东江航道扩能升级运输船型优化研究毕业论文
2020-02-15 22:27:45
摘 要
东江是珠江流域三大水系之一。珠江是中国第二大通航河流，由西江黄金水道，北江和东江组成。三江汇流,八口分注,共同汇入南海,构成版图广阔,河网发育,在经济兴隆的珠江三角洲，水路运输的发展具有得天独厚的天然条件。航道扩能升级规划将东江航道扩能升级为 III 航道。当前航道船舶等级主要为300-500吨级,东江宝贵航运资源不能得到充分利用,使它丧失了自身的优势。
本文首先分析东江航道现状，描述东江航道现有建设情况，阐述东江航道扩能升级项目情况，为船型方案设计提供基础数据。其次对东江航道现有船舶状况进行分析，并在考虑环境保护情况下，得出船型设计方案，分为一般内河船舶和LNG动力船舶。吨位分别为500t，800t及1000t。随后，分别对一般内河船舶和LNG动力船舶进行船舶经济论证，确定船型参数，计算经济指标，使用层次分析法进行指标综合评价，并对船型主要参数进行敏感性分析，经过敏感性剖析得出详细参数的敏感性强弱，对船型方案做出更准确的评估和评价。结果表明，LNG动力型1000吨船舶为最优经济船型。
中文关键词：航道扩能升级；船型经济论证；敏感性分析；APH
ABSTRACT
The Dong river is one of the three major river systems in the pearl river basin. Three rivers converge and eight rivers flow into the south China sea, forming a vast and well-developed river network. In the economically developed pearl river delta, waterway transportation enjoys unique natural conditions. Channel expansion and upgrading planning will be upgraded to the dong river channel III. Currently, the class of channel ships is mainly 300-500 tons, and the valuable shipping resources of dong river cannot be fully utilized, which makes it lose its own advantages.
This paper first analyzes the current situation of the Dong river waterway, describes the current construction situation of the Dong river waterway, expounds the capacity expansion and upgrading project of the Dong river waterway, and provides basic data for the ship type design. The ship shape design scheme is obtained considering environmental protection, which can be divided into general inland ships and LNG ships. Then, the ship economy of general inland ships and LNG ships will be demonstrated, ship parameters will be determined, economic indicators will be calculated, and the sensitivity of the main parameters of the ship will be analyzed. The sensitivity of the specific parameters will be obtained through the sensitivity analysis, so as to make a more accurate evaluation and evaluation of the ship type scheme.
Key words：Channel expansion and upgrading; Economic demonstration of ship type; Sensitivity analysis; APH
目录
第1章 绪论 1
1.1研究的目的及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3主要内容及技术路线 2
1.3.1主要内容 2
1.3.2研究方法及技术路线 3
第2章 航道扩能升级船型优化必要性 5
2.1东江航道现状及扩能升级项目概述 5
2.1.1东江航道现状 5
2.1.2东江航道扩能升级项目 7
2.2船型优化的必要性 7
第3章 东江航道扩能升级船型方案设计 8
3.1东江现有船型分析 8
3.1.1航道分析 8
3.1.2港口分析 9
3.1.3现有船型分析 10
3.2船型方案设计 10
3.2.1代表船型主尺度 10
3.2.2船型方案 11
第4章 东江航道扩能升级船型方案优化 13
4.1船型经济论证 13
4.1.1营运性经济测算原理 13
4.1.2经济性分析 13
4.2船型方案综合评价 21
4.3敏感性分析 23
4.4优化结果分析 32
第5章 结论与展望 33
5.1研究结论 33
5.2研究展望 33
参考文献 34
致谢 35
第1章 绪论
1.1研究的目的及意义
东江是珠江流域三大水系之一。发源于江西省三标乡三桐村。源区包含寻乌县，安远县和丁南县。上游被称为乌水。龙川县鹤河大坝广东省与安源水相遇后被称为东江。由东向西，北向南，经龙川、河源、紫金、惠阳、波罗、东莞等县，流入广东省境内，进入狮子海。扩能升级项目将把东江航道扩能升级为III航道。当前航道船舶等级主要为300-500吨级,东江宝贵航运资源不能得到充分利用,使它丧失了自身的优势。
广东省“十三五”规划中，交通综合发展规划和航道发展规划，将东江航道扩能改造为1000吨级船舶通航能力的三级航道。航道扩能升级，对未来船型进行优化，使全河段运输船舶将以 1000 吨级船为主，相对于铁路和公路来说，水运对于运输大宗货物有很大的优势。
论文通过分析东江现有航道、船型特点，根据航道扩能升级项目，结合水资源保护要求对未来船型进行技术经济论证，最终得到最优船型以获得更好的经济效益。
本论文针对现有航道情况等进行论证分析,最终得到适合项目扩能升级为三级航道的船型方案,改善航运竞争力，降低运输成本。另外，船型的优化可以进步升高船舶运输的吨位和效率，削减船舶运输对环境的污染，对环境保护也具备重要意义。
1.2国内外研究现状
采用船舶技术经济性能综合技术指标衡量船型方案的优缺点。国内外许多学者与专家对船型设计及优化进行钻研工作。现综述如下：
- 船舶方案设计
在船舶设计范畴，国内外学者与专家做了大批研究和研究工作。早在20世纪90年代，冯恩德和席龙飞行学者在《船舶设计原理》一书中解释船舶设计的基本原理和方法，并剖析船舶设计过程中的技术和经济问题。为船舶的设计和建造奠定必要的专业知识基础[2]。盛振邦，刘应中学者的《船舶原理》详细说明了船舶设计所需的计算问题[3]。秦士元和程天柱学者在《水运系统分析和船型研究》一书中分析了内陆河，沿海和其他水路运输中的不同船舶[4]。李树范等学者在《运输船舶可行性分析》中对不同运输类型船舶方案设计进行可行性分析，详细阐述运输船舶投入运营时所需注意技术与经济等问题[5]。
- 船型技术经济论证
张仁颐学者在《船舶工程经济学》中科学的总结、归纳国内外船舶和水运经济方面的研究成果，并在书中描述船舶方案运营和经济计算方法，通过例子使读者更加容易理解[6]。张德洪和顾家骏学者在《运输船舶船型技术经济论证方法》中阐述船型技术经济论证的方法，详细介绍船型方案技术、运营和经济计算过程，对船型方案评级指标选择进行叙述[7]。何岚和张培林学者在《集装箱航线运输组织与船型论证》中以长江干线通航条件的改善、集装箱船运输向大型化标准化趋势发展的背景，通过具体航线情况分析，结合经济效益评价，开展集装箱运输组织和船型演示，以武汉至安庆航段为例，获得最佳运输方式和航段最佳船型。这个例子表明，船型经济论证和优化具有重要现实意义[8]。万建祥，廖保华和吴惠国学者在《杭甬运河集装箱船舶船型研究》文章中根据杭甬运河航道的特点，采用技术经济论证的方法，研究开发36TEU集装箱船标准船型，使船舶的快速性得到了一定的改进，并大幅降低了燃料成本，经济效果显着[9]。师雯，林桦和王冉学者以苏雷坝至石龙航段为例对一般内河船舶船型进行经济论证，在保护环境的时代趋势下考虑清洁能源，具有一定现实意义[10-11]。
- 清洁能源
初良勇和谢新连学者在《LNG船舶技术经济论证模型及系统设计》中针对LNG船舶建立了技术经济论证的数学模型开发船型论证系统软件 ,并给出单船营运情况下的论证结果[12]。学者王晓龙在《船舶节能研究与实船分析》一文中指出，随着世界经济的连续疲软，航运业的低迷进一步加深。节俭成本，倡导船舶节能，升高资源利用率，已成为业内共鸣。并从船舶建造技术、提高推进系统效率、速度选择和燃油消耗等方面论述了船舶的节能降耗[13]。
- 船型优化
陆平远学者利用模糊综合评判模型对《中国大陆至东南(北)亚邮轮航线船型技术经济论证》中的船型方案进行评价和优化，最终获得中国大陆到东南（北）亚洲巡航路线的最佳船型[14]。黄福新和志扬学者研究船型优化，在文章《Hull form optimization of a cargo ship for reduced drag》中，进行一艘货船的减阻优化，并通过计算和实验验证了所获得的最佳船型[15]。陈红梅，魏宏刚和于海在《Optimization design for hull lines of a ship》一文中研究了优化船型以减小波浪阻力来达到减小船舶阻力。采用数值优化集成系统，将优化技术、FFD技术和CFD技术有机结合，实现船体线形的自动优化。通过计算和实验验证了所得到的最佳船型。用Fluent软件计算了原箱和最优箱的总阻力，结果表明，最优箱的阻力比原箱低11%。模型试验结果表明，该优化方案的阻力降低了8.6%。当模型以较高的速度拖曳时，减阻效果更好，轻载模型的阻力系数也更好[16]。刘欣汪、王德臣和陈刚叙述第37届ASME海洋、近海和北极工程国际会仪上提出的使用代理模型和加权期望改进相结合用于船型优化的相关内容，使人们更加合理的进行船型优化[17]。
1.3主要内容及技术路线
1.3.1主要内容
- 绪论。首先介绍本论文选题目的及意义，其次阐述国内外研究现状，参照本文内容，制订研讨技术路线。
- 航道扩能升级船型优化必要性。首先阐述东江航道的现状，分析东江航道现有建设情况，对东江航道建设状况进行描述，阐述扩能升级的主要内容，最后分析船型优化必要性。
- 东江航道扩能升级船型方案设计。首先对东江航道、港口及现有的船舶进行分析，结合环境保护要求，设计船型方案。
- 东江航道扩能升级船型方案优化。通过营运性经济测算原理，对船型进行经济论证，后使用APH方法对船型进行指标综合评价，并通过计算结果，进行敏感性分析，对船型方案进行比较选择，得出最优的船型方案。
- 总结与展望。概括论文的主要研究内容、工作重点以及论文不足的地方，最后对笔者以及以后学者所需要深入的地方提出建议和展望。
1.3.2研究方法及技术路线
1）研究方法
- 文献研究法：通过阅读大量文献，获取有用信息资料。通过阅读文献，获得船型配员情况，船舶造价等；
- 数学方法：用数学工具处理研究对象。通过计算经济指标，选择最佳船型设计方案。
- 技术路线
本文研究的技术路线如图1.1所示：
图1.1 技术路线图
第2章 航道扩能升级船型优化必要性
2.1东江航道现状及扩能升级项目概述
2.1.1东江航道现状
东江，西江黄金水道和北江一起形成珠江水系统。流域东北高西南低，河床平均坡降为0.35%；全长520km，集水面积270km²，占珠江流域面积5.96%。东江流域自身的经济发展迅速，已经形成了以河源市为中心的资源分布，以惠州市为中心的农业等产业分布。
东江流域是亚热带季风气候，干湿季节分明，湿度多年平均达到80%，本文收集关于东江流域自1959年-2017年的年降水量数据，经过数据分析发现，多年平均雨量在1500-2400mm之间，平均雨量为1735mm；由于气候原因，干湿季节分明，可看出，大多降水集中在4-9月，且其中5-6月属于暴雨期，降雨量更是达到一半，但1-3月，10-12月属于枯水期，降水占全年降水的比重非常少，洪涝干旱频繁发生。
东江整个流域地势东北高、西南低，分水岭最高海拔1101.9m。流域内有三个大型水库，即新丰江水库，枫树坝水库和白盆珠水库。它们控制的总集水面积、年总流量分别占东江博罗以上的46.4%和48.3%，且综合平均库容系数达0.71，对东江干流有强大的调节功能。新丰江水库主要从事供水，防洪和发电。结合航运，它是东江水资源的部署中心。其水质是广东省最佳保护淡水资源之一；枫树坝水库是航运和发电的主要支柱，并结合大型水利水电项目进行综合使用，如防范水涝；白盆珠水库主要用于防范水涝和浇灌，同时考虑到发电，水产养殖和航运的综合利用。
东江干流东江口至石龙段为A级航区，石龙至惠州为B级航区，惠州至老隆为C级航区。2007年进行的东江中下游的航道整治工程，将东江（河源东江大桥-惠州大桥）航段由原来的Ⅶ级提高到Ⅴ级，东江（惠州大桥-石龙）航段由原来的Ⅵ级提高到Ⅳ级，东江（石龙-东江口）航段由原来的Ⅵ级提高到Ⅲ级。
东江流域概况见图2.1。
图2.1 东江流域图
2.1.2东江航道扩能升级项目
为进一步施行国家“一带一路”策略，深入泛珠三角区域合作，有效促成珠江水路运输科学开展，交通运输部《关于促进珠江水路运输科学发展的意见》提出：加快航道建设，进一步提高航道容量，完善珠江水系发展规划。积极落实国家战略要求，落实新城镇化建设，产业布局调整，生态绿色开展和综合交通体系开展的新要求，按照水资源综合利用原则完善全流域航运规划，东江水路容量扩展包含在主要任务中。
扩能升级项目是为满足船舶大型化需求，迎合沿河城市经济发展。东江航道现航道建设等级低，只能通航300到500吨船舶。
东江航道扩能升级项目，未来将河源到石龙223km的航道扩能升级为III级航道。其建设内容分为航道工程、二线船闸工程及配套工程。航道工程是进行航道整治，二线船闸工程为4 座枢纽按 III 级航道规范新建二线船闸，并维持现存在船闸船舶过坝。配套工程包括改建工程及绿化等。
2.2船型优化的必要性
1）沿江城市经济发展迅速，对航运需求增大，航运竞争力提升，为适应船舶大型化需求，对船型进行优化十分必要。
2）东江航道前航道等级较低，适应300-500吨船舶。未来航道扩能升级项目实施，现有船舶吨级已不能适应升级后航道，故需进行船型优化，以适应扩能升级航道要求。
3）由于东江水资源的特殊性，其环境保护要求高。扩能升级项目实施后，对航道环境保护要求提升，为适应水资源保护要求，可以考虑使用更为清洁的能源，所以需进行船型优化。
第3章 东江航道扩能升级船型方案设计
3.1东江现有船型分析
3.1.1 航道分析
- 航道状况
东江在2007年对下游进行了整治，石龙头到出口一段航道等级提升为III 级，但其余航段等级多为低级航道，航道最小水深仅为0.6m，对船舶通航等级有极大影响。航道现状如表所示：
表3.1 东江航道参数表
