張丁標(biāo)， 張 迪， 盧園園， 丘妙銀

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715；2.廣船國際有限公司，廣東 廣州 511462)

0 引 言

國際海事組織(IMO)的海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(MEPC)第62屆會(huì)議在2011年7月11日～15日召開，審議并通過能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Energy Efficiency Design Index，EEDI)文本，會(huì)議以MEPC.203(62)決議通過《MARPOL 附則Ⅵ修正案》(引入EEDI條款)及船舶能效管理計(jì)劃(Ship Energy Efficiency Management Plan，SEEMP)要求，該修正案于2013年1月1日生效。EEDI是船舶消耗的能量換算為CO2排量和船舶有效能量換算為CO2排量的比例指數(shù)，其適用于400 t及以上國際航行的所有新船和重大改建的現(xiàn)有船。EEDI計(jì)算方法詳見中國船級(jí)社關(guān)于實(shí)施《2018年新船達(dá)到的能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)計(jì)算方法指南》(MEPC.308(73))的技術(shù)通告?！禡APROL附則Ⅵ》對(duì)新建船舶不同能效削減階段要求的具體時(shí)間如表1所示。

表1 《MAPROL附則Ⅵ》對(duì)新建船舶不同能效削減階段要求的具體時(shí)間

由表1可看出：2025年1月1日及以后簽訂造船合同的散貨船須滿足EEDI第3階段的要求。

1 新巴拿馬型散貨船現(xiàn)狀

2016年新巴拿馬運(yùn)河正式開通運(yùn)營，針對(duì)其設(shè)計(jì)的新型散貨船船寬由32.3 m增加至48.2 m，其運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性得到很大提高，大量舊式巴拿馬散貨船將逐步被新巴拿馬型散貨船替代。目前，市場(chǎng)上成功開發(fā)的適用于新巴拿馬運(yùn)河的船型不多，可供船舶所有人選擇的較少，滿足EEDI第3階段要求的船型目前市場(chǎng)鮮有，因此結(jié)合EEDI公式、綜合節(jié)能方法、軸帶發(fā)電機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)加節(jié)能裝置、主機(jī)選型等技術(shù)展開分析，以期達(dá)到滿足EEDI第3階段的要求。

2 基于EEDI第3階段技術(shù)手段分析

目前，通過對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行優(yōu)化，可達(dá)到EEDI第2階段要求[1]，通過對(duì)行業(yè)內(nèi)比較流行的工藝如采用廢熱回收節(jié)能技術(shù)(包括線型設(shè)計(jì)、高效螺旋槳、節(jié)能裝置)的研究，發(fā)現(xiàn)仍然難以出現(xiàn)質(zhì)的提升，各減排措施預(yù)期效果如表2所示。

由表2可看出：當(dāng)選用替代燃料，如使用液化天然氣燃料時(shí)，可大幅降低碳排放，因此選用替代燃料被認(rèn)為是未來最具有潛力滿足EEDI第3階段要求的技術(shù)方案。然而，新巴拿馬型散貨船的平均造價(jià)約2 600萬美元，而1套適用于新巴拿馬型散貨船的液化天然氣雙燃料系統(tǒng)包括雙燃料發(fā)電機(jī)組、雙燃料主機(jī)、雙燃料組合鍋爐、液化天然氣供氣系統(tǒng)、C形獨(dú)立罐等設(shè)備，其報(bào)價(jià)在800萬美元以上，并且考慮全球船舶液化天然氣加氣站仍較少且并非主流船型、船舶所有人對(duì)采用液化天然氣燃料系統(tǒng)意愿較低等情況，選用液化天然氣燃料不適合項(xiàng)目研發(fā)。

表2 各減排措施預(yù)期效果 %

根據(jù)EEDI公式，在不采用液化天然氣燃料和新能源的情況下，單獨(dú)優(yōu)化其他任意一個(gè)參數(shù)都很難滿足EEDI第3階段要求。以項(xiàng)目航速為例，在其他參數(shù)不變的前提下，航速由14.00 kn提高至15.20 kn才能滿足EEDI第3階段要求，而新巴拿馬型散貨船無法達(dá)到。這就意味著需要采取綜合節(jié)能技術(shù)措施進(jìn)一步降低EEDI指數(shù)。

3 綜合節(jié)能方法

綜合節(jié)能方法主要包括：(1)線型優(yōu)化，即在總體條件如載重、總布置等基本不變的前提下，通過船體線型優(yōu)化降低船體阻力，包括靜水中的阻力和波浪增阻，船體線型特別是艉部線型的優(yōu)化可提升船身效率和相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率；(2)螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要對(duì)螺旋槳盤面比、直徑、負(fù)荷分布等 3 個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，提升螺旋槳效率；(3)加裝水動(dòng)力節(jié)能裝置，即在船體艉部增設(shè)附加裝置，如前置預(yù)旋導(dǎo)輪、前置定子、伴流補(bǔ)償導(dǎo)管、消渦鰭等，目的是降低船尾流動(dòng)能量損失，提高推進(jìn)效率[2]。然而，目前線型優(yōu)化、高效螺旋槳設(shè)計(jì)及節(jié)能裝置優(yōu)化已達(dá)到較高水平，這幾項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步提升將越來越困難。通過與世界知名水池實(shí)驗(yàn)室合作，對(duì)該船的船體線型進(jìn)行多次優(yōu)化，并委托水池實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)，根據(jù)專家評(píng)估，即便增加節(jié)能裝置，航速也僅能提高0.10～0.20 kn，節(jié)能效果有限。

4 軸帶發(fā)電機(jī)方案

根據(jù)EEDI計(jì)算公式，船舶配置軸帶發(fā)電機(jī)能明顯起到降低EEDI數(shù)值的作用。

根據(jù)新巴拿馬型散貨船為定距槳，主機(jī)采用MAN B&W 6S60ME，其持續(xù)常用功率的轉(zhuǎn)速為76.3 r/min，航速為13.83 kn，選用1臺(tái)800 kW軸發(fā)，軸發(fā)轉(zhuǎn)速為700.0～1 500.0 r/min，軸發(fā)恒定輸出功率點(diǎn)的主機(jī)轉(zhuǎn)速為60.0～84.0 r/min，主機(jī)在60.0 r/min以下不考慮使用軸發(fā)。在航行工況下，可使用軸帶發(fā)電機(jī)向船上設(shè)備供電。軸發(fā)的選型方案分為主機(jī)自由端安裝形式和主機(jī)輸出端安裝形式。

根據(jù)EEDI公式對(duì)方案進(jìn)行計(jì)算后得到：(1)EEDI理論計(jì)算值為2.994 003 441；(2)EEDI第3階段基線值為2.998 095 55；(3)EEDI理論計(jì)算值低于基線值約30.095 543 18%。

通過上述計(jì)算，采用軸帶發(fā)電機(jī)方案理論上能滿足EEDI第3階段要求，但通過布置后發(fā)現(xiàn)，還需要綜合考慮船體結(jié)構(gòu)、軸帶發(fā)電機(jī)組、變壓器、齒輪箱、短軸、彈性聯(lián)軸器等設(shè)備的布置情況。

5 軸帶發(fā)電機(jī)+節(jié)能裝置方案

節(jié)能裝置主要通過改善螺旋槳進(jìn)流，使其更加均勻，有效減少船尾的水流分離現(xiàn)象；使槳前流預(yù)旋，把原來尾流中損失的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化為推力功；產(chǎn)生附加推力等方式提高整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的能量利用效果。目前，取得較顯著節(jié)能效果的裝置包括：舵球、補(bǔ)償導(dǎo)管、前置導(dǎo)管、槳前整流鰭、舵附推力鰭、槳后固定葉輪等。

方案結(jié)合軸帶發(fā)電機(jī)并加裝槳前后節(jié)能裝置，對(duì)應(yīng)航速增加至13.89 kn，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。

根據(jù)EEDI公式對(duì)方案進(jìn)行計(jì)算后得到：(1)EEDI理論計(jì)算值為2.981 070 381；(2)EEDI第3階段基線值為2.998 095 55；(3)EEDI理論計(jì)算值低于基線值約30.397 506 27%，滿足EEDI第3階段的要求。

通過上述計(jì)算，采用軸帶發(fā)電機(jī)+節(jié)能裝置方案理論上能滿足EEDI第3階段要求。

6 主機(jī)選型方案

對(duì)于同一種船型，在滿足其設(shè)計(jì)要求的航速和功率時(shí)，可選擇不同型號(hào)的主機(jī)，而不同的主機(jī)選型對(duì)應(yīng)不同的有效功率、燃油消耗率及螺旋槳參數(shù)，這勢(shì)必會(huì)引起EEDI指標(biāo)的變化[3]。

主機(jī)功率的大小與EEDI 指標(biāo)密切相關(guān)，由于功率和航速的三次方成正比，功率增加，航速增大，但功率增大的比例遠(yuǎn)大于航速，因此功率選擇應(yīng)適當(dāng)，否則功率選取過大，EEDI 指標(biāo)難以滿足，且造成不必要的浪費(fèi)。

以新巴拿馬型散貨船為研究對(duì)象，通過選取較恰當(dāng)?shù)念~定最大持續(xù)功率點(diǎn)，以便選取與船舶性能匹配度較好的機(jī)型，對(duì)不同型號(hào)的主機(jī)給EEDI值造成的影響進(jìn)行研究[4]。選取常用的主機(jī)MAN 6S60ME-C10.5與MAN 5G60ME-C10.5進(jìn)行計(jì)算比較,兩者的參數(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 新巴拿馬型散貨船常用主機(jī)參數(shù)對(duì)比

分別采用EEDI公式對(duì)MAN 6S60ME-C10.5與MAN 5G60ME-C10.5主機(jī)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)MAN 6S60ME-C10.5進(jìn)行計(jì)算后得到：(1)EEDI理論計(jì)算值為3.216 454 662；(2)EEDI第3階段基線值為2.998 096；(3)EEDI理論計(jì)算值低于基線值約24.901 653 7%，不滿足EEDI第3階段的要求。對(duì)MAN 5G60ME-C10.5進(jìn)行計(jì)算后得到：(1)EEDI理論計(jì)算值為2.966 134 833；(2)EEDI第3階段基線值為2.998 096；(3)EEDI理論計(jì)算值低于基線值約30.746 164 88%。

綜上所述，采用MAN 5G60ME-C10.5機(jī)型，主機(jī)持續(xù)常用功率日油耗比MAN 6S60ME-10.5機(jī)型低0.15 t/d，在持續(xù)常用功率工況下航速保持約13.70 kn，75%主機(jī)最大持續(xù)功率的EEDI理論計(jì)算值滿足第3階段的要求。

所進(jìn)行的計(jì)算屬于理論值計(jì)算，在實(shí)船項(xiàng)目中，根據(jù)IMO的規(guī)范要求，建造完畢的船舶需要進(jìn)行試航試驗(yàn)，以便得到基于實(shí)船表現(xiàn)的 EEDI 指數(shù)[5-6]。在特別需要考慮試航時(shí)，存在主機(jī)的吃水、海況、環(huán)境等方面的變化，在實(shí)際航行中各種工況也易使實(shí)測(cè)值與相對(duì)理論值存在一定的偏差，導(dǎo)致無法滿足EEDI 第3階段的要求。因此，建議在理論計(jì)算過程中， EEDI要求的30%減排值須留有一定計(jì)算裕量。

7 結(jié) 語

基于目前新巴拿馬型散貨船項(xiàng)目的研發(fā)，通過對(duì)各方案的分析與計(jì)算，除綜合節(jié)能方法節(jié)能效果有限外，其他幾種方案在理論上均可滿足EEDI第3階段要求。隨著2025年日益臨近，相應(yīng)技術(shù)方案也會(huì)引起高度的重視和研究，并加以完善。研究結(jié)果可對(duì)相關(guān)船型的設(shè)計(jì)起到一定的引領(lǐng)與指導(dǎo)作用。