超低压载水船舶设计

沈苏雯

在民船领域，船舶的节能环保属性受到高度重视。而这不仅仅是从保护地球环境的角度出发，也是从经济角度来考虑，特别是在IMO越加严格的相关规定的压力下。超低压载水船舶这一概念，给保护海洋环境、节能减排这一理念带来了一个全新的解决方式。它所带来的附加优势，如减少了压载水处理装置的数量和使用频率，节省成本，更是一举多得。

日前，日本的几项超低压载水船舶项目研究取得了一定的成果。2013年3月6日，名村造船厂宣布，在接受了日本船级社的各项性能测试和验证后，该船厂的超低压载水VLCC船设计已获得日本船级社的原则性认可，船体设计满足所有国际船体强度和安全性要求。较对建造硬件设施有较高要求的无压载水船舶，超低压载水船舶无疑更具有投入实船建造的可能性。相信在不久的将来人们便会看到建造完成的实船活跃在海洋中。

超低压载水船型设计

一般来说，航行中需要使用压载水来确保船舶的安全性，特别如同油船和散货船等肥大型船型，需要足够的压载水来防止空载状态的海浪砰击、螺旋桨空转以及分散运载压力，而集装箱船等较为窄瘦的船舶，则需要压载水来保证满载状态下足够的复原力。

因此，虽然对于常规船舶来说压载水是必不可少的，不过如果在船型上下功夫，可以研制出无需或者只需少量压载水就能安全航行的船型。2001年日本造船技术中心提出了一种完全不需要搭载压载水的无压载水船舶（Non Ballast Water Ship，NOBS）的概念方案。2003年，该方案被列入国家工程项目。这种无压载水船舶的特点在于船底形状为V字型，即使在空载状态也不需要压载水便可使船首船尾保证足够的吃水。

当然NOBS船型是无需任何压载水的革命性船型，并且具有很高的可行性。不过其肥大型船身，较为狭小的V字型船底等问题在实际建造中可能很有难度，可建造NOBS船的船坞设备、接岸设施等基础设施的问题需要进一步解决。为此诞生了超低压载水船型MIBS（Minimal Ballast water Ship，MIBS），其底部龙骨宽度较无压载水船型宽，船底倾斜角度也较缓，可解决NOBS船在硬件建造设施方面的缺点，使无/少压载水船舶向着实船建造更进一步。它是一型可大幅减少搭载压载水量，无需多套压载水处理设备的船型，更符合IMO相关规范，同时也可节省燃费。

MIBS型VLCC和散货船

MIBS船的研究为国土交通省的“减少船舶二氧化碳排放技术的研究开发计划”之一，由大岛造船所和名村造船所自2009年起开始进行，日本财团和日本船舶技术研究协会也提供了援助，主要在日本造船技术中心进行水池试验。研究人员选择收益最大的VLCC油船（名村造船厂负责）和散货船（大岛造船厂负责）作为开发的对象船型，在2009年开启开发计划，并于2011年完成研究内容，研发费用总耗资2.62亿日元，但目前尚未进入实船建造阶段。

MIBS的船底形状为如图1所示。传统VLCC油船的船体中剖面为长方形，舱底部稍有圆角，而MIBS船在长方形的基础上，舱底角削去了一块三角形。这种船型设计的关键点在于，可以极大地减少压载水的搭载量，同时还能保证足够的吃水，与现有传统型相比排水量和燃耗都减少了。从空载状态时的排水量来看（点线以下的面积）NOBS船是最小的（此时为零压载水），其次是MIBS与传统型。满载状态时的排水量（实线以下面积）MIBS船和NOBS船比传统型小，载货量有所减少，为了使载货量达到与传统型相同的程度，便增加了船体的长、宽、吃水等主尺度。

图1 NOBS、MIBS和传统型中剖面对比

此外，MIBS船型可通用于肥大型船体、窄瘦型船体，不过海运中排放的二氧化碳60%都是肥大型船体所排放的，因此该研究项目选定了肥大型船体为MIBS船的目标船型，以期待验证MIBS船在减排方面的效果。

本次MIBS船的研发目标之一是相比传统船型减少10%的二氧化碳排放量（满载与压载状态平均）。研究人员前后设计了3艘试验船并进行了水池试验、推进性能测试等工作，最终获得了如下图所示的船型。

图2 MIBS船设计俯视图

图3 MIBS船的压载状态水池试验（上：VLCC；下：散货船）

在设计船型时，研究人员反复采用CFD计算对船型进行改良优化，以获得最佳船型设计。如图所示为CFD计算结果举例。

图4 CFD计算结果试举例（VLCC）

各试验船型的主尺度以及经过水池试验确认的二氧化碳减排效果如表所示，可看出减少10%二氧化碳排放量以及减少60%的压载水搭载量、减少压载水处理设备搭载数量的设计目的已达到。

表 MIBS船主尺度与二氧化碳减少量对比表

这款MIBS VLCC油船最终设计主尺度为324米，宽60米，深30米，吃水21.5米，载货量约为30万吨，在正常压载条件下的压载水量约3万吨（传统船型需8.5万吨）。与相同载货量的传统VLCC相比，可减少65%的压载水搭载量，节省了一半以上必须的压载水处理设备容量。并且，船舶在相同航速下，满载时减少4%、压载时减少20%，两者平均可减少12%的燃费消耗量和温室气体排放量。

MIBS型汽车运输船

不仅是肥大型船体的VLCC和散货船可以适用于超低压载水船型，窄瘦型船体同样也有所适用的MIBS设计。

考虑到安全性，PCC船在长度上有所限制，并且在入港及通过巴拿马运河时，对总长、船宽、吃水等主尺度有规则上的制约。在这样的前提下，为了确保有最大的装载量，PCC船主要是采用多层车辆甲板构造，所搭载的车辆体积不小，重量不大。PCC船的排水量普遍偏小，吃水较浅，所以需要在满载出港时搭载大量压载水，以确保足够的吃水，能使螺旋桨没于水下。这些压载水最多可占到全船载货量的30%以上。日本的研究人员提出了不改变传统PCC船的主尺度（长、宽、深），在保证复原力的前提下开发一种压载水需求量最小的船型，并通过模型试验验证节能效果。

为了减少压载水的使用量，研究人员将试验船型的重心降低，增加稳心高度。由于试验船型的主尺度与现有船相同，要在提高了稳心高度的前提下保证其水线面形状基本不变，则需减少排水量。不过减少了压载水，排水量自然也就减少了。在设计上需要解决的点在于如何使减少的压载水量等同于减少的排水量。同样需要注意的还有，在尽可能减少压载水量的同时，需满足IMO的完整稳性要求（天气衡准）。该规则中规定了，船舶需保证拥有足够的复原力，以使平稳航行在不规则波中的船舶在达到波峰时受到突如其来的狂风袭击也不会倾覆。

基于以上的设计理念，研发人员设计了3艘试验模型船，完善了设计缺陷并进行了模型水池试验，最终归纳出了一款可在满载出港时比现有船舶减少80%压载水量，压载状态时减少59%压载水量的MIBS PCC船型，同时它在满载时可减少7%、空载时可减少4.7%的功率消耗。随之而来的优点还有压载水舱的容量也随之减小，所需的压载水处理装置也可改用小型，处理需求减少，压载水舱内部的涂装成本也降低了。

不过该PCC船设计尚有未解决的问题，模型船通过自由横摇衰减试验，其复原力展现了十分强烈的非线性性质，无法满足现有的IMO完整稳性要求，研究人员认为其原因可能是伴随着横摇振幅的增加，横摇固有周期产生变化，还有待进一步研究解决。

图5 满载时MIBS PCC船各舱位分布

图6 压载时MIBS PCC船各舱位分布