建立船舶设计技术参数参照体系研究

郝金凤，李忠刚，强兆新，何 宝，袁永生

（1.中船重工船舶设计研究中心有限公司，北京 100081；2.中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082）

0 引言

2000年以来，我国船舶工业进入高速发展阶段，随着造船产量的不断扩大，船型开发与设计技术有了长足进步，具备了散货船、油船和集装箱船等常规运输船型的自主设计和研发能力，实现了常规运输船型的系列化、批量化接单和建造，部分产品已接近或达到世界先进水平，但是仍与日、韩等造船强国有差距，并且随着公约、规范的更新发展，尤其是减排等绿色法规的生效，船舶设计、建造的理念也发生了变化。因此，在已有技术基础上，提出建立船舶关键设计技术参数参照体系，以期形成一批引领国际市场需求的常规运输船舶的品牌船型，使我国常规运输船型综合竞争力跃居世界前列。

本文在船舶设计原理和船舶设计发展趋势分析的基础上，建立船舶设计技术参数参照体系，在船舶业界起到技术引领作用。通过对船舶设计技术关键技术参数影响因素的分析，给出常规运输船型的关键技术参数指标范围，为我国打造常规运输船舶的精品船型提供技术参考。

1 总体思路

总体思路归纳为以下几点：

1）本参照体系是一个库的概念，包括两个部分：已造船资料、航线和码头、公约规范等影响因素资料库和推荐的各船型的关键设计技术参数指标范围。其目的是对整个船舶行业有技术引导作用，促进业界知识的共享，加强我国船舶订单承接能力。

2）通过各种渠道收集国内外已造船的资料，统计分析技术参数特点，并结合公约、规范的发展研究船舶设计发展趋势，同时掌握市场反馈信息，为确定关键设计技术参数指标范围提供技术基础。

3）通过分析典型海运货物的航线特点研究其适用停靠的港口、码头设施条件，掌握其对船舶关键设计技术参数的影响，为确定关键设计技术参数指标范围提供依据。

4）论证确定船舶关键设计技术参数，在已造船资料和航线码头资料等分析的基础上，结合新生效或即将生效的公约、规范的要求推荐各船型关键设计技术参数的指标范围，为国内船型优化、开发提供参考。

本文将着重论述船舶关键设计技术参数的确定部分，并且主要针对矿砂船、散货船、油船和集装箱船等常规运输船型进行研究。

2 确定关键设计技术参数

船舶设计过程就是论证技术指标与经济性相互作用获得最佳平衡点的过程。船舶设计是一项复杂的系统工程，包括很多技术参数，可以分为主尺度、主辅机、舱容、作业设备、创新点等五个大方面，共有41个主要技术参数（表1）。

表1中41项是矿砂船、油船、散货船、集装箱船的主要技术参数，全面表征了船型性能水平和技术经济性。船舶设计是螺旋式优化的过程，是先确定总体的技术指标再优化、逐步完善具体的细节的工程，是不断平衡、优化的过程。因此在评价一型船是否优秀，一般不需要对比船舶的每项技术指标，而是抓住关键的技术指标，评估船舶整体水平的优越性，否则容易进入“丢了西瓜捡芝麻”的误区。

表1 常规运输船舶关键设计参数

在提出一艘新船的设计建造任务时，需进行多方面的可行性研究，探讨能达到的最佳经济效益的途径以及所应采取的有关技术措施，从而明确对新船的总体要求，通常包括：任务要求、航线要求、港口情况、机电配套、同类船型情况、公约规范要求以及船厂造价等。如果对某一标准船型进行研究，则要针对这种船型适应条件较广泛、批量大的特点结合航线、港口的各方面条件做系列分析。根据船舶设计原理总结的经验，一般情况下主要影响因素有：载重量、航速、机型、主尺度限制条件等[1]。

在船舶设计中，港口码头的泊位条件和装卸货设备对停靠的船舶总长、型宽、结构吃水有限制；对于装载轻质货时，舱容是制约装货量的重要因素；集装箱载箱量是船舶租金和运河收费的主要指标。

节能减排是船舶设计的大势所趋，EEDI指标[2-4]至关重要，基于典型主力船型的升级换代、打造精品船型的开发研究，在现有技术的基础上考虑适度前瞻的原则，需制定合理的EEDI指标；目前，对节能减排研究较深入的有日韩等国，对于新推出的船型普遍都以CO2减排为指标，因此本项目中在总技术经济指标中把CO2减排也作为指标提出。总之，这两个指标最直接的反应就是低油耗，推出低油耗指标的船型，保证市场竞争力。

通过研究航线港口限制条件、公约规范的新要求、市场订单承接需求以及同类船舶统计资料，并且组织业界专家进行4轮讨论确定11项常规运输船型关键技术指标（表2），并进一步推荐各指标范围供船舶开发设计参考。

表2 船舶设计关键技术参数指标范围

空船重量是决定载重量的关键指标，影响空船重量的因素很复杂，包括高强度钢应用比例、建造水平和工业配套水平等多方面，如果只进行数量上简单对比不尽合理，因此经过专家讨论该指标只作为参考。

3 关键技术参数换算及计算公式

航速的高低对于计算EEDI指标、CO2减排指标、油耗指标有重要影响，开发船的航速可能与参考船的航速不同，这就会导致得到的EEDI等指标缺乏统一的对比基础；另外，文章第2部分确定的精品船型关键设计技术参数中的“单运力CO2减排指标”是新提出的一个概念，也需要进一步细化，以便进行更准确的量化计算，进而更合理、更有效地对开发船进行评估。船舶航速转换方法涉及的船舶要素如表3所示。

表3 航速转换船舶要素表

3.1 航速转换方法

EEDI计算应用的是船舶75%SMCR的功率以及此功率对应的夏季载重线吃水船速。而船舶技术指标中所指的航速指标一般为船舶设计吃水下，主机常用功率（通常是85%SMCR）带15%海上储备对应的船速，相当于船舶设计吃水工况功率航速曲线上的0.85SMCR×0.985/1.15功率点对应的航速。若开发船航速实际达到的航速指标与参考船流行指标相同，则直接应用其主机SMCR和相关吃水下对应的75%SMCR点航速计算就可以了；若开发船航速实际达到的航速指标与参考船流行指标有差异，则需根据船模试验报告的设计吃水和夏季吃水（通常是结构吃水）功率航速曲线做转化来确定标准的计算EEDI用的功率和航速。具体方法如下：在开发船设计吃水下的功率-航速曲线（由模型试验或试航试验得到）上查得与参考船航速指标Vdc对应的螺旋桨收到功率PDTt，获得主机常用持续功率CSR和特定的最大持续功率SMCR，进而在开发船结构吃水下的功率-航速曲线（由模型试验或试航试验得到）上查得75%SMCR点航速作为Vref，用于开发船EEDI评估。主要步骤如下：

1）在开发船设计吃水下的的功率-航速曲线上查得Vdc对应的螺旋桨收到功率PDTt；

2）用PDTt反算求得计算用主机名义功率：SMCRt=((PDTt/0.985)×1.15)/0.85；

3）在开发船结构吃水下的功率-航速曲线上查得75%SMCRt对应的航速。

航速转换如图1和图2所示：

图1 开发船设计吃水下主机功率-航速曲线图

图2 开发船满载吃水下主机功率-航速曲线图

计算单运力 CO2指标时采用设计吃水下的航速，按照3.1中1）和2）的方法进行航速转换，获得对应的功率值，进而求得相应的油耗值。

3.2 CO2减排计算方法

CO2减排指标是开发船与参考船进行比较而言的，但是开发船与参考船相比载重量也有变化，往往是目标船的载重量增大，这对于衡量CO2减排来说是有利因素，因此本计算方案采用开发船单位载重量下的 CO2减排与参考船单位载重量下的 CO2减排比较，即单运力CO2减排指标，其计算公式为：

其中：2coE为单运力CO2减排指标。

CO2减排计算涉及到的船舶要素如表4所示。

为简单起见，评估可以仅仅应用相同航行工况(85%SMCR带 15%SM 设计吃水航速)和主机工况(85%SMCR，427000kJ/kg燃油热值，ISO标准气温等)下的推进主机日油耗降低比例来判定 CO2减排达到的比例。

评估也可以采用综合分析法。若确有新开发船应用实效CO2减排技术的如岸电系统、航行中的清洁燃料应用、航行中的余能应用等而减少了航行中主机排放或锅炉排放或码头期间的发电机排放，则允许对此船采用航次周期综合排放评估的方法。可以考虑航次周期在港时间、航行时间、航速、载货量等开发新船与参考船都相同情况下以及顾及合理的不同工况时间权重及有关减排技术应用时间权重来评估CO2减排比率。

4 船舶设计技术参数参照体系阶段性研究成果

通过收集已造船资料、分析航线港口、公约规范、市场反馈等影响因素初步建立了常规运输船型的资料库，并且经过业界专家多轮讨论给出了九型精品船型设计技术参数指标范围。九型精品船型包括：40万吨级矿砂船、20万吨级散货船、11万吨级散货船、9万吨级散货船、32万吨级油船、16万吨级油船、11万吨级油船、5万吨级油船、4600TEU集装箱船。指标确定原则是在主流船型主尺度下考虑了开发船型在当前流行船舶航速下EEDI指标满足到2025年前的规则要求。

确定各指标的范围，主要采用的方法有以下几种：

1）已造船统计资料分析法；

表4 CO2减排计算船舶要素表

2）港口、码头、运河等限制条件分析；

3）收费限制条件分析；

4）公约规范要求；

5）订单市场反馈；

6）专家经验建议。

经过造船工程学会组织4轮专家讨论后，确定了九型精品船型关键设计技术指标范围，该指标范围为九型精品船型开发课题任务书评审提供依据，引导其船型开发方向。

5 结束语

本文论述了船舶设计技术参数参照体系建立技术，经专家讨论确定了阶段性指标，对技术发展有引导作用，为船型优化升级和船型开发提供参考。

参照体系在其船型适用性、指标阶段性等方面还存在不足和局限性。随着船舶规范、设计技术、市场需求的发展变化，不断完善，保持其先进性，发挥指导意义。主要从以下5个方面开展完善工作：

1）密切跟踪新公约、规范的制定和实施，分析其对船舶关键技术参数的影响及对设计理念的影响，根据需要更新参照体系中的相关数据。

2）及时掌握不同船型航线、港口、货源等的变化，研究其对船舶关键技术参数的影响，根据需要更新参照体系中的相关数据，不断完善。

3）持续关注节能减排的先进设计技术及设备的发展，跟踪其对EEDI等指标的影响，修改相应指标，保持本指导文件的先进性。

4）持续收集新造船资料，扩大样本船资料数量。

5）进一步建立除九型精品船型以外的其它船型数据库，扩大船型适用范围。

[1]程斌, 潘伟文.船舶设计教程[M].上海: 上海交通大学出版社, 1988.

[2]IMO.RESOLUTION MEPC.203 (62), Amendments to the Annex of Protocol of 1997 to Amend the International Convention for the Prevention of Pollution From Ships, 1973, as Modified by the Protocol of 1978 Relating Thereto [S].2011.

[3]IMO.MEPC.212 (63), 2012 Guidelines on the method of calculation of the attained energy efficiency design index (EEDI) for new ships[S].2012.

[4]IMO.MEPC.214 (63), 2012 Guidelines on survey and certification of the energy efficiency design index (EEDI)[S].2012.

[5]中国船级社.船舶能效设计指数(EEDI)验证指南[S].2012.