黃 深，劉益平，楊澤濱，段仲兵，周崇冠

(中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

0 引 言

隨著全球氣候變暖日趨嚴(yán)重，進一步控制和縮減船舶CO2的排放已成為人類的普遍共識。國際海事組織(IMO)在《國際防止船舶造成污染公約》(MARPOL)附則Ⅵ中要求，至2025年新建的散貨船應(yīng)滿足船舶能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)Ⅲ的要求，即計算值應(yīng)低于EEDI基線值約30%。迄今為止，隨著綠色造船技術(shù)的革新，大多數(shù)85 000 t散貨船均通過增加節(jié)能裝置或采用環(huán)保新能源設(shè)計滿足EEDI Ⅲ的要求，例如：通過增加軸帶發(fā)電機、風(fēng)帆、氣泡減阻和采用液化天然氣燃料新技術(shù)等，安裝新系統(tǒng)和設(shè)備，但顯著增加新建船舶的綜合成本。從船舶的采購和運營管理分析，減少船舶CO2排放較好的辦法是優(yōu)選主機，通過降低船舶主機的裝機功率和優(yōu)選主機單位油耗，不僅可降低船舶初次投資成本和運營成本，而且可滿足EEDI Ⅲ的排放要求[1]。

1 EEDI

IMO海上環(huán)境保護委員會(MEPC)《2018年新船達到的能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)計算方法指南》中的EEDI計算公式[2]可分為常規(guī)燃料的EEDI和采用減少碳排放措施的EEDI[3]。常規(guī)燃料的EEDI主要包括主機推進油耗、輔機日常航行油耗、輔機作為推進裝置油耗、輔機節(jié)能折減和用于推進的節(jié)能折減等技術(shù)。主機推進油耗是船舶主輔機75%的裝機功率和燃油消耗，輔機日常航行油耗是輔機功率50%負荷的燃油油耗。采用減少碳排放措施的EEDI主要包括輔機作為推進裝置油耗、輔機節(jié)能折減和用于推進的節(jié)能折減等非傳統(tǒng)推進系統(tǒng)的創(chuàng)新節(jié)能應(yīng)用技術(shù)。

新巴拿馬型85 000 t散貨船在不考慮增加新節(jié)能技術(shù)和綠色能源的情況下，在滿足IMO MEPC《2013年確定最小推進功率以在不利條件下保持船舶操縱性的暫行指南》的船舶最小裝機功率要求下，現(xiàn)有主機選型仍具有相當(dāng)潛力可挖掘，使85 000 t散貨船采用常規(guī)推進系統(tǒng)設(shè)計即可滿足EEDI Ⅲ的排放要求。參照原EEDI計算公式，不采用新節(jié)能措施和新能源燃料設(shè)計，簡化如下：

(1)

式中：ME為主機；PME為主機功率；CFME為主機燃油消耗量與CO2排放量之間的轉(zhuǎn)換因數(shù)，柴油取3.206；SFCME為主機的單位燃油消耗量；PAE為輔機功率，PAE=5%PME；CFAE為輔機燃油消耗量與CO2排放量之間的轉(zhuǎn)換因數(shù)，柴油取3.206；SFCAE為輔機的單位燃油消耗量；fi為用于對載運能力技術(shù)/規(guī)定限制的載運能力因數(shù)；fc為艙容量修正因數(shù)；fl為用于具有起重機和其他起貨設(shè)備的雜貨船因數(shù)；Ca為載運能力；fw為海上航速降低因數(shù)；Vref為船舶航速。

由式(1)可知：EEDI最終要求PME和PAE選值越盡可能小，則EEDI結(jié)果就越好。

2 船舶主要技術(shù)參數(shù)

新巴拿馬型85 000 t散貨船的主要參數(shù)和船模試驗報告數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 新巴拿馬型85 000 t散貨船主要參數(shù)和船模試驗報告

通過船模試驗數(shù)據(jù)進行EEDI計算，該型船僅滿足EEDI Ⅱ的碳排放要求。主機機型型號不同，其對應(yīng)的有效功率、燃油消耗率(Specific Fuel Oil Consumption，SFOC)及螺旋槳設(shè)計參數(shù)不同，EEDI隨之變化。新巴拿馬型85 000 t散貨船的初步設(shè)計，基于EEDI計算導(dǎo)則的上述要求，采用低轉(zhuǎn)速主機、對SMCR進行優(yōu)化[4]，降低主機功率儲備[5]，開展主機選型研究。

3 主機最小裝機功率核算

根據(jù)IMO MEPC的指南要求，主機最小裝機功率必須滿足2個要求之一。

3.1 Level 1評估法

由文獻[6]可知：最小裝機功率的Level 1評估法計算公式為

Pmin=aDWT+b

(2)

式中：Pmin為最小裝機功率，kW；DWT為船舶載重量，t；小于14.5萬t的散貨船，參數(shù)a取0.076 3，參數(shù)b取3 374.3。

85 000 t散貨船按式(2)計算，Pmin=0.076 3×85 000+3 374.3=9 860 kW(取整)。

按式(1)計算，EEDI為3.474 g/(t·n mile)，該值大幅高于EEDI Ⅲ要求的基線值2.988 g/(t·n mile)。

因此，采用Level 1評估法不能滿足EEDI Ⅲ的要求。

3.2 Level 2簡化評估法

3.2.1 評估原則

根據(jù)文獻[6]，Level 2簡化評估法應(yīng)采用如下原則:船舶應(yīng)具有足夠裝機功率，在迎風(fēng)頂浪條件下仍可保持一定前進航速，滿足船舶在任意方向風(fēng)浪下保持航向的要求。因此，在迎風(fēng)頂浪條件下船舶可否達到所需要的最小前進航速，應(yīng)重點考慮船舶主尺度、線型設(shè)計和主機最小裝機功率的選擇。

3.2.2 評估內(nèi)容

該評估法包含如下4個方面：

(1)船舶按要求在惡劣海況條件下保持航向，保持在頂風(fēng)頂浪條件下所要求的前進航速，設(shè)定最小前進航速Vnav為4.00 kn。

(2)船舶在任意方向風(fēng)浪作用下保持航向的最小速度Vck，其計算公式為

Vck=Vck,ref-10.0(AR%-0.9)

(3)

式中：Vck,ref為參考保持航向速度，kn；AR%為實際舵面積Ar與經(jīng)船寬修正浸沒舵面積ALS,cor的比值。

散貨船的參考保持航向速度Vck,ref可根據(jù)迎風(fēng)迎浪至艏斜風(fēng)斜浪30°船體縱向最大阻力予以確認(rèn)。

在計算結(jié)果Vck>Vnav時，船舶前進航速Vs取Vck值；在Vck≤Vnav時，取Vnav值。

(3)裝機功率評估程序。評估原則:

①按下式計算船舶總阻力T：

T=(Rcw+Rair+Raw+Ropp)/(1-t)

(4)

式中：Rcw為船體靜水阻力；Rair為空氣阻力；Raw為波浪增阻；Rapp為附體阻力；t為推力折減因數(shù)，取0.1。

②散貨船、液貨船和兼用船的靜水阻力計算可不計波浪造成的阻力：

(5)

式中：k為形狀因數(shù)，取0.256；ρ為海水密度，取1 025.00 kg/m3；S為船體濕表面積，約12 805 m2；CF為摩擦阻力因數(shù)，可通過下式求得：

(6)

(7)

式(6)和式(7)中：Re為雷諾數(shù)；LPP為垂線間長，m；υ為水的運動黏度，m2/s。

③空氣阻力Rair按下式計算：

(8)

式中：Cair為空氣阻力因數(shù)；ρa為空氣密度，取1.26 kg/m3；AF為船體和上層建筑正面受風(fēng)面積，m2；Vw,rel為相對風(fēng)速，m/s。

④波浪增阻Raw按下式計算：

(9)

⑤螺旋槳敞水推力因數(shù)KT(J)按下式計算:

(10)

Ua=Vs(1-ωa)

(11)

⑥螺旋槳所需要的轉(zhuǎn)速n由下式獲得：

(12)

(4)在轉(zhuǎn)速為n時，螺旋槳所需要的推進功率PD按下式界定：

(13)

式中：KQ(J)為螺旋槳敞水轉(zhuǎn)矩因數(shù)曲線，相對旋轉(zhuǎn)效率假定為1.0。

對于柴油機而言，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩-速度受到限制，即Q≤Qmax(n)，其中：Q為螺旋槳轉(zhuǎn)速為n時發(fā)動機輸出的扭矩；Qmax(n)為螺旋槳轉(zhuǎn)速為n時發(fā)動機輸出的最大扭矩。Q和Qmax可由下式計算：

(14)

(15)

式中：Pmax為螺旋槳轉(zhuǎn)速為n時發(fā)動機輸出的最大功率。

3.2.3 評估結(jié)果

根據(jù)船模試驗結(jié)果，對主機5G60ME-C10.5選用最小裝機功率8 150 kW、螺旋槳直徑選用7.60 m進行驗證和計算，滿足文獻[6]對最小裝機功率的要求，最終結(jié)果如表2所示。

表2 Level 2簡化評估法試驗結(jié)果

現(xiàn)行的《船舶在惡劣海況下維持操縱性的最小推進功率導(dǎo)則》計算方法2中，靜水阻力、空氣阻力和波浪增阻是船舶總阻力的組成部分，其中波浪增阻對總阻力的影響最大。為降低螺旋槳的最小推進功率和最小轉(zhuǎn)速，需要降低總阻力、增加螺旋槳直徑以及提高螺旋槳敞水推力因數(shù)。在MEPC 76次會議對空氣污染與船舶能效議題審議后，對《船舶在惡劣海況下維持操縱性的最小推進功率導(dǎo)則》進行修正，船舶最小裝機功率受到一定影響，在新導(dǎo)則實施后需要進一步地研究和分析。

4 主機選型和裝機功率選取

在船舶設(shè)計和主機選型時，主機所需要的推進功率會隨螺旋槳轉(zhuǎn)速的降低和螺旋槳直徑的增大而相應(yīng)減少[7]，主機功率和轉(zhuǎn)速可通過公式進行粗略地換算，即給定航速?？赏ㄟ^如下近似公式計算得出主機的輸出功率：

(16)

式中：P1為船模試驗需要的推進功率；P2為主機選型需要的SMCR；n1為船模試驗螺旋槳轉(zhuǎn)速；n2為主機選型需要的螺旋槳轉(zhuǎn)速；α為等航速因數(shù)，取決于航速、船舶主尺度和船型參數(shù)，取0.15～0.30。

新巴拿馬型85 000 t散貨船的設(shè)計吃水為11.80 m，在主機輸出功率為6 750 kW、轉(zhuǎn)速為76.40 r/min(含15.00%海況裕度)時，其含海況裕度因數(shù)的設(shè)計航速為14.30 kn，不含海況裕度因數(shù)結(jié)構(gòu)吃水工況條件下的航速為14.21 kn。根據(jù)船模試驗數(shù)據(jù)報告提供的航速和功率的初步結(jié)果，結(jié)合曼恩(MAN B&W)低速柴油機組選型手冊和輔機容量計算表報告的主機功率范圍選取區(qū)域的要求，選取6S60ME-C10.5、6S60ME-C10.6、5S60ME-C10.6、5G60ME-C10.5和7S50ME-C10.6作為該型船主機研究機型，其功率范圍如表3所示。由表3可知：每型MAN B&W系列低速柴油機功率由L1、L2、L3、L4圍成一個功率選型區(qū)域。L1為該型機的SMCR，即100%功率，L2、L3、L4為指定設(shè)計功率。

表3 主機功率范圍 kW×(r·min-1)

在等航速條件下，主機轉(zhuǎn)速越低，螺旋槳直徑越大，需要的主機功率越小[7-8]。根據(jù)主機參數(shù)報告提供的主機選型功率范圍，在考慮含15.00%海況裕度后，設(shè)定17.2%和25.0%兩條主機功率儲備的等航速線，在其區(qū)間附近作為常用主機選型區(qū)域[9]，如圖1所示。

圖1 新巴拿馬型85 000 t散貨船常用主機型號選型區(qū)域

由圖1可知：5種主機型號均可滿足船舶設(shè)計的主機功率儲備25.0%的要求，5G60ME-C10.5、5S60ME-C10.6和7S50ME-C10.6可滿足船舶設(shè)計的主機功率儲備17.2%的要求。6S60ME-C10.5型主機的最小功率為9 000 kW，6S60ME-C10.6型主機的最小功率為8 820 kW，由于船舶SMCR不能小于主機最小功率以及超出機型功率曲線選型范圍，因此該型船主機最終選型排除采用6S60ME-C10.5和6S60ME-C10.6機型。

根據(jù)主機廠家的輔機容量計算表選擇SMCR與轉(zhuǎn)速、母型船船模試驗數(shù)據(jù)和等航速曲線的計算公式，對不同的主機選型判斷和分析其對EEDI產(chǎn)生的影響情況，具體計算結(jié)果如表4所示。

由表4可知:主機功率儲備對EEDI的影響較大，主機功率儲備越多，EEDI折減率越小，越不能滿足EEDI Ⅲ的碳排放要求。5S60ME-C10.6、5G60ME-C10.5和7S50ME-C10.6機型的選型降低主機功率儲備，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)吃水工況條件下航速降低。在主機儲備功率和結(jié)構(gòu)吃水航速同步降低時，結(jié)構(gòu)吃水航速降低對EEDI的影響遠沒有降低主機儲備功率的影響大。因此，除滿足船舶最小裝機功率要求和應(yīng)對主機在長時間運營過程中功率衰減與船底污垢對航速的影響外，主機選型適當(dāng)預(yù)留主機功率儲備，船舶碳排放即可滿足EEDI Ⅲ的設(shè)計要求，無須增加額外的節(jié)能設(shè)施或采用環(huán)保新能源的設(shè)計方案。

表4 新巴拿馬型85 000 t散貨船主機選型對EEDI的影響

主機“降功率輸出”是目前船舶設(shè)計主機選型比較慣用的手段，是主機節(jié)能減排的有效措施之一，即降低主機SMCR的平均有效壓力，通過主機最大爆發(fā)壓力和平均有效壓力比值的升高，提高主機熱效率，降低主機單位SFOC。在5S60ME-C10.6、5G60ME-C10.5和7S50ME-C10.6主機中，其裝機功率選取均在8 150 kW附近，均為降功率輸出，其中：5S60ME-C10.6降功率輸出值最小，為主機最大輸出功率的65.48%；5G60ME-C10.5降功率輸出值最大，為主機最大輸出功率的43.31%；5S60ME-C10.6的熱效率更高，其單位油耗大幅低于5G60ME-C10.5；5S60ME-C10.6的EEDI Ⅲ的裕度為2.24%，超過5G60ME-C10.5的EEDI折減1.13%。因此，不同型號主機降功率輸出的大小，對EEDI計算的影響不大。

5 結(jié) 語

新巴拿馬型85 000 t散貨船作為市場上運營較好的巴拿馬型散貨船之一，不僅可通過新巴拿馬運河，而且擁有更大的載貨量，運力強，航線廣，受到船舶所有人的青睞。以該型船滿足EEDI Ⅲ的排放要求為例，研究其主機選型方法，選取5個主機機型作為研究對象，通過計算船舶的總阻力和螺旋槳轉(zhuǎn)速，確定主機最小裝機功率，并從主機選型角度出發(fā)，挖掘現(xiàn)有可選主機機型性能的最大潛力?？赏ㄟ^降低船舶總阻力和提高螺旋槳的敞水推力因數(shù)，預(yù)留適當(dāng)?shù)闹鳈C功率裕度，在不配置額外的節(jié)能設(shè)施或采用環(huán)保新能源的設(shè)計方案措施下，使設(shè)計的新型巴拿馬型散貨船達到IMO為控制船舶CO2的排放而制定和生效的EEDI Ⅲ要求，不僅可降低船舶的建造成本，而且可減少船舶所有人的船舶管理成本，使該型船具有更大的運營優(yōu)勢。