超低壓載水船舶設(shè)計

沈蘇雯

在民船領(lǐng)域，船舶的節(jié)能環(huán)保屬性受到高度重視。而這不僅僅是從保護地球環(huán)境的角度出發(fā)，也是從經(jīng)濟角度來考慮，特別是在IMO越加嚴格的相關(guān)規(guī)定的壓力下。超低壓載水船舶這一概念，給保護海洋環(huán)境、節(jié)能減排這一理念帶來了一個全新的解決方式。它所帶來的附加優(yōu)勢，如減少了壓載水處理裝置的數(shù)量和使用頻率，節(jié)省成本，更是一舉多得。

日前，日本的幾項超低壓載水船舶項目研究取得了一定的成果。2013年3月6日，名村造船廠宣布，在接受了日本船級社的各項性能測試和驗證后，該船廠的超低壓載水VLCC船設(shè)計已獲得日本船級社的原則性認可，船體設(shè)計滿足所有國際船體強度和安全性要求。較對建造硬件設(shè)施有較高要求的無壓載水船舶，超低壓載水船舶無疑更具有投入實船建造的可能性。相信在不久的將來人們便會看到建造完成的實船活躍在海洋中。

超低壓載水船型設(shè)計

一般來說，航行中需要使用壓載水來確保船舶的安全性，特別如同油船和散貨船等肥大型船型，需要足夠的壓載水來防止空載狀態(tài)的海浪砰擊、螺旋槳空轉(zhuǎn)以及分散運載壓力，而集裝箱船等較為窄瘦的船舶，則需要壓載水來保證滿載狀態(tài)下足夠的復(fù)原力。

因此，雖然對于常規(guī)船舶來說壓載水是必不可少的，不過如果在船型上下功夫，可以研制出無需或者只需少量壓載水就能安全航行的船型。2001年日本造船技術(shù)中心提出了一種完全不需要搭載壓載水的無壓載水船舶（Non Ballast Water Ship，NOBS）的概念方案。2003年，該方案被列入國家工程項目。這種無壓載水船舶的特點在于船底形狀為V字型，即使在空載狀態(tài)也不需要壓載水便可使船首船尾保證足夠的吃水。

當然NOBS船型是無需任何壓載水的革命性船型，并且具有很高的可行性。不過其肥大型船身，較為狹小的V字型船底等問題在實際建造中可能很有難度，可建造NOBS船的船塢設(shè)備、接岸設(shè)施等基礎(chǔ)設(shè)施的問題需要進一步解決。為此誕生了超低壓載水船型MIBS（Minimal Ballast water Ship，MIBS），其底部龍骨寬度較無壓載水船型寬，船底傾斜角度也較緩，可解決NOBS船在硬件建造設(shè)施方面的缺點，使無/少壓載水船舶向著實船建造更進一步。它是一型可大幅減少搭載壓載水量，無需多套壓載水處理設(shè)備的船型，更符合IMO相關(guān)規(guī)范，同時也可節(jié)省燃費。

MIBS型VLCC和散貨船

MIBS船的研究為國土交通省的“減少船舶二氧化碳排放技術(shù)的研究開發(fā)計劃”之一，由大島造船所和名村造船所自2009年起開始進行，日本財團和日本船舶技術(shù)研究協(xié)會也提供了援助，主要在日本造船技術(shù)中心進行水池試驗。研究人員選擇收益最大的VLCC油船（名村造船廠負責(zé)）和散貨船（大島造船廠負責(zé)）作為開發(fā)的對象船型，在2009年開啟開發(fā)計劃，并于2011年完成研究內(nèi)容，研發(fā)費用總耗資2.62億日元，但目前尚未進入實船建造階段。

MIBS的船底形狀為如圖1所示。傳統(tǒng)VLCC油船的船體中剖面為長方形，艙底部稍有圓角，而MIBS船在長方形的基礎(chǔ)上，艙底角削去了一塊三角形。這種船型設(shè)計的關(guān)鍵點在于，可以極大地減少壓載水的搭載量，同時還能保證足夠的吃水，與現(xiàn)有傳統(tǒng)型相比排水量和燃耗都減少了。從空載狀態(tài)時的排水量來看（點線以下的面積）NOBS船是最小的（此時為零壓載水），其次是MIBS與傳統(tǒng)型。滿載狀態(tài)時的排水量（實線以下面積）MIBS船和NOBS船比傳統(tǒng)型小，載貨量有所減少，為了使載貨量達到與傳統(tǒng)型相同的程度，便增加了船體的長、寬、吃水等主尺度。

圖1 NOBS、MIBS和傳統(tǒng)型中剖面對比

此外，MIBS船型可通用于肥大型船體、窄瘦型船體，不過海運中排放的二氧化碳60%都是肥大型船體所排放的，因此該研究項目選定了肥大型船體為MIBS船的目標船型，以期待驗證MIBS船在減排方面的效果。

本次MIBS船的研發(fā)目標之一是相比傳統(tǒng)船型減少10%的二氧化碳排放量（滿載與壓載狀態(tài)平均）。研究人員前后設(shè)計了3艘試驗船并進行了水池試驗、推進性能測試等工作，最終獲得了如下圖所示的船型。

圖2 MIBS船設(shè)計俯視圖

圖3 MIBS船的壓載狀態(tài)水池試驗（上：VLCC；下：散貨船）

在設(shè)計船型時，研究人員反復(fù)采用CFD計算對船型進行改良優(yōu)化，以獲得最佳船型設(shè)計。如圖所示為CFD計算結(jié)果舉例。

圖4 CFD計算結(jié)果試舉例（VLCC）

各試驗船型的主尺度以及經(jīng)過水池試驗確認的二氧化碳減排效果如表所示，可看出減少10%二氧化碳排放量以及減少60%的壓載水搭載量、減少壓載水處理設(shè)備搭載數(shù)量的設(shè)計目的已達到。

表 MIBS船主尺度與二氧化碳減少量對比表

這款MIBS VLCC油船最終設(shè)計主尺度為324米，寬60米，深30米，吃水21.5米，載貨量約為30萬噸，在正常壓載條件下的壓載水量約3萬噸（傳統(tǒng)船型需8.5萬噸）。與相同載貨量的傳統(tǒng)VLCC相比，可減少65%的壓載水搭載量，節(jié)省了一半以上必須的壓載水處理設(shè)備容量。并且，船舶在相同航速下，滿載時減少4%、壓載時減少20%，兩者平均可減少12%的燃費消耗量和溫室氣體排放量。

MIBS型汽車運輸船

不僅是肥大型船體的VLCC和散貨船可以適用于超低壓載水船型，窄瘦型船體同樣也有所適用的MIBS設(shè)計。

考慮到安全性，PCC船在長度上有所限制，并且在入港及通過巴拿馬運河時，對總長、船寬、吃水等主尺度有規(guī)則上的制約。在這樣的前提下，為了確保有最大的裝載量，PCC船主要是采用多層車輛甲板構(gòu)造，所搭載的車輛體積不小，重量不大。PCC船的排水量普遍偏小，吃水較淺，所以需要在滿載出港時搭載大量壓載水，以確保足夠的吃水，能使螺旋槳沒于水下。這些壓載水最多可占到全船載貨量的30%以上。日本的研究人員提出了不改變傳統(tǒng)PCC船的主尺度（長、寬、深），在保證復(fù)原力的前提下開發(fā)一種壓載水需求量最小的船型，并通過模型試驗驗證節(jié)能效果。

為了減少壓載水的使用量，研究人員將試驗船型的重心降低，增加穩(wěn)心高度。由于試驗船型的主尺度與現(xiàn)有船相同，要在提高了穩(wěn)心高度的前提下保證其水線面形狀基本不變，則需減少排水量。不過減少了壓載水，排水量自然也就減少了。在設(shè)計上需要解決的點在于如何使減少的壓載水量等同于減少的排水量。同樣需要注意的還有，在盡可能減少壓載水量的同時，需滿足IMO的完整穩(wěn)性要求（天氣衡準）。該規(guī)則中規(guī)定了，船舶需保證擁有足夠的復(fù)原力，以使平穩(wěn)航行在不規(guī)則波中的船舶在達到波峰時受到突如其來的狂風(fēng)襲擊也不會傾覆。

基于以上的設(shè)計理念，研發(fā)人員設(shè)計了3艘試驗?zāi)Ｐ痛?，完善了設(shè)計缺陷并進行了模型水池試驗，最終歸納出了一款可在滿載出港時比現(xiàn)有船舶減少80%壓載水量，壓載狀態(tài)時減少59%壓載水量的MIBS PCC船型，同時它在滿載時可減少7%、空載時可減少4.7%的功率消耗。隨之而來的優(yōu)點還有壓載水艙的容量也隨之減小，所需的壓載水處理裝置也可改用小型，處理需求減少，壓載水艙內(nèi)部的涂裝成本也降低了。

不過該PCC船設(shè)計尚有未解決的問題，模型船通過自由橫搖衰減試驗，其復(fù)原力展現(xiàn)了十分強烈的非線性性質(zhì)，無法滿足現(xiàn)有的IMO完整穩(wěn)性要求，研究人員認為其原因可能是伴隨著橫搖振幅的增加，橫搖固有周期產(chǎn)生變化，還有待進一步研究解決。

圖5 滿載時MIBS PCC船各艙位分布

圖6 壓載時MIBS PCC船各艙位分布