7.6万t巴拿马型散货船优化介绍

朱烈伏, 范 欣

(江苏熔盛重工有限公司， 江苏 南通 226532 )

7.6万t巴拿马型散货船优化介绍

朱烈伏, 范 欣

(江苏熔盛重工有限公司， 江苏 南通 226532 )

阐述了7.6万t巴拿马型散货船优化的总体思路和方法。并就快速性、经济性、绿色环保设计等方面做了深入研究。在造船业不景气的大环境下，为提高巴拿马型散货船的市场竞争力，降低船东使用成本和建造成本提供借鉴。

散货船 优化

1 引言

散货船是全球船队保有量最大的船型，按照载重量的不同，可以分为2～5万t的灵便型散货船；6～8万t的巴拿马型散货船；8～9万t的卡尔萨母型散货船；15万t左右的好望角型散货船；20万t以上的超大型散货船。其中7.6万t的巴拿马型散货船，以其货物运输的广泛性，成为船东最愿意订造的散货船船型之一。然而，自2008年金融危机以来，航运市场一蹶不振，波罗的海干散货指数下跌超过百分之九十，在如此低迷的大背景下，能够最终吸引船东下单的船型，应当以油耗低，排放低为明显特征。对于船厂方面，巴拿马型散货船的价格由船价峰值5 000多万美元/艘，下降为现在的2 700万美元/艘，加之美圆贬值等因素，价格下降将近一半。因此如何降低该船型的使用成本和建造成本显得尤为迫切。

2 7.6万t巴拿马型散货船概况

7.6万t巴拿马型散货船为低速柴油机驱动，可航行于无限航区，该船设球鼻艏、方艉、连续上甲板、半平衡舵、固定螺距螺旋桨、居住舱室位于艉部。可装载铁矿石、煤、谷物等各种货物。图1为该型船侧视图。

该船主尺度如下：

总长： 224.9 m；垂线间长： 217.0 m；型宽： 32.25 m；型深： 19.7 m；设计吃水： 12.2 m；结构吃水： 14.25 m；航速：14.5 kn；定员：28 P。

船级符号为CCS：★CSA Bulk Carrier，CSR，BC-A，Hold No2,4 and 6 maybe Empty,Grab(20),PSPC(B),Loading Computer S.I.G，ESP，In-Water Survey,BWMP, ★CSM Aut-0 SCM,CMS。

图1 侧视图

3 快速性优化

船舶快速性是船舶性能的一个重要指标，包含了节能和速度两层含义。优化船舶的快速性，也应从这两方面入手，尽量提高推进器的推力和减小船舶航行的阻力。

3.1 船舶线型优化

7.6万t巴拿马型散货船为经济型、低速肥大船,兴波阻力很小，线型设计时主要考虑摩擦阻力和粘压阻力，运用船型可分原理，对首艉线型分别开展优化设计。

船舶线型优化时，为了提高航速，需减少艉部螺旋桨进流区域的线型，但又要保持一定空间以布置机舱设备。对于艏部线型，以原线型为基础同时参考目前国内优秀的巴拿马船型进行优化设计。通过计算流体力学软件对艏部和艉部分别进行多方案设计优化，进行计算和比较选优，最终选定优秀的线型，并在国际著名水池SSPA开展船模试验验证工作。图2为艏艉线型修改图。

表1为线型优化后，选取不同主机参数时，航速的对照表。

图2 艏艉线型修改

参数母型船方案一方案二方案三机型Wartsila5RTflex58TDWartsila5RTflex58TDWartsila5RTflex58TDWartsila5RTflex58TD限制最大持续功率9500kW×105r/min9500kW×105r/min8741kW×101.1r/min8741kW×101.1r/min常用功率8075kW×99.5r/min8075kW×99.5r/min7200kW×95.8r/min7200kW×95.8r/min航速14.50kn14.70kn14.30kn14.50kn(带节能装置)

可见，通过线型优化后，在主机功率不变的前提下，航速可以提高0.2 kn。

3.2 螺旋桨优化设计

螺旋桨设计不仅要追求高效率，同时也要确保螺旋桨的良好空泡形态，以防止桨叶剥蚀，减少诱导激振力，从而防止振动，提高船舶的安全性和舒适性。我们对螺旋桨设计的优化和研究是以中岛桨和斯马德桨作为优化被选方案，通过螺旋桨敞水试验和船模自航试验对螺旋桨进行选优，进而得出螺旋桨设计参数和实验结果(见表2)。

表2 螺旋桨优化后设计吃水航速比较

通过对在设计吃水下航速性能进行比较分析，最终选择斯马德桨作为本船的螺旋桨设计。

3.3 节能装置设计

为了在线型和螺旋桨优化的基础上进一步改善艉部流场(见图3)，进一步提高推进效率，降低燃油消耗，我们对适用本船的节能装置进行了相关研究。本船为肥大型低速船型，主要从改变艉部流场和回收毂涡能量两个方面进行节能研究，经过研究和分析本船节能装置方案为前置导管+毂帽鳍。

图3 艉流原理图

对消涡鳍的设计方案在大型空泡水筒中进行分析。试验在中国船舶科学研究中心进行，水筒工作段长度为3.2 m，直径0.8 m，水速调节范围为3 m/s～20 m/s，压力调整范围从8 kP～400 kP。试验在固定水速V=3.5 m/s下进行，通过调整螺旋桨转速，使得进速系数J0在0.36～0.6之间变化，间距为0.02。图4为常规帽与毂帽鳍效率曲线比较。

试验结果表明，安装消涡鳍后螺旋桨推力提高，扭距降低，从而使得效率增加，在设计点J0=0.46附近，螺旋桨增效3.2%。

图4 常规帽与毂帽鳍效率曲线比较

4 经济性优化

为了实现营运中效益最大化目标，需要尽可能地提高船舶性价比。为此，在经济性方面着重考虑在保证船舶强度的情况下，使船舶的结构布置更加合理，主要从以下三个方面开展优化设计。

4.1 总纵强度优化设计

总纵强度计算的优化是根据船舶结构共同规范CSR对于各完整工况及破舱进水工况的弯矩及剪力进行校核，弯矩在装载工况中最大弯矩的基础上增加5%裕度；剪力采用装载各种工况中最大剪力，并根据CSR规范修正后增加8%裕度；同时在计算剖面的选取上，增加为每隔4个肋位选取一个计算剖面，在综合考虑弯矩和剪力的前提下，大大减少了船体梁强度计算时的余量。

4.2 结构规范计算优化

结构优化计算是采用DNV船级社基于CSR开发的Naticus软件进行的。本次优化将原纵向构件材料由AH32钢升级为AH36钢，经过分析计算得到货舱区的外板厚度减小3～4 mm；货舱双层底内底板厚度减少0.5 mm；底边压载舱斜板厚度减少0.5～2 mm；顶边压载舱底板厚度减少1 mm；舷顶列板及顶边压载舱斜板厚度减少2 mm。

4.3 货舱三舱段结构优化

为了保证设计更加精确，我们对货舱进行三舱段有限元分析，对于主甲板、舷侧肋骨、双层底肋板的板厚进行适当调整以使船舶结构更加合理，在降低船舶重量的同时有效地增加了结构强度。为了保证船舶的疲劳强度，通过对有限元模型进行疲劳分析，对横舱壁底墩和货舱肋骨趾端等应力集中的区域进行了适当调整。

5 绿色环保设计

绿色环保设计参考了压载水管理、NOx,SOx排放标准、PSPC-国际船舶涂层性能标准等绿色环保的设计要求，将节能减排和绿色环保融入到整个优化设计的过程中。

5.1 压载水处理系统设计

目前压载水处理的控制标准分D1和D2两种。 其中D1只是对压载水进行交换，并不是真正的处理，D2才是对压载水的处理。D1标准有以下三种：①溢流法：用3倍压载水量交换；②顺序法：采用顺序排空和注满；③稀释法：从顶部注入，底部排出。D2标准是满足《压载水管理公约》要求。2012年开工建造的船舶应采用D2的标准，到2016年所有的船舶都应满足D2标准。表3为压载水处理装置原理分析比较。

为了提高船东营运的灵活性，优化设计考虑了D1 和D2 两种压载水处理方法，在增加船舶营运灵活性的同时，有效降低了船东后续的营运成本。在规范生效之前，船东在营运过程中可以采用D1 标准中的顺序法进行压载水交换。同时该优化设计也对D2方案中压载水处理设备的选用与安装进行研究，目前市场有多种压载水处理解决方案，该船在综合分析安装空间、设备采购成本、船东营运成本和相关设备容量等因素后，最终选用了Ecochlor Solution化学方法压载水处理解决方案。

表3 压载水处理装置原理分析比较

5.2 MGO系统设计

2010年1月1日欧盟和美国加利福尼亚州实施船舶强制使用低硫燃油2005/33/EC的要求，美国和加拿大也提出船舶强制使用低硫燃油的要求，在优化过程中充分考虑本船营运航线以及相应港口法规、标准的要求，同时减少硫化物的排放量以减轻环境污染。图5为硫排放区域示意图。

本船配置了MGO系统(包括MGO储存舱、沉淀舱和日用舱，以及独立的MGO供油系统和驳运系统)，船舶的主机、辅机和锅炉可以采用低硫燃油，从而满足相关港口对硫排放的要求，进一步提高船舶营运的灵活性。

温度超过20°时，MGO燃油的粘度低于2 cst，不能满足进入主机、发电机等设备的燃油系统进行正常运行的要求，需要采用冷却的方法将MGO燃油进行冷却以满足系统运行的要求。表4为MGO燃油冷却设备形式分析与选型。

图5 硫排放区域

序号型式原理特点证书12CHILLER型式直接式氟利昂介质直接冷却MGO冷却效果好,冷却管需要真空双层管,安装使用成本较高;部分厂家已有证书间接式氟利昂介质间接冷却MGO冷却效果好,氟利昂冷却淡水,淡水再冷却MGO,安装使用成本较高;部分厂家已有证书34COOLER型式海水冷却海水直接冷却MGO满足冷却效果,安装使用简单,成本不高,但是海水直接冷却有泄漏风险,规范不建议部分厂家已有证书淡水冷却中央淡水直接冷却MGO满足冷却效果,安装使用简单,成本不高,中央淡水冷却,可以避免对环境的污染部分厂家已有证书

通过研究和分析比较，该船型选用冷却效果好、采购成本低、以淡水为冷却方式的COOLER系统。

5.3 PSPC新造船防腐及涂层性能设计

PSPC是第一个强制实施的国际船舶涂层性能新标准，对造船业产生了重大影响，PSPC要求船舶在正常运营15年后，整体涂装仍能保持在完好的状态。2008年7月1日，压载舱PSPC正式实施，2013年1月1日货油舱PSPC正式实施，这些涂装新标准的密集出台，对船厂的涂装工艺和及钢材预处理工艺提出了更高的要求。本船在涂装设计时，在满足新标准的要求下，充分考虑了建造成本和工作量，系统地形成了《PSPC》操作规程，采用了高性能的油漆配套，以及采用了通用型的环氧底漆等方法，以提高涂装效率。

6 优化结果

6.1 航速的提高与油耗的减少

通过对船舶线型和螺旋桨进行优化，在保持船舶航速为14.5 kn的情况下，主机输出功率降低612 kW(油耗降低2.4 t/天)，船舶主机日油耗降低至28.7 t/天。

通过节能装置的安装，进一步改善艉部流场，提高推进效率，主机输出功率降低260 kW，降低了燃油消耗，船舶航速为14.51 kn的情况下船舶主机日油耗降低至27.7 t/天。表5为优化前后油耗对照表。

表5 优化前后油耗对照表

6.2 钢材重量降低

优化后的空船结构重量由10 700 t减少到10 500 t(减少约200 t)，按目前的钢材价格，每艘船的钢材成本下降约100万元，并且船舶的载重量相应增加。

6.3 EEDI指数优化

EEDI能效设计指数是衡量船舶能效水平的指标，船舶运营时所消耗的能源、船舶的航速以及最大载货量是衡量船舶EEDI指数高低的三大关键性因素。

通过各方面的优化后，能效设计指数EEDI达到3.351(74.1%)远低于目前基线值4.4521，达到IMO第二阶段(2020年1月1日～2024年12月31日)减排的要求。图6为能效设计指数图表。

图6 能效设计指数图表

7 结束语

该船型在优化过程中，还考虑了冰区加强，装载钢卷等情况，由于篇幅有限，不一一列举。此文为作者在设计中的心得体会，希望能给设计者在对其他散货船优化设计过程中提供借鉴。

[1] 孙家鹏.经济实用的3 500 dwt单货舱多用途船[J].船舶设计通讯，2011，1：3-7.

[2] 韩笑妍.散货船价格跌无可跌[J].中国船检，2013，1：46-47.

The Optimization of 76 000 t Panama Bulk Carrier

ZHU Lie-fu, FAN Xin

(Jiangsu Rongsheng Heavy Industry Co.,Ltd., Nantong Jiangsu 226532, China)

This article introduces the overall idea and method in optimization of 76 000 t Panama bulk carrier. The rapidity, economy and environmental conservation of the optimization are deeply studied. Under the depression of shipbuilding market, this optimization can improve the market competitiveness of Panama bulk carrier, reduce the building and operating cost, and provide a reference for shipbuilders and ship owners.

Carrier Optimization

朱烈伏(1983-)，男，助理工程师。

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