口盖是货舱区域的甲板开口开闭设备，露天甲板为风雨密舱口盖，一般为非密性的。除此之外，还可堆载货物如集装箱等，为提高装载能力，船有1/3～1/2集装箱的箱位配置于甲板上。

本船舱口盖为铰翻式，电动液压操作。由于货舱开口大，结构采用纵横骨架式，间距按堆载受力状况进行布置，以减少结构加强带来的重量。根据舱盖板主梁与集装箱箱脚布置相对应的原则，确定板格的基本结构；而后根据船级社对舱口盖局部强度要求的公式，计算出主要结构尺寸；舱盖的初步结构完成后，通过建立有限元模型对整个强度进行校核，在校核过程中通过加载、计算等方式，不断调整板架尺寸达到优化舱盖重量的目的。由此，通过优化结构，减少全船舱盖的重量，提高船舶的经济性。

5 绑扎系统研究及设计

由于文中研究的是小型集装箱船，甲板不设绑扎桥。由于船东要求在甲板及货舱里需要堆装22'、23'、25'、26'及30'等非标的多种集装箱，给箱脚布置带来不便。为了合理利用箱脚，进行了多种组合配置，尽量减少箱脚的数量，同时又满足了船东堆装的要求。在货舱中，为达到堆装要求，除了需要合理布置箱脚外，导轨架也需根据船东的特殊需求，按照不同规格及非标集装箱的布置作特殊处理，采用舱壁上安置独立钢板架式的形式，最终达到在货舱堆装非标多种集装箱的要求。

6 高效扭曲舵的设计和研究

本船配备悬挂式高效扭曲舵，并配有舵球。舵杆、舵叶及舵杆套筒均由舵厂家提供，并负责液压螺母及舵杆的拂配，此类舵可满足船舶快速性和节能降耗的需要，从而减少了空泡现象的发生。同时，在一定程度上可减少舵的腐蚀，延长舵的使用年限，提高船舶操纵性。此类舵的结构相对复杂，安装工艺有所不同，尤其对舵杆套筒的焊接要求较高，应严格按照舵杆套筒的焊接工艺进行焊接，将焊接变形控制在公差范围内，并制定舵杆套筒安装工艺，确定舵杆套筒的安装阶段，以保证安装精度的准确性。高效扭曲舵如图5所示。

图5 高效扭曲舵参考图

7 结论

该船的设计吃水为7.6 m，SMCR下航速达到约18 kn，设计油耗为31.3 吨/天，比同类船型节省10%。2013年工信部发布的《高技术船舶科研项目指南（2013年版）》中提出，与现有同类船型相比，船舶能效设计指数（EEDI）比国际海事组织（IMO）的EEDI基线值下降至少25%，本文的船舶满足该项要求。主机使用高硫含量重油后排气中硫氧化物的含量经脱硫装置处理后，等同于使用≤0.1% m/m 的低硫油燃烧后的排气含量。该船型一旦投入市场营运，将会有效降低燃油消耗量，减少运营成本，并对高端绿色支线集装箱船市场产生积极影响。