近海玻璃钢拖网渔船的技术经济方程和特征分析

2015-02-17 08:40陶冶奚海波王建彬于红吴俊峰贾复
大连海洋大学学报 2015年3期
关键词:钢质渔场现值

陶冶,奚海波,王建彬,于红,吴俊峰,贾复

(1.大连海洋大学信息工程学院,辽宁大连116023;2.大连复源船舶工程有限公司,辽宁大连116023)

纤维增强塑料简称玻璃钢 (fiber reinforce plastics,FRP),具有强度高、密度小、抗冲击性能优异、加工设计工艺简单、寿命长、耐腐蚀与虫蛀、维修性突出和节能环保等优势,目前已被世界各国捕捞渔业广泛采用。近几年,各类FRP渔船及相关船艇发展较快,近海中小型捕捞渔船已经成为玻璃钢应用和研究的重要方向[1]。

为了能够正确分析FRP渔船的经济性特征,2008年中国农业部渔船检验局提出设计节能型FRP渔船的任务,由于辽宁省近海捕捞渔船种类较多,大约95%左右为木质渔船,因此,农业部渔船检验局将该工作任务侧重于辽宁省。通过对大连、营口、葫芦岛、锦州等地的渔民及船厂进行多次调研和考察,获得的主要反馈情况如下:(1)渔民和捕捞部门对FRP渔船需求很迫切,特别是受近海邻国 (韩国、日本)渔船广泛采用FRP材料的影响,提高了对FRP渔船的认可度; (2)FRP投入和运营资金问题,如贷款、补助和渔港建设等;(3)对FRP渔船最优船型和经济性分析。近些年来,农业部在船检、贷款、补贴和保险费等方面出台了不少优惠政策,很大程度上缓解了渔民的顾虑。但是在FRP渔船最经济船型的研究方面,目前国内外尚缺乏相关报道,原因是国内渔船建造部门主要参考了钢质母型船的船型,以传统的性能设计为主[2-3],并没有考虑FRP渔船在其寿命期中的经济性特征。事实上,与木质、钢质渔船相比,FRP渔船的一些经济性指标变量,如造价、渔船寿命、维修费用、折旧费用等对渔船的经济性影响程度是不同的[4]。为此,本研究中以中国北方近海小型FRP拖网渔船为例,建立了该类型渔船的技术经济性数学模型,并比较和分析了FRP渔船的上述几种指标与传统渔船的差异及其计算方法,旨在为FRP最优船型论证提供技术模型和依据。

1 FRP拖网渔船的技术经济方程

对近海FRP拖网渔船的技术经济分析,可分为船舶技术性能设计和经济性设计两个方面。通过建立FRP船舶的技术经济方程,可将上述两方面设计有效结合。在模型中不仅包含船舶基本性能约束条件,同时还兼具经济性目标和约束函数。主要方程表述如下。

(a)单船网次产量。

其中:qi为i渔场单船平均网次产量;ki为i渔场资源情况系数;PB为主机功率 (kW)。

(b)渔舱容积。

其中:Vfi为i渔场的渔舱容积 (m3);VF为渔船实际的渔舱容积 (m3);ni为作业天投网次数,根据实际调研统计分析,ni通常取为2.5网次左右;ti为作业总时间 (d),与远洋捕捞作业不同,由于近海捕捞渔场与渔港的距离普遍较近,因此,近海小型拖网渔船大部分采用冰鲜保鲜,其保鲜时间上限为14 d左右,在实际作业中,受到渔场资源和经济性的影响,拖网捕捞的作业天数要远小于该数值,在计算时近海渔船作业时间ti可取为4~5 d;Sf为鱼获物积载因数,即单位质量所占体积,一般取 Sf=1.8 ~2.0(m3/t)[5]。

考虑到拖网渔船在其寿命期中,作业渔场往往是不确定的。因此,渔船的实际舱容VF应为各个渔场Vfi(1≤i≤n)的函数,应用中可先分别计算出各个渔场的Vfi,并利用优化算法在区间 [Vfmin,Vfmax]中寻优,即可获得渔船的实际舱容。

当计算出渔船的最佳舱容后,可利用下式换算成船舶立方数VLBH[5]:

公式 (4)仅适用于近海小型单甲板拖网渔船。

(c)排水量和耗油量。

其中:Δ为排水量;CL为空船质量系数 (t/m3),由于中国近海钢质拖网冰鲜渔船无加工设备,且隔热设备又基本相同,因此,CL较为稳定,一般取0.23 ~ 0.25[5],虽然 FRP 的密度通常为钢材的20%~25%,然而对于FRP拖网渔船 (柱间长为20~30 m)而言,其渔捞设备和固定压载所占的比例较高 (45%~50%),该部分所占的质量并不会受是否采用FRP材质的影响[6],FRP的CL系数一般比钢质渔船低17%~20%,计算时可取为0.19~0.20;pp为工况系数;O为燃油及润滑油质量 (t),通常由主机、辅机功率和自持力确定;W为淡水质量 (t);F为食品质量 (t);M为全体船员及行李质量 (t);Wn为网具质量 (t),根据主机功率确定;Wb为备品质量 (t),取空船质量的0.3% ~0.5%;WC为煤的质量 (t),根据船员数和自持力选取;GM为单个船员及行李质量 (t);Ms为船员人数;Wi为载冰量 (t),其计算公式为

式中ai为载冰量系数,图1给出了3种类型拖网渔船 (船长24 m)载冰量系数和载冰量的对比情况。

从图1可以看出,在载鱼量相同的前提下,ai木和ai钢相差不大,其数值一般可取0.7左右。对于FRP拖网渔船而言,由于FRP材质导热系数低,具备很好的保温特性,因此,FRP渔船需要配置的载冰质量仅为木质或钢质渔船质量的70%~80%,在经济方程中,其载冰量系数计算公式如下:

图1 3种类型拖网渔船载冰和载冰量系数的对比Fig.1 Comparison of ice loads and ice load coefficient among three types of trawlers

其中:vs为服务航速 (kn);D为设计排水量 (t);L为垂线间长 (m);tSi为渔港至渔场的航行时间(d);Si为渔港至渔场的距离 (km);K3为安全系数;K4为主机每千瓦小时耗油量[t/(kW·h)];Mi为全年往返渔场次数;QOi为渔场i的主机耗油量(t);QO为主机总耗油量 (t);g1为润滑油每瓦特小时耗油量[t/(W·h)];PA为辅机功率 (kW);QH为总润滑油耗油量 (t);t1、t2分别为主机、辅机工作时间 (h);Kv为FRP航速影响系数 (kn),考虑到FRP拖网渔船空船质量较小,表面光洁度高,阻力小,拖力大,航速要优于木质、钢质渔船,Kv可取为 0.8~1.0 kn。从式 (12)可以看出,服务航速的提高,降低了渔港至渔场的航行时间t,从而进一步降低了渔船的油耗。一般情况下,近海小型FRP拖网渔船均具有较好的节油性,实际作业中能较钢质渔船节油5%~8%。

(d)费用和利润。

其中:Qf为年渔获量 (t);P为年利润 (万元);Fp为鱼价 (万元/t);Ca为渔捞年费用 (万元);Op为油价 (万元/t);OHP为润滑油价 (万元/t);Sa为船员工资 (元);RC为年维修费 (万元);Me为年管理费 (万元);OLd为年折旧费 (万元);IC为保鲜冰费 (万元);Ne为网具费 (万元);n为渔船寿命 (年);PNPV为净现值 (万元);Iv为初始投资 (万元),即拖网渔船造价与网具成本;0.1代表残差,取初始投资Iv的10%;SI为FRP拖网渔船造价 (万元);Hn为网具成本 (万元);(P/A,i,n)为年金现值系数;(P/F,i,n)为复利现值系数。

2 FRP渔船经济影响因素特征分析

(1)造价SI。将3种材质的拖网渔船造价相比较,通常为SI木<SI钢<SIFRP。

在实际计算中,FRP渔船的造价可以根据渔船主尺度参数估算,或者采用渔船资产评估方法——市场比较法获得,其计算公式[7]如下:

其中:(SI)M和(VLBH)M为同类型的已交易 (或待交易)FRP渔船的市场造价;(VLBH)R和(SI)R为当前FRP渔船立方数和参照市场估算后的造价。

此外,在缺乏相关资料情况下,近海小型FRP拖网渔船的造价大约可以取为木质渔船的1.5倍,或者相当于钢质拖网渔船造价的1.2倍。在技术经济论证中,通常使用造价系数C估算船型主尺度相似渔船的造价情况,其计算公式如下:

从式 (21)可见,造价系数的基本含义代表单位体积立方数的渔船价格,图2为固定其他影响因素,而以造价系数为变量所得的净现值和航速的变化关系曲线。从图2可见:(1)航速对3种拖网渔船的净现值有较大的影响,表现为高航速时,随着航速的增加净现值下降较快,而在低航速区间时,随着航速的增加净现值缓慢上升,3种变化曲线均存在一个最满意净现值对应航速范围,即最佳航速区;(2)3种拖网渔船的最佳航速区域不同,表现为FRP渔船航速较低,木质渔船航速较高,而钢质渔船居中,即随着造价的下降,最佳航速向航速增大的方向移动;(3)3种拖网渔船在相同航速下,净现值依次为木质渔船>钢质渔船>FRP渔船。

从图2还可以看出,如果单纯考虑造价系数,FRP渔船更高的造价对净现值的影响是负面的。需要注意的是上述结论是在固定了其他影响因素,仅仅考虑造价系数的影响情况下给出的。

图2 航速对3种渔船净现值的影响曲线Fig.2 Curves on effect of vson PNPVin three kinds of fishing vessels

(2)年维修费RC。年维修费是拖网渔船每年坞修费用与航修费用之和,通常根据母型船的资料计算,如果缺乏资料,也可采用下式估算:

式中,ar为年维修费用系数。

图3为3种拖网渔船对船 (船长24 m,功率96 kW)的造价与年维修费用系数的对比情况。3种拖网渔船的年维修费用系数以木质渔船最高,钢质渔船次之,而FRP渔船最小。其主要原因是木质拖网渔船在海水中容易出现变质、腐烂和蛆蛀现象,而钢质拖网渔船受到海水侵蚀后,也更容易生锈,因此,在寿命期中上述两类渔船都需要进行多次维修,而FRP拖网渔船材料本身具有耐腐蚀、高强度的优势,通常仅需在水线面以下进行维修即可,能够大大降低维修费用和难度[8]。因此,木质、钢质渔船维修费用要远大于FRP渔船,在计算时近海小型FRP拖网渔船的年度维修系数可取木质或钢质拖网渔船的1/8和1/10左右,即

图3 3种类型拖网渔船造价系数与年维修系数的对比Fig.3 Comparison of the price(C)and maintenance coefficient(ar)in three types of trawlers

(3)渔船寿命n。目前,近海拖网渔船的技术经济论证中,木质拖网渔船寿命一般取10年,而钢质拖网渔船取15年[9],但是对于FRP拖网渔船,国内尚缺乏相关资料。根据国外的相关报道,如果维修处理得当的话,FRP拖网渔船的使用寿命可以达到30~40年[4]。考虑到中国目前国内的基础材料和维修技术情况,FRP拖网渔船使用寿命在论证中可以定为25年左右。

(4)年度折旧费OLd。尽管FRP拖网渔船的造价高,一次性投入要大于木质和钢质渔船的投资规模,但由于FRP拖网渔船的寿命较长,因此,从年度折旧费方面来看,FRP渔船具有较好的经济性。本研究中,3种拖网渔船对船 (船长24 m,功率96 kW)采用直线法折旧,残值为10%的年度折旧费如下:FRP渔船大约为3.9万元,而木质和钢质渔船分别为6.5和5.8万元,可明显看出,FRP拖网渔船年度折旧费要远低于其他两种渔船。

(5)保鲜冰费IC。保鲜冰费等于载冰量与制冰价的乘积,根据式(8)和(9)可知,FRP渔船的年耗冰费一般相当于木质和钢质渔船的75%左右。

(6)其他费用。其他费用主要包括船员工资Sa、年管理费用Me、网具费用Ne等,通常可根据渔获量并依据水产企业资料统计求得。考虑到不同类型的渔船相差不大,因此不再赘述。

3 结论与展望

近海小型FRP拖网渔船的经济技术方程,主要借鉴了系统工程学原理,将渔船设计与渔场资源、渔港和渔业市场各因素间建立了关联,最后利用经济评价指标 (净现值)来评价渔船设计方案的优劣。在经济方程中,多数经济指标变量,例如,油耗、航速、渔船寿命、保鲜冰费、维修费用和折旧费用对FRP拖网渔船经济性是有利的,仅造价指标对经济性的影响是负面的。

此外,为了满足相关部门对最优FRP船型决策的需要,可利用本研究中提出的经济方程,创建以净现值、吨鱼油耗、投资回收年限、年产量为最优目标的多目标优化模型[10],并以主机功率、自持力等为决策变量,借助目前成熟的优化算法,在可行解空间中搜索,即可在多个设计方案中选出技术可行、经济最优的FRP船型方案,该方法也是今后研究的重点。

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