曾志剛 宋 磊 孫海莎

(1.武漢長江船舶設(shè)計(jì)院有限公司 武漢 430062； 2.船舶數(shù)據(jù)技術(shù)與支撐軟件湖北省工程研究中心 武漢 430074；3.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院 武漢 430074)

溫室氣體排放造成的全球氣候變暖問題越來越突出，船舶航運(yùn)排放受到越來越嚴(yán)格的限制，國際海事組織IMO于2018年通過的《減少船舶溫室氣體排放初步戰(zhàn)略》[1]指出，以2008年排放量為參照，國際航運(yùn)單位運(yùn)輸排放二氧化碳量至2030年減小40%，至2050年?duì)幦p小70%。為實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)的二氧化碳排放的控制，自2015年起新建的400 t以上的船舶將強(qiáng)制遵循二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)，用能效設(shè)計(jì)指數(shù)(enery efficiency design index，EEDI)衡量其碳排放量，將船型按照散貨船、氣體運(yùn)輸船、液貨船、集裝箱船、雜貨船、LNG船等分成16類，對(duì)不同類型船舶基于大量船舶數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)由最小二乘法擬合出船舶排放參考值[2]。近年來船市低迷，而隨著美國頁巖氣的發(fā)展，液化石油氣(liquefied petroleum gas，LPG)運(yùn)輸船逆勢上揚(yáng)[3-4]，對(duì)此類船舶碳排放的研究也更加受到重視。

在對(duì)EEDI研究方面，孫海曉[5]以某油船為研究對(duì)象，基于最小功率對(duì)其完成了EEDI值計(jì)算，并指出EEDI值對(duì)于此噸位油船十分苛刻，在選擇主機(jī)時(shí)需格外慎重。沈春華等[6]結(jié)合船廠的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)64 000 DWT散貨船EEDI實(shí)船驗(yàn)證進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括日程選取、海域確定、試航準(zhǔn)備、吃水讀取、海況讀取、測試過程管控等方面都做了詳細(xì)說明，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系列船型EEDI指數(shù)均在20%以上，可滿足第二階段要求。高景等[7]以某滾裝船為研究對(duì)象，對(duì)該船進(jìn)行了模型試驗(yàn)和實(shí)船試航，在75%功率下試航速度和預(yù)報(bào)航速基本吻合，以該航速完成EEDI計(jì)算，結(jié)果表明該船能效指數(shù)可達(dá)到內(nèi)河綠色I(xiàn)的要求。Tu等[8]在總結(jié)大量數(shù)據(jù)的前提下基于海軍系數(shù)法對(duì)EEDI計(jì)算中船舶參考值給出了一定修正，將修正后的公式用于船舶預(yù)報(bào)，效果較好。筆者在國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，以2艘典型5 000 m3全壓式LPG運(yùn)輸船為研究對(duì)象，以模型試驗(yàn)的方法對(duì)其EEDI計(jì)算展開研究與討論。

1 研究對(duì)象

LPG運(yùn)輸船需完成氣體的液化與儲(chǔ)藏，一般有全壓式、半冷半壓式和全冷式3種，其中全壓式即在常溫條件下將氣體加壓至蒸發(fā)氣壓(45 ℃)以上使氣體完成液化，通過儲(chǔ)液罐運(yùn)輸。對(duì)于全壓式LPG運(yùn)輸船[9]，由于其儲(chǔ)液罐容量限制，一般可做到5 000 m3左右，其結(jié)構(gòu)形式為2個(gè)2 500 m3儲(chǔ)液罐。研究對(duì)象為2個(gè)艙容均為5 000 m3的全壓式LPG運(yùn)輸船，其主要參數(shù)見表1。LPG運(yùn)輸船受儲(chǔ)液罐尺寸影響，需要有較大的橫向甲板面積，與同噸位的其他船型對(duì)比，LPG運(yùn)輸船長寬比較小，船寬吃水比較大，因此其航速較低。

表1 研究對(duì)象參數(shù)表

2艘船型線圖對(duì)比見圖1和圖2，除尺度以外2種船型首部型線差別較大，其中船型(一)球鼻艏伸出長度較短，浸深較大，端部為平直型，船型(二)球鼻艏伸出長度較長，浸深較小，首部圓潤。

圖1 研究對(duì)象橫剖面對(duì)比

圖2 研究對(duì)象縱剖面對(duì)比

2 研究方法

根據(jù)IMO的規(guī)定及中國船級(jí)社的《綠色生態(tài)船舶規(guī)范(2020)》中關(guān)于溫室氣體排放控制的要求，EEDI前期驗(yàn)證需完成模型水池試驗(yàn)，包含阻力、敞水，以及自航試驗(yàn)，試驗(yàn)示意圖見圖3。以水池模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)船舶在功率參數(shù)P和載重能力Capacity下航速Vref，用于計(jì)算船舶at-tained EEDI值。計(jì)算方法見式(1)。

圖3 模型試驗(yàn)示意圖

(1)

式中：PME(i)和PAE分別為主機(jī)和輔機(jī)功率參數(shù)；CFME(i)和CFAE分別為主機(jī)和輔機(jī)的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，將燃油消耗量基于其含碳量轉(zhuǎn)換為碳排放量；SFCME和SFCAE分別為主機(jī)和輔機(jī)的單位燃油消耗，為柴油機(jī)或蒸汽輪機(jī)經(jīng)核定的單位燃油消耗量；PPTI(i)為軸馬達(dá)功率；PPTO為軸帶發(fā)電機(jī)功率；Peff(i)為在75%主機(jī)功率下創(chuàng)新型能效技術(shù)用于推進(jìn)的輸出功率；PAEeff(i)為當(dāng)船舶在PME狀態(tài)下由于采用了創(chuàng)新型電力能效技術(shù)而減少的輔機(jī)功率；fj為船舶特殊設(shè)計(jì)因素的修正系數(shù)；fi為對(duì)載重噸的修正系數(shù)；fc為倉容量修正系數(shù)；fw為船舶在波高、浪頻和風(fēng)速的代表性海況下的航速降低的系數(shù)；fl為對(duì)設(shè)有起重機(jī)和其他裝卸設(shè)備的雜貨船的修正系數(shù)；feff為反映任何創(chuàng)新型能效技術(shù)的適用系數(shù)；fm為冰區(qū)加強(qiáng)修正系數(shù)。對(duì)于研究對(duì)象的2條船，PAEeff(i)和Peff(i)均為0，fj、fi、fc、fw和fm均為1。

3 研究結(jié)果

船型(一)縮尺比取25.178，船型(二)縮尺比取25，按照縮尺比加工模型并完成阻力、敞水及自航試驗(yàn)，2艘船模試驗(yàn)過程見圖4和圖5。

圖4 船型(一)模型及試驗(yàn)過程

圖5 船型(二)模型及試驗(yàn)過程

將阻力試驗(yàn)結(jié)果按照二因次法處理，總阻力系數(shù)Ct分為摩擦阻力Cf和剩余阻力系數(shù)Cr，以傅汝德數(shù)Fn為橫坐標(biāo)，剩余阻力系數(shù)Cr為縱坐標(biāo)表示阻力結(jié)果見圖6，可以看出剩余阻力系數(shù)船型(一)較船型(二)更優(yōu)。

圖6 阻力試驗(yàn)結(jié)果

按等推力法完成自航試驗(yàn)并插值，獲得船舶在設(shè)計(jì)航速附近的船舶總推進(jìn)效率QPC和自航因子，見圖7。

圖7 船舶總推進(jìn)效率QPC和自航因子曲線

EEDI計(jì)算中預(yù)報(bào)航速Vref的功率參數(shù)P取75%MCR，如果安裝了軸帶發(fā)電機(jī)，則軸帶發(fā)電機(jī)功率PPTO是每臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)額定功率的75%。考慮軸帶發(fā)電機(jī)影響時(shí)，主機(jī)功率PME可按下式(最大允許扣除量不應(yīng)超過PAE)處理。

0.75×∑PPTO(i)且0.75×PPTO≤PAE

(2)

船型(一)主機(jī)額定功率MCR1為2 942 kW，帶有250 kW軸帶發(fā)電機(jī)，船型(二)主機(jī)額定功率MCR2為2 427 kW，結(jié)合航速-功率曲線預(yù)報(bào)船型(一)航速Vref1=13.6 kn，船型(二)航速Vref2=12.3 kn。2艘船型航速預(yù)報(bào)曲線見圖8。

圖8 航速預(yù)報(bào)曲線

船舶基準(zhǔn)線值RLV=a·DWT-c，對(duì)于氣體運(yùn)輸船a=1 120，c=0.456，DWT為夏季載重吃水下船舶排水量與船舶空船之間的噸位差。2艘船型載重噸及計(jì)算中所涉及到的具體數(shù)值見表2。

表2 EEDI計(jì)算表

船舶CO2排放要求required EEDI在RLV基礎(chǔ)上進(jìn)行一定折減，根據(jù)指導(dǎo)要求，對(duì)于載重量在2 000～10 000 t之間的氣體運(yùn)輸船，第一階段(2015-01-01-2019-12-31)按照載重量在[2 000,10 000 t]之間進(jìn)行[0,10%]的線性插值折減，第二階段(2020-01-01-2024-12-31)按照載重量(t)在[2 000,10 000 t]之間進(jìn)行[0,20%]的線性插值折減，第三階段(2025-01-01之后)按照載重量在[2 000,10 000 t]之間進(jìn)行[0,30%]的線性插值折減。2艘船不同階段折減計(jì)算結(jié)果見圖9。分析2艘船型的EEDI計(jì)算結(jié)果可以看出，船型(一)可滿足第一階段排放要求，無法滿足后續(xù)階段排放要求，船型(二)可以滿足所有3個(gè)階段排放要求。由剩余阻力系數(shù)比較結(jié)果知船型(一)阻力性能相對(duì)船型(二)更為優(yōu)秀，造成其EEDI值反而不如船型(二)的主要原因是其船舶功率-航速曲線為微凹形曲線，主機(jī)功率增大的速度要小于航速提高的速度，船型(二)雖然主尺度和載重噸均大于船型(一)，但選用的主機(jī)功率小于船型(一)，所預(yù)報(bào)的航速也遠(yuǎn)小于船型(一)。

圖9 不同階段排放計(jì)算

4 結(jié)語

本文以2艘不同型線5 000 m3全壓式液化氣運(yùn)輸船為研究對(duì)象，分析了液化氣船的船型特征，并分別選擇合適縮尺比完成水池試驗(yàn)并進(jìn)行航速預(yù)報(bào)，按照中國船級(jí)社《綠色生態(tài)船舶規(guī)范(2020)》計(jì)算attained EEDI值，將其與required EEDI值進(jìn)行比較，有如下結(jié)論：

1) 船型(一)符合第一階段排放要求，不符合第二和第三階段要求，船型(二)符合3個(gè)階段排放要求，研究過程對(duì)全壓式LPG運(yùn)輸船EEDI驗(yàn)證有一定參考意義。

2) 全壓式LPG運(yùn)輸船由于載貨密度較小，載重噸DWT較小，在對(duì)參考值RLV進(jìn)行折減計(jì)算時(shí)折減比例較低，因此不同階段折減系數(shù)對(duì)其attained EEDI值影響相對(duì)其他船型較小。

3) 僅對(duì)于EEDI排放要求而言，需權(quán)衡主機(jī)和對(duì)應(yīng)航速的選擇，大功率主機(jī)和較大航速對(duì)EEDI計(jì)算不利。