超低壓載水船舶設計

沈蘇雯

在民船領域，船舶的節能環保屬性受到高度重視。而這不僅僅是從保護地球環境的角度出發，也是從經濟角度來考慮，特別是在IMO越加嚴格的相關規定的壓力下。超低壓載水船舶這一概念，給保護海洋環境、節能減排這一理念帶來了一個全新的解決方式。它所帶來的附加優勢，如減少了壓載水處理裝置的數量和使用頻率，節省成本，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船設計已獲得日本船級社的原則性認可，船體設計滿足所有國際船體強度和安全性要求。較對建造硬件設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的海浪砰擊、螺旋槳空轉以及分散運載壓力，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下足夠的復原力。

因此，雖然對于常規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船的船塢設備、接岸設施等基礎設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備的船型，更符合IMO相關規范，同時也可節省燃費。

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的研究開發計劃”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研究協會也提供了援助，主要在日本造船技術中心進行水池試驗。研究人員選擇收益最大的VLCC油船（名村造船廠負責）和散貨船（大島造船廠負責）作為開發的對象船型，在2009年開啟開發計劃，并于2011年完成研究內容，研發費用總耗資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船在長方形的基礎上，艙底角削去了一塊三角形。這種船型設計的關鍵點在于，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，與現有傳統型相比排水量和燃耗都減少了。從空載狀態時的排水量來看（點線以下的面積）NOBS船是最小的（此時為零壓載水），其次是MIBS與傳統型。滿載狀態時的排水量（實線以下面積）MIBS船和NOBS船比傳統型小，載貨量有所減少，為了使載貨量達到與傳統型相同的程度，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船的研發目標之一是相比傳統船型減少10%的二氧化碳排放量（滿載與壓載狀態平均）。研究人員前后設計了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船設計俯視圖

圖3 MIBS船的壓載狀態水池試驗（上：VLCC；下：散貨船）

在設計船型時，研究人員反復采用CFD計算對船型進行改良優化，以獲得最佳船型設計。如圖所示為CFD計算結果舉例。

圖4 CFD計算結果試舉例（VLCC）

各試驗船型的主尺度以及經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、減少壓載水處理設備搭載數量的設計目的已達到。

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（傳統船型需8.5萬噸）。與相同載貨量的傳統VLCC相比，可減少65%的壓載水搭載量，節省了一半以上必須的壓載水處理設備容量。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PCC船的主尺度（長、寬、深），在保證復原力的前提下開發一種壓載水需求量最小的船型，并通過模型試驗驗證節能效果。

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，增加穩心高度。由于試驗船型的主尺度與現有船相同，要在提高了穩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的完整穩性要求（天氣衡準）。該規則中規定了，船舶需保證擁有足夠的復原力，以使平穩航行在不規則波中的船舶在達到波峰時受到突如其來的狂風襲擊也不會傾覆。

基于以上的設計理念，研發人員設計了3艘試驗模型船，完善了設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有船舶減少80%壓載水量，壓載狀態時減少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，壓載水艙內部的涂裝成本也降低了。

不過該PCC船設計尚有未解決的問題，模型船通過自由橫搖衰減試驗，其復原力展現了十分強烈的非線性性質，無法滿足現有的IMO完整穩性要求，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