全風冷式冷藏集裝箱船開發關鍵技術

盧 晨，張華平

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 引 言

近年來，國際易腐貨物海運貿易量持續增長。依托不斷創新的冷鏈保鮮技術和數字技術，承運商可通過海陸聯運模式將易腐商品高效安全地送達世界各國，并完好無損地交付給客戶。根據航運咨詢公司德路里（Drewy）的統計和預測［1］，2019 年全球冷藏貨物海運貿易量為1.305 億t，至2024 年將達到1.560 億t，年均增長率為3.7%。冷藏集裝箱在冷鏈運輸貿易中扮演著重要的角色，其具有傳統冷藏船不可替代的諸多優勢，如門到門高效運輸、無間斷全冷鏈運輸、貨物吊運及轉運便捷、溫度場區分變化靈活、日常維護管理方便和可實施遠程監控等。當前冷藏貨物海運模式正在從專業冷藏船隊向冷藏集裝箱船隊轉變，預計到2024年，專業冷藏船運輸量占貿易量的比例將從2019 年的13%下降至8%，而冷藏集裝箱運輸量占貿易量的比例將從2019 年的87%增長至92%。根據德路里的統計［1］，受全球新冠疫情的影響，2020 年全球海運易腐品貿易量相比2019 年下降了0.4%（至1.32 億t），而冷藏集裝箱貨運量相比2019 年增長了0.3%（至540 萬TEU）。世界上最大的幾家冷藏貨物承運商二十多年訂造冷藏集裝箱船的歷程基本上反映了全冷藏集裝箱船型的演變歷程和發展趨勢。幾款具有代表性的船型如表1 所示。

表1 幾款具有代表性的全冷藏集裝箱船概況

1 整體設計理念和船型特征

以某634 FEU全冷藏集裝箱船為例，對其整體設計理念和船型特征進行分析。該型船的目標營運航線為哥倫比亞—美國東海岸，主要承運香蕉、菠蘿等水果，在尺度上大致相當于2 200 TEU 級支線集裝箱船。該型船貨艙內和甲板上的所有箱位都是冷藏集裝箱箱位，設計吃水為9.3 m，均質26 t 重箱數量可達600 FEU。船舶的總體布局和尺度參數均圍繞該設計目標，通過優化論證確定。該型船的設計環境條件基于外界空氣最高溫度為＋40 ℃，貨艙內的冷藏集裝箱全部為風冷型式（Air-cooled type）考慮，單個40 ft（1 ft ＝0.304 8 m）冷藏集裝箱的通風量為4 500 m3／h。冷藏集裝箱的供電量基于香蕉在穩定狀態下的溫度必須恒定于＋13 ℃的保鮮要求設定，其中：50%的冷藏集裝箱為暖箱（Warm container），其裝船時冷藏集裝箱內的溫度為＋25 ℃）；另外50%的冷藏集裝箱為預制冷箱（Pre-cooled container），其裝船時冷藏集裝箱內的溫度為＋13 ℃?；谏鲜鲈O計邊界條件，通過查閱文獻等調查研究［2］并與船東溝通，確定冷藏集裝箱的供電量為8 kW／FEU。

2 船型開發中的幾項關鍵技術

2.1 尺度參數及船舶能效設計指數論證

該型船的目標航線和港口泊位對船舶尺度的限制：總長小于等于220 m；型寬小于等于30 m；設計吃水小于等于9.3 m；空氣吃水小于等于40.23 m。該型船的目標26 t均質冷藏箱數量要求大于等于600 FEU，基于以下邊界條件：設計吃水9.3 m；平??；油水等消耗品的攜帶量基于續航力1 800 n mile考慮，并考慮3 d冗余；集裝箱規格為40.0 ft ×8.0 ft×9.5 ft；集裝箱重心高度假定為45%箱高。

根據上述船東提供的限制性邊界條件和目標均質冷藏集裝箱數量要求，結合目標航速要求，對船長和型深的選取進行多方案對比。船長的論證分別考慮12 Bay、11 Bay和10 Bay等3 種方案，評價指針為初投資成本、快速性和油耗水平、載重量及均質冷藏集裝箱數量水平；型深的論證考慮貨艙內5 層冷藏集裝箱和6 層冷藏集裝箱2 種方案，評價指針為均質冷藏集裝箱數量水平、貨艙通風設計可行性和初投資成本。根據以上論證對比和綜合權衡，最終確定該型船的總長為192.0 m，型深為15.3 m，最大程度節約該項目的初期投資成本，同時確保主機油耗在合理區間內，并確保26 t均質冷藏箱數量滿足船東的要求，使多重約束條件下的單箱成本（Slot Cost）達到最低。

該型船在設計吃水（9.3 m）下的服務航速為21.5 kn，相比同尺度級別的集裝箱船偏高，且滿載設計吃水9.3 m相比同尺度級別的集裝箱船偏小，導致如何使該型船的能效設計指數（Energy Efficiency Design Index，EEDI）滿足國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）Phase 1 的要求成為方案設計初期面臨的一項挑戰。為此，該型船設置“虛擬”的最大吃水10.9 m作為載重線勘劃和船體結構設計的基準吃水，有效提升EEDI計算中的裝載能力，使得EEDI比參考線低12.4%，達到IMO Phase 1 的要求，確保該設計方案滿足法規的要求。盡管該型船的最大結構吃水對船東的船舶營運沒有實際意義，但該設計策略以少量增加鋼材重量為代價使“客戶的高航速要求”與“EEDI法規要求”之間的矛盾得到了解決。

2.2 貨艙通風設計優化

該型船貨艙的所有箱位都能裝載冷藏集裝箱，且主要裝載的貨物是香蕉。參考挪威船級社RCP（Refrigerated Container Stowage Position，冷藏集裝箱裝載位置）船級符號的規范推薦，對于“dedicated banana carriers”單個40 ft冷藏集裝箱的冷卻風量要求為4 500 m3／h。該型船共有4 個貨艙，各貨艙的通風量和風機配置見表2。

表2 各貨艙的通風量和風機配置

裝載冷藏集裝箱的貨艙通常采用“機械送風＋自然出風”的通風方式。由于該型船所有貨艙的箱位都用來裝載冷藏集裝箱，且船東要求所有冷藏集裝箱的壓縮機端都布置在靠船尾的一端，導致貨艙區的所有甲板條區域都需布置送風風機，沒有足夠的額外空間布置自然出風口。只有貨艙蓋板靠近船舷的兩側可布置自然出風口的百葉窗。但是，由于通風面積有限，若所有出風都僅靠艙蓋自然出風口完成，則通風口處的風速將接近10 m／s。風速過高會導致通風阻力增大，通風散熱效果下降，引起貨艙溫度過高，貨艙內冷藏集裝箱的貨損概率增大。為解決該難題，該型船采用“橫向通風”方案，即：針對每個冷藏集裝箱Bay，將送風和抽風布置于與冷藏箱壓縮機端面相鄰的同一道橫艙壁空間內，這樣能有效縮短通風路徑，減小通風阻力，使冷藏集裝箱產生的熱量就地循環并被帶出貨艙。以通風量最大的第三貨艙為例，其通風系統設置：在中間設置機械送風，在兩邊設置機械抽風，在艙蓋板側壁設置自然通風百葉窗，見圖1 和圖2。其中，x1～x4分別對應不同的橫截面。

圖1 典型貨艙通風系統CFD模型

圖2 典型貨艙CFD模型橫截面位置

為驗證該通風方案的通風散熱效果，采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件StarCCM ＋對貨艙溫度場和速度場進行仿真預報。仿真計算的輸入邊界條件：送入貨艙的新風溫度為＋40 ℃；每個冷藏集裝箱的平均制冷量為12.8 kW。針對初次仿真預報結果中出現的貨艙內局部溫度過高和局部流動不佳的問題，對橫艙壁的結構形式及開孔尺寸、送風口和抽風口的布置位置及角度進行多次修改和優化，最終得到理想的通風散熱結果，橫艙壁內絕大多數區域的最高溫度都控制在＋50 °C以內，能保證冷藏集裝箱壓縮機正常運行和制冷效果滿足要求。圖3 和圖4 分別為最終優化方案的第三貨艙橫截面x1和x2位置的溫度場和速度場仿真預報結果。

圖3 典型貨艙溫度場仿真預報結果

圖4 典型貨艙速度場仿真預報結果

2.3 電力系統設計優化

該型船的冷藏集裝箱總電功率為4 800 kW，電站配置為2 臺2 650 kW柴油發電機和2 臺1 850 kW柴油發電機，電站總功率為9 000 kW。對于船舶電站總功率在8 000 ～10 000 kW這種臨界區間內的情形，全船電力系統是采用中壓還是低壓，通常需要綜合權衡、慎重決策。若采用中壓電力系統，勢必要同時增加與發電機容量相當的降壓變壓器和中壓配電裝置。

該型船采用由多個匯流排組成的低壓電力系統，按為日用負載和冷藏集裝箱等幾類系統分開供電的思路，將電力系統設計成多個分區供電的匯流排，使最大短路電流下降至120 kA以內，使低壓配電系統具備技術可行性。據測算，該項目每艘船的初期投資成本可節省約35 萬美元。

2.4 船體橫艙壁結構設計優化

集裝箱船的船體梁結構為薄壁大開口型式，通常在橫艙壁頂部設置橫向抗扭箱結構，保證船體的扭轉強度滿足要求，貨艙內冷藏集裝箱的堆裝層數通常小于貨艙內集裝箱的最大層數。這種設計的一個缺陷是，貨艙內最頂層、最外列的箱位端面因被橫向抗扭箱結構遮擋，通常不適宜裝載冷藏集裝箱。這是由于船員無法近距離抵達該箱位，從而無法對冷藏集裝箱進行日常巡視和維護檢修。

該型船突破傳統支線集裝箱船結構設計的思維定式，按5 層高箱設計貨艙高度，并使貨艙內的所有箱位都可裝載冷藏集裝箱（包括最頂層、最外列的箱位），能避免傳統設計中貨艙內全部裝載冷藏集裝箱（9.5 ft高箱）情形下的虧艙現象，提升貨艙的空間利用率，降低全船貨物的重心高度。

為實現該針對總體布局的優化目標，該型船的橫艙壁設計幾乎完全取消傳統的橫向抗扭箱結構，在與最頂層冷藏箱位相鄰的橫艙壁上布置尺寸為2 200 mm × 1 700 mm 的開孔，在最外列箱位處布置尺寸為2 000 mm×1 700 mm的開孔（見圖5），保障船員日常巡視、維護冷藏集裝箱的便利性，保證貨艙內的所有冷藏集裝箱都能實現無障礙拆卸壓縮機。

圖5 冷藏集裝箱船橫艙壁結構

通過有限元分析優化局部開孔形狀和結構尺寸（見圖6），確保船體扭轉強度和局部強度滿足船級社規范的要求。

圖6 橫艙壁結構有限元分析合成應力云圖

3 結 語

本文所述634 FEU全冷藏集裝箱船是為國際專業冷藏貨物承運商開發的一款特色鮮明的支線集裝箱船，其設計理念符合當前國際冷藏集裝箱船型發展的趨勢。

該型船在貨艙通風和船體橫艙壁結構設計等方面有所創新，充分依靠CFD 工具，拓展其在船型開發中應用的廣度和深度，使之在驗證評估和輔助決策中發揮重要作用。

冷藏集裝箱船具有特殊的航線營運需求和貨物保鮮要求，其載運的冷藏集裝箱數量通常較多，且設計航速偏高，能源需求較大，溫室氣體排放較多。因此，后續需在節能減碳方面對該類船型進行深入研究，以期在“滿足客戶個性化需求”與“減少船舶碳排放”之間得到平衡。