新型MiniCape散貨船設計

張洪流 劉陽 劉正亮 趙錫超

摘? ? 要：結合目前散貨船市場的現(xiàn)狀，我司推出新一代MiniCape散貨船設計并應用于航運市場。該型船通過對航速、EEDI提升、結構及空船重量控制、綠色環(huán)保設計及生產(chǎn)設計優(yōu)化等，使該船比現(xiàn)有同類型船舶更環(huán)保、更節(jié)能、更智能、更舒適、載重量更大，實現(xiàn)了同時滿足HCSR和EEDI2標準的新型船舶，為類似船型的設計提供參考。

關鍵詞：散貨船;綠色;低風阻;節(jié)能;運量;運營成本

中圖分類號：U662.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Design of New MiniCape Bulk Carrier

ZHANG Hongliu， LIU Yang， LIU Zhengliang， ZHAO Xichao

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）

Abstract： Based on the current situation of the bulk carrier market， a new generation of MiniCape bulk carrier is designed and applied to the shipping market. Through the optimization of speed， EEDI， structure and empty ship weight control， green and environmental protection design and production design， the ship is more environmental protection， more intelligent， more comfortable， more load capacity than the existing similar ships. A new type of ship which meets HCSR and EEDI2 standards at same time is realized， which can provide reference for similar ship design.

Key words： Bulk carrier; Green; Lower wind resistance; Energy saving; Transportation volume; Operating cost

1? ? ?前言

隨著世界貿易大格局的變化，以及船舶新法規(guī)的相應生效及實施，節(jié)能減排、降低燃油消耗、綠色環(huán)保、低維護成本的散貨船成為船東追求的目標。面對殘酷的散貨船市場，船廠、設計院要在市場環(huán)境中生存并良性發(fā)展，就需要開發(fā)新的船型來適應形勢的發(fā)展。近年來，MiniCape型散貨船在某些特定航線需求旺盛，如西澳大利亞黑德蘭港的鋰礦石和西非幾內亞的錳礦石運輸?shù)龋虼宋宜靖鶕?jù)市場需求設計推出新型120000 DWT的MiniCape散貨船。本文就該船型的設計開發(fā)、建造進行介紹。

該船為單螺旋槳、低速柴油機推進的遠洋航行散貨船，適用于裝載煤、礦石、谷物等散貨。該船上建有6層甲板，船員總數(shù)25人，7個貨艙總艙容約135000 m3;在結構吃水14.6m時，載重量約120 000? DWT，續(xù)航力22 000 kn;入DNV船級社，懸掛香港旗。

2? ? ?線型設計

（1）該船依據(jù)設定的主要尺度和目標航速，選取數(shù)據(jù)庫中較為接近的優(yōu)秀船型作為母型，經(jīng)過船型變化獲得優(yōu)選線型。首先，對原始線型的不同首部和尾部形狀進行分析研究，優(yōu)選首部和尾部形狀進行方案設計并進行CFD計算選優(yōu);然后，通過開展浮心縱向位置變化、舭部半徑變化、修改進流段和去流段以及水線形狀等，依據(jù)CFD計算結果，同時輔助專家經(jīng)驗進行線型設計，保證線型設計符合船舶建造要求;最后獲得最終線型方案為：首部采取直立球首設計，阻力性能優(yōu)秀;尾部則擁有上佳的伴流分布，有助于提高螺旋槳推進效率;

（2）在操縱性和耐波性設計中，利用軟件計算操縱性能，保證操縱性滿足規(guī)范要求;首部水線進流處平緩，相對其他同類船型具有更瘦的水線面，可以在海況不佳時更容易切開波浪，明顯降低波浪增阻（見圖 1、圖 2）;

（3）根據(jù)最終設計線型，開展一系列模型試驗，包括阻力、自航、敞水、流線、伴流、波浪增阻試驗等。

在快速性試驗過程中，為實現(xiàn)性能的最優(yōu)化，開展了槳前節(jié)能裝置（導管）的設計（見圖 3）及PK試驗、設計槳的PK試驗?？焖傩栽囼灲Y果表明，在合同功率點下，航速超越了規(guī)格書要求的指標（見圖 4）;波浪增阻試驗表明該船可滿足最小裝機功率要求。

3? ? 上建型式設計

考慮到提高航速及EEDI指標提升，做到真正節(jié)能環(huán)保，該船采用低風阻型上建型式，如圖5所示。

（1）采用STARCCM+軟件，對上層建筑傳統(tǒng)方案和低風阻優(yōu)化方案進行數(shù)值模擬比較;

（2）采用湍流定常計算（僅計算水線以上的部分）。在風速低于8級風時網(wǎng)格數(shù)為400萬即可;當風速更高時，為了高風速的穩(wěn)定，網(wǎng)格數(shù)為2 000萬左右。

（3）計算狀態(tài)為：船速14 kn;風速分別為蒲氏2級、4級、6級和8級風，如表1所示。

（4）通過對兩種不同上層建筑表面速度分布計算，得出不同風速度下上建阻力值（見表 2）及節(jié)能效果（見表 3）。

計算結果表明：隨著風速的增加，上建型式流動分離現(xiàn)象趨向嚴重，風阻占總阻力的比值也增大，在蒲氏4級風時風阻約占總阻力的4%，6級風時約占總阻力的7%，8級風時約占總阻力的11%;低風阻上層建筑優(yōu)化方案避免了直角分離的影響，并減小了風垂直接觸表面積。風速越大節(jié)能效果越顯著。在蒲氏4級風時可降低功率2.2%，8級風時可降低功率約7%，這對EEDI指標提升起到了良好的效果。實船航行試驗表明，其服務航速達到并超出了合同指標，且船舶振動及操縱性也符合合同要求，船東非常滿意。

4? ? 空船重量控制

空船重量控制是保證船舶載重量的關鍵因素。船體結構重量約占空船重量80%，因此控制船體結構重量極為重要。通過優(yōu)化布置、結構形式、節(jié)點型式、構件尺寸，對船體結構進行全面的優(yōu)化設計：

（1）控制初始設計值，合理優(yōu)化貨艙劃分，以最大程度降低靜水彎矩及剪力值;

（2）優(yōu)化肋距、縱骨及強框間距。確定對構件尺寸最有利的間距;

（3）優(yōu)化構件尺寸，構件分析采用迭代法，反復優(yōu)化得到最佳值;

（4）節(jié)點設計精細化。對比各種加強方案，優(yōu)化關鍵節(jié)點型式，改善疲勞強度，降低應力值;

（5）生產(chǎn)設計時各專業(yè)充分協(xié)調。如生產(chǎn)工藝協(xié)調，使分段線、板縫線、構件尺寸最優(yōu)化，達到最佳平衡;

（6）根據(jù)CSR的特性，提高整船的高強度鋼比例，并在一些高應力區(qū)采用高等級的高強度鋼;而對一些易疲勞處構件采用低級別高強度鋼，提高抗疲勞能力;

（7）優(yōu)化貨艙區(qū)域外的結構布置、尺寸，有效控制船中區(qū)域外的結構重量;對首尾機艙骨架型式進行縱橫骨架式的詳細比較，最后確定尾部和機艙雙層底采用橫骨架式外，其余都采用縱骨架式，有利于總縱強度并減輕重量;

（8）進行多方案的直接計算分析。根據(jù)計算結果采用不同的加強方式，達到結構重量的最優(yōu)化。

通過采用合理的布置和精細化的設計，全船結構重量得到了有效控制，與建造合同相比，增加了約500 t載貨量，取得可喜的結果。

5? ? ?綠色環(huán)保設計

（1）該船的設計已滿足DNV 環(huán)保入級符號CLEAN的要求。有綠色環(huán)保入級符號的船舶需滿足對燃油艙保護，氮氧化物、硫氧化物等有害物質的排放、空調制冷劑的選用，焚燒爐排煙及廢水、垃圾、壓載水的相關處理和排放要求。為此，該船根據(jù)MARPOL和船級社的要求，采取一系列措施，包括：燃油艙保護、艙底水系統(tǒng)的優(yōu)化，空調、冷藏設備的選型等。并設置了低硫燃油和低硫柴油儲存艙，以滿足船舶在ECA區(qū)域航行時對硫化物排放的要求。

（2）硫氧化物和氮氧化物排放的控制既要考慮當前使用需要，也充分考慮未來更為嚴格的環(huán)保法規(guī)的要求。主輔機廢氣洗滌后硫氧化物最低含量等效于燃燒0.1%含硫量的燃油，洗滌效果高于目前全球海域最低0.5%含硫量的要求。機艙布置考慮到將來可能的主輔機SCR的加裝要求，預留SCR布置空間，便于SCR加裝。

（3）安裝了多種節(jié)能控制系統(tǒng)，如中央冷卻變頻系統(tǒng)、機艙風機節(jié)能變頻系統(tǒng)及脫硫變頻系統(tǒng)，配置了多達十三套變頻器。在網(wǎng)變頻負荷占到電站負荷的50%以上，完成了多源變頻負載對電力系統(tǒng)干擾諧波計算及抑制研究，采取了AFE前端濾波、有源濾波等手段，有效抑制諧波最終實現(xiàn)了節(jié)能70%以上的極佳效果。

（4）采用高流明的LED照明系統(tǒng)，并基于CADMATIC環(huán)境下的三維設計手段和精細化的照度計算，完成了燈具數(shù)量的估算和人性化布置，滿足船級社照度要求，并達到節(jié)能增效的效果。

（5）配備有一體化架構接入智能網(wǎng)絡信息平臺的能效管理系統(tǒng)，可以通過實時監(jiān)控的手段進行智能評估能耗，做出節(jié)能減排的輔助決策。幫助船東和船員以更經(jīng)濟環(huán)保的方法管理船舶運行，見圖 8。

6? ? ?總布置設計

（1）該船共有7個貨艙，貨艙區(qū)采用常規(guī)的單殼結構，設有底邊艙斜板、雙層底和頂邊艙。該船為B-60型干舷，按照國際公約和規(guī)則，在完整穩(wěn)性方面滿足IS CODE（2008）和IACS UR S11、S17的要求，在破艙穩(wěn)性方面滿足1966年國際載重線公約1988議定書中第27條的破損穩(wěn)性要求和SOLAS II-1章第9條的底部破損橫準;

（2）為提高貨艙利用率，優(yōu)選壓縮機艙和首部長度，從而增加貨艙區(qū)長度，提高貨艙容積。這樣的優(yōu)化設計，雖取得了比同類型船較高的貨艙利用率，但也增加了船舶穩(wěn)性計算的要求;

（3）由于該船貨艙長度很長和貨艙艙容很大，在充分考慮S11、S17和破艙穩(wěn)性的計算，經(jīng)過優(yōu)選分艙長度、壓載系統(tǒng)的布置以及空氣管位置，計算滿足穩(wěn)性和強度要求，最終確定了貨艙布置方案。其中，適當減小了第一貨艙的艙容，以應對國際載重線公約單艙破損的要求;同時還縮小了第三貨艙艙容，以減小由S17單個貨艙進水引起的總縱彎矩過大。該方案不僅有效地控制了船舶總縱彎矩，又實現(xiàn)了對結構重量的控制，同時使貨艙區(qū)域布置合理，達到貨物裝卸方便和安全的要求;

（4）該船設計貫穿綠色環(huán)保理念。其中，對燃油艙、柴油艙采取了雙殼保護措施，滿足最新的燃油艙保護規(guī)范的要求;將貨艙區(qū)燃油艙布置在頂邊艙，同時采用雙殼結構進行隔離。其隔離艙分別用于淡水洗艙水和洗艙污水的存放，淡水可以通過航行中的造水機制造，既節(jié)能又可以節(jié)約港口的淡水使用費用;同時船舶自身對污水的收集又減少了船舶?？繒r對港口環(huán)境的排污污染，使船東對船舶的使用更加經(jīng)濟、方便、環(huán)保;另外，本船頂邊壓載艙和底邊壓載艙采用聯(lián)通管上下聯(lián)通，形成一個上下貫通的壓載艙，壓載艙相應的控制閥均布置在管弄內，便于船舶運營中的操作與維修。這樣的布置還可以減少相關的壓載管路、空氣管、閥件等的配備，簡便了工藝，降低了成本，在壓載水排放過程中，頂邊艙的重力可以提高泵的效率，縮短壓載水交換時間。

7? ? ?生產(chǎn)設計

（1） 管弄布置

該船為雙管弄結構，結合管弄結構空間，對管弄區(qū)域的管路、鐵舾件、電纜進行綜合布置，確保管子安裝空間、小車運行空間、遙控閥門的安裝檢修空間、支管長度及支架高度、多芯管長度等均為最優(yōu)狀態(tài);

將主壓載管路、掃艙管由鋼管改為玻璃鋼管，減少管子重量;主壓載管路布置在管弄兩側，并充分考慮支管上遙控蝶閥的安裝檢修空間，在有遙控蝶閥的地方協(xié)調結構進行局部修改，在管子穿艙位置留出安裝空間;優(yōu)化多芯管、電纜路徑、管弄小車的安裝運行空間;多芯管與電纜通過雙層電纜托架布置在一起，節(jié)約安裝空間，減少管子支架的安裝及焊接工作;將布置好的管弄方案與船東進行確認，并按船東意見進行微調，優(yōu)化安裝維修空間，見圖 9所示。

（2）機艙布置

在詳細設計階段，根據(jù)相關設備的性能及其操作要求，布置時預留出操作維修空間;功能相關的輔機和箱柜考慮組裝成一體，便于劃分單元;根據(jù)艙室及設備的功能，優(yōu)化設備布置，縮短管路長度;因增加脫硫塔，主海水管路需由DN650加大至DN700，機艙底層前壁、主機與主海水管路、壓載泵之間空間狹小，將脫硫塔的主海水管路由海水總管取水改為由高位海底門取水;與壓載泵廠家協(xié)調，將壓載泵接線合方向旋轉180 ?，避開主海水總管;將脫硫塔的主海水泵、稀釋泵、水質檢測單元等相關附件布置在機艙右舷靠近高位海底門處;增加平臺，使其滿足脫硫塔相關附件的操作檢修;將通風管路與其它管路靠近布置，在需要散熱的設備處將風管延伸至設備附近。優(yōu)化后的機艙模型，見圖 10所示。

（3）主甲板布置

主甲板主管路設置在主甲板右舷，艙口蓋液壓管穿艙口圍肘板，到舷邊的電纜管采用套管形式走到艙內;主甲板多芯管布置在主電纜管下方，管路布置整齊、美觀，且能減少多芯管保護罩的安裝;每個貨艙設置一個可拆式跨管平臺，確保左右舷通道互通;左右舷主通道設置風暴扶手索，確保極端工況下的安全性;

以#1、#2艙之間系泊布置為例，進行系泊絞車、水平導纜器、跨管平臺、觀艙平臺之間的綜合協(xié)調，在確保系泊功能正常使用的前提下，拉線角度需在可控范圍之內，使通道最大化，同時避免與主管路干涉;

將艙蓋操作閥箱平臺和觀艙平臺做成一體化，節(jié)省空間，美觀實用，艙口圍兩端設置簡易式限位器方鋼平臺，簡單實用，見圖 11所示。

（4）上建布置

上建甲板從上到下依次劃分為6層。為滿足船舶航行過程中的使用便利及航行需要，將船長及輪機長房間設置在D甲板首部，大副及大管輪房間設置在C甲板首部，以方便高級官員在行船過程中可以在辦公室直接觀察船舶狀態(tài)。

采用A甲板布置工作艙室（廚房、餐廳、配餐間、辦公室），將配餐間與餐廳合并;同時通過在艙室中增加獨立圍壁板以及調整衛(wèi)生單元布置及封板布置，在上建艙室中開辟出可供管路和通風拉設的路徑;最終協(xié)調了上建結構和電纜弄出口、風弄出口、走廊等位置的大量干涉問題，解決了新型上建綜合布置相關難題，見圖 12。

8? ? ?結論

通過以上實施方案，實現(xiàn)了全球首型同時滿足HCSR和EEDI2標準的低風阻Mini Cape型散貨船的設計建造，船體結構重量相比母型船船體結構約輕1000? t，載重量約增加500 t，其配備的能效管理系統(tǒng)實現(xiàn)了船岸一體化管理。通過對船舶主機、發(fā)電機等設備能效數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、分析，指導船岸執(zhí)行最佳節(jié)能方案，提高船舶整體綜合運行效能;機艙風機、脫硫系統(tǒng)等配備變頻控制系統(tǒng)，服務航速為14.36 kn，主機油耗每天約29.6 t，載重量為120 578 DWT，滿足新巴拿馬運河規(guī)范及NEW NOISE CODE標準要求，比現(xiàn)有同類型船舶更環(huán)保、維護成本更低、更節(jié)能、智能、住艙更舒適、載重量更大。與類似船型相比，相同條件下日油耗下降逾20%，載貨量提升約5%，達到世界先進水平。該船設計實施方案為國內同類型船舶的設計建造提供了寶貴的經(jīng)驗。

參考文獻

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