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(滬東中華造船(集團(tuán))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(yùn)輸規(guī)模經(jīng)濟(jì)化的考慮，建造營運(yùn)的集裝箱船型尺度迅速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dá)到了82%[1]，甚至22 000 TEU集裝箱船型的訂單也已出現(xiàn)。同時(shí)，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(biāo)的集裝箱船型優(yōu)化設(shè)計(jì)也在向多吃水、多航速營運(yùn)特性(operational profile)的多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評估，目前依然沒有一個(gè)普遍接受的統(tǒng)一的考核指標(biāo)。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(jìn)行船型多工況優(yōu)化，但最終考核指標(biāo)卻往往還是集中于一兩個(gè)點(diǎn)，很難真正反映船型在實(shí)際營運(yùn)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(yùn)工況的構(gòu)成有：①吃水狀態(tài)。包括設(shè)計(jì)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(yīng)功率)選擇[6-8]。

基于此，考慮以目標(biāo)船型為研究對象，提出對于不同營運(yùn)工況的比重進(jìn)行加權(quán)考慮的單箱能耗(kW/TEU)指標(biāo)——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(yùn)工況進(jìn)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(yùn)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(biāo)船型在整個(gè)營運(yùn)工況內(nèi)各個(gè)裝載狀態(tài)，基于其所占的比重進(jìn)行加權(quán)評估，因此能夠更合理地反映目標(biāo)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(shí)際營運(yùn)時(shí)，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(yùn)工況進(jìn)行研究，亦即吃水狀態(tài)選擇設(shè)計(jì)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(yùn)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(shí)際營運(yùn)狀態(tài)選取，側(cè)重點(diǎn)不同，比重系數(shù)也會(huì)有所差別。

對集裝箱船來說，每1個(gè)集裝箱位都可以用1個(gè)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(shí)際載箱量影響很小，不予考慮。

目標(biāo)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(shí)期內(nèi)市場上的主流船型，具有代表性。

表2 目標(biāo)船型參數(shù)

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

2.1 船型尺度

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

表3 目標(biāo)船型的加權(quán)單箱功率指數(shù)

由計(jì)算結(jié)果可知：

當(dāng)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(diǎn)，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(yùn)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(yùn)航速比重變化對應(yīng)的加權(quán)單箱功率指數(shù)

根據(jù)表4，得到隨營運(yùn)航速比重變化的E值，見圖1。

圖1 隨營運(yùn)航速比重變化的E值

隨著營運(yùn)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(yīng)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(yùn)狀態(tài)中10 t均箱的比重增加，E也隨著降低。亦即營運(yùn)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(shè)計(jì)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(yīng)不同的載箱量)單箱能耗也不會(huì)有大的差別。

表6 吃水狀態(tài)比重變化對應(yīng)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(gè)開放性的概念，使用者側(cè)重點(diǎn)不同，該指數(shù)表征的集裝箱船單箱能耗特性也會(huì)有所差別。船東可根據(jù)自己集裝箱船隊(duì)的營運(yùn)特點(diǎn)，明確不同的權(quán)重系數(shù)，從而了解特定營運(yùn)工況下的單箱能耗。該指數(shù)更能反映船型的實(shí)際能耗情況，以此進(jìn)行集裝箱船型多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)更加合理，也能提高船東實(shí)際營運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性。對目標(biāo)船型的加權(quán)單箱功率指數(shù)進(jìn)行分析比較后認(rèn)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(yùn)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(jìn)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。