基于加權(quán)單箱功率指數(shù)的集裝箱船大型化分析

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(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

隨著造船技術(shù)的發(fā)展以及各船東公司出于運輸規(guī)模經(jīng)濟化的考慮，建造營運的集裝箱船型尺度迅速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，新造船平均尺寸已從2009年的4 000 TEU增至2014年的8 000 TEU，目前新船訂單中船型尺度超過8 000 TEU的集裝箱船所占比例已經(jīng)達到了82%[1]，甚至22 000 TEU集裝箱船型的訂單也已出現(xiàn)。同時，隨著集裝箱船大型化的發(fā)展，基于合同約定的單一工況和航速指標的集裝箱船型優(yōu)化設計也在向多吃水、多航速營運特性(operational profile)的多工況優(yōu)化設計的方向轉(zhuǎn)變[2-5]。

然而，如何對集裝箱船的多工況優(yōu)化設計結(jié)果進行評估，目前依然沒有一個普遍接受的統(tǒng)一的考核指標。在近幾年與不同的船東接觸過程中，雖然船東都提出了要進行船型多工況優(yōu)化，但最終考核指標卻往往還是集中于一兩個點，很難真正反映船型在實際營運過程中的整體性能優(yōu)劣。另外，對于集裝箱船而言，表征其營運工況的構(gòu)成有：①吃水狀態(tài)。包括設計吃水、結(jié)構(gòu)吃水等；②均質(zhì)箱重的載箱量。包括典型的10 t均箱、12 t、14 t等；③航速(對應功率)選擇[6-8]。

基于此，考慮以目標船型為研究對象，提出對于不同營運工況的比重進行加權(quán)考慮的單箱能耗(kW/TEU)指標——加權(quán)單箱功率指數(shù)。

1 加權(quán)單箱功率指數(shù)定義

對于營運工況進行綜合考慮，并根據(jù)各裝載狀態(tài)的比重，得到加權(quán)單箱功率指數(shù)E。

(1)

式中：P為加權(quán)功率值，kW；N為加權(quán)載箱量，TEU；k為吃水狀態(tài)比重系數(shù)，%；Pij為考察的營運功率，kW；aij為功率的比重系數(shù)，%，∑aij=1；Nij為考察的不同均質(zhì)箱重的載箱量，TEU；bij為載箱量的比重系數(shù)，%，∑bij=1；ki為不同吃水狀態(tài)的比重系數(shù)，%，∑ki=1。

該指數(shù)考慮了目標船型在整個營運工況內(nèi)各個裝載狀態(tài)，基于其所占的比重進行加權(quán)評估，因此能夠更合理地反映目標船型的單箱能耗情況。

2 加權(quán)單箱功率指數(shù)影響因素

集裝箱船實際營運時，有各種各樣的裝載狀態(tài)。為了便于討論且不失一般性，選擇典型的營運工況進行研究，亦即吃水狀態(tài)選擇設計吃水(Td)和結(jié)構(gòu)吃水(TS)，載箱狀態(tài)選擇10 t均質(zhì)箱重載箱、14 t均質(zhì)箱重載箱和最大名義載箱，航速選擇典型的18 kn和22 kn。

選取典型的營運工況比重系數(shù)見表1。表中比重系數(shù)可根據(jù)船舶的實際營運狀態(tài)選取，側(cè)重點不同，比重系數(shù)也會有所差別。

對集裝箱船來說，每1個集裝箱位都可以用1個三維編碼行(bay)、列(row)和層(tier)來表示。為簡化起見，用行(bay)和列(row)來代表該船型尺度的大小，層(tier)主要影響名義箱位，對船型實際載箱量影響很小，不予考慮。

目標船型的主要船型參數(shù)見表2。這5型船都是本公司近幾年已交付或在建的超大型集裝箱船，也是該時期內(nèi)市場上的主流船型，具有代表性。

表2 目標船型參數(shù)

從船型尺度、營運航速、均質(zhì)箱重載箱量以及吃水狀態(tài)4個方面進行討論。

2.1 船型尺度

根據(jù)表1和表2，并聯(lián)系式(1)，計算得到目標船型的加權(quán)單箱功率指數(shù)，見表3。

表3 目標船型的加權(quán)單箱功率指數(shù)

由計算結(jié)果可知：

當然，集裝箱船尺度的選擇還要綜合考慮船舶的整體性能，如穩(wěn)性、快速性、載重量等，也要考慮建造成本，航線限制和碼頭限制等[9]。盡管目前市場上對集裝箱船型大型化有不同的觀點，但由于大型化帶來的單箱能耗的降低顯而易見。而對于集裝箱船型尺度上限[10-12]，現(xiàn)在依然不能輕易下結(jié)論。

2.2 營運航速

假定其他比重系數(shù)不變，18 kn的比重系數(shù)由20%逐漸增加到80%，則得到的加權(quán)單箱功率指數(shù)見表4。

表4 營運航速比重變化對應的加權(quán)單箱功率指數(shù)

根據(jù)表4，得到隨營運航速比重變化的E值，見圖1。

圖1 隨營運航速比重變化的E值

隨著營運航速中18 kn航行所占比重逐漸加大，E值明顯減低。亦即降速航行能夠顯著減小單箱能耗。

2.3 均質(zhì)箱重載箱量

假定其他比重系數(shù)不變，10 t均質(zhì)箱重載箱量和14 t均質(zhì)箱重載箱量所占比重發(fā)生變化，10 t均質(zhì)箱重載箱量比重系數(shù)從20%增加至80%，14 t均質(zhì)箱重載箱量比重系數(shù)從70%減少至10%，其中最大名義載箱量比重保持10%不變，得到的加權(quán)單箱功率指數(shù)見表5。

表5 均質(zhì)箱重載箱量比重變化對應的加權(quán)單箱功率指數(shù)

根據(jù)表5，得到隨均質(zhì)箱重載箱量比重變化的E值曲線，見圖2。

圖2 隨均質(zhì)箱重載箱量比重變化的E值

隨著均質(zhì)箱重營運狀態(tài)中10 t均箱的比重增加，E也隨著降低。亦即營運狀態(tài)側(cè)重輕箱裝載能減少單箱能耗。

2.4 吃水狀態(tài)

假定其他比重系數(shù)不變，設計吃水狀態(tài)比重從20%逐漸增長至80%，得到表6。

根據(jù)表6，得到隨吃水狀態(tài)比重變化的E值，見圖3。

隨著船型大型化，吃水狀態(tài)所占比重對于E的影響逐漸減小。亦即隨著船型變大，不同的吃水狀態(tài)(對應不同的載箱量)單箱能耗也不會有大的差別。

表6 吃水狀態(tài)比重變化對應的加權(quán)單箱功率指數(shù)

圖3 隨吃水狀態(tài)比重變化的E值

3 結(jié)論

加權(quán)單箱功率指數(shù)是一個開放性的概念，使用者側(cè)重點不同，該指數(shù)表征的集裝箱船單箱能耗特性也會有所差別。船東可根據(jù)自己集裝箱船隊的營運特點，明確不同的權(quán)重系數(shù)，從而了解特定營運工況下的單箱能耗。該指數(shù)更能反映船型的實際能耗情況，以此進行集裝箱船型多工況優(yōu)化設計更加合理，也能提高船東實際營運的經(jīng)濟性。對目標船型的加權(quán)單箱功率指數(shù)進行分析比較后認為：

1)隨著船型尺度增大，單箱能耗逐步降低。

2)降速航行能夠顯著減小單箱能耗。

3)營運狀態(tài)選擇增加輕質(zhì)箱重載箱能明顯減少單箱能耗。

4)隨著船型變大，不同吃水狀態(tài)下的單箱能耗差別并不明顯。

以下問題還有待進一步分析與研究：

1)船長和船寬的變化對于單箱能耗的影響程度；

2)船型尺度的上限論證。