新造船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)對(duì)主機(jī)選型影響分析

摘要：EEDI（船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)）是衡量船舶在航行中CO2排放量的考核指標(biāo)。依據(jù)MEPC.59提出的EEDI臨時(shí)指導(dǎo)公式分析了EEDI對(duì)主機(jī)選型的影響。以230 000 DWT礦砂船為例，在核算的EEDI與基線差別不大情況下，通過適當(dāng)降低航速來降低主機(jī)安裝功率以滿足EEDI基線的要求，從而驗(yàn)證了該方法的的有效性。探討了未來應(yīng)對(duì)EEDI的其它方法。

關(guān)鍵詞：EEDI；主機(jī)選型；航速；功率；影響分析

The Influence of New Ship Energy Efficiency Index on Main Engine Selection

TIAN Changwei， ZHAO Cui

(CSSC Guangzhou Longxue Shipbuilding Co.， Ltd. Guangzhou 511458)

Abstract: EEDI (Energy Efficiency Design Index) is a criterion to judge CO2 emission of a ship in navigation. This paper analyzes the influence of EEDI on main engine selection according to the interim formula in MEPC.59. Taking 230，000 DWT ore carrier as an example， reducing the design service speed to decrease the installed power of main engine to meet the EEDI requirement proves the validity of this method. Other methods to meet EEDI requirement are also introduced in this paper.

Keywords: EEDI; Main engine selection;Service speed;Power;Influence analysis

1引言

隨著全球環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，一種適應(yīng)環(huán)境發(fā)展的低碳時(shí)代已經(jīng)到來。這種以減少煤炭、石油等高碳能源的消耗、減少溫室氣體排放，從而達(dá)到社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙贏的一種經(jīng)濟(jì)發(fā)展形態(tài)，勢(shì)必沖擊到全球造船業(yè)。對(duì)中國(guó)這個(gè)新興造船大國(guó)而言，沖擊和影響將是全方位的，船舶溫室氣體的排放越來越引起世界各國(guó)的重視。國(guó)際貿(mào)易的快速發(fā)展推動(dòng)著船舶日益大型化，船舶功率也隨之增大，快速攀升的大型船舶，猶如一座座工廠在大海上航行并排放大量的二氧化碳，人們不得不以立法的手段來限制溫室氣體的排放。 2009年7月，國(guó)際海事組織（IMO）通過了一攬子自愿性的技術(shù)，制定了《新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）計(jì)算方法臨時(shí)導(dǎo)則》和《能效設(shè)計(jì)指數(shù)自愿驗(yàn)證臨時(shí)導(dǎo)則》，推出了“新造船能效設(shè)計(jì)指數(shù)”作為新造船舶能效衡量標(biāo)準(zhǔn)，盡管該導(dǎo)則仍屬于自愿試用階段，但隨著環(huán)保要求的不斷提高，該導(dǎo)則被納入到強(qiáng)制實(shí)施的時(shí)間也指日可待。EEDI的最終實(shí)施，勢(shì)必對(duì)新造船舶從設(shè)計(jì)到建造的各個(gè)方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

EEDI提出看起來只是出現(xiàn)了一個(gè)新的術(shù)語，但是它已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外船舶企業(yè)的格外關(guān)注。實(shí)際上，它給出了關(guān)于船舶設(shè)計(jì)建造新方法一個(gè)主流發(fā)展方向，鼓勵(lì)船廠、船舶設(shè)計(jì)者和設(shè)備制造商采用有效地方法提高船舶能效從而促進(jìn)造船技術(shù)的革新進(jìn)步。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外船舶研發(fā)、設(shè)計(jì)、建造單位都將EEDI作為一項(xiàng)課題進(jìn)行研究，探索如何降低CO2排放。在降低EEDI的一些新技術(shù)、新方法出現(xiàn)之前，通過降低航速來適當(dāng)降低主機(jī)安裝功率從而滿足EEDI要求不失為一種直接有效地方法。

2 EEDI淺析

國(guó)際海事組織IMO第57屆環(huán)境與保護(hù)委員會(huì)MEPC57會(huì)議同意了按照“新造船CO2設(shè)計(jì)指數(shù)”進(jìn)行審議。在MEPC第58次會(huì)議上，同意了將“新造船CO2設(shè)計(jì)指數(shù)”更名為“新造船能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI”，并且在該次會(huì)議上形成了“新造船EEDI計(jì)算CO2方法臨時(shí)導(dǎo)則草案”。2009年7月的MEPC第59次會(huì)議對(duì)EEDI導(dǎo)則草案作了進(jìn)一步的修訂并提出了以下指導(dǎo)公式：

其中：

CF—無量綱轉(zhuǎn)化系數(shù)，基于含碳量的將燃料的消耗量轉(zhuǎn)化為CO2的排放量。下標(biāo)ME(i)和AE分別代表主機(jī)和輔機(jī)。對(duì)于重燃油取CF=3.114；

Vref —航速，Kn；

Capacity—按照不同船型定義：對(duì)干貨船、液貨船、集裝箱船等，Capacity為載重噸；對(duì)客船為總噸；

nME—主機(jī)臺(tái)數(shù)；

nAE—輔機(jī)臺(tái)數(shù)；

PME(i)—每臺(tái)主機(jī)額定裝機(jī)功率（MCR）減去軸帶發(fā)電機(jī)后的75%時(shí)的功率值；

PPTI(i)—每臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)額定功率的75%除以發(fā)電機(jī)的加權(quán)平均效率；

Peff(i)—由于采用了創(chuàng)新的機(jī)械能效技術(shù)而減少的主機(jī)功率的75%；

PAEeff(i)—系指當(dāng)船舶在PME(i)狀態(tài)下由于采用了創(chuàng)新的電能效技術(shù)而減少的輔機(jī)功率；

PAE—系指在設(shè)計(jì)工況下以Vref航速航行時(shí)所需求的提供正常最大波浪載荷的輔機(jī)功率；

SFC—系指發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)核定的特定燃油消耗量。下標(biāo)ME(i)和AE(i)分別表示主機(jī)和輔機(jī)；

f j—考慮船舶特殊性的系數(shù)，該系數(shù)用于冰區(qū)加強(qiáng)型的船舶，將通過指導(dǎo)性文件中的標(biāo)準(zhǔn)f 曲線查得；

f j—非量綱系數(shù)，包含了因浪高、浪頻和風(fēng)速導(dǎo)致船舶減速的因素；

f w—裝載量系數(shù)，如無需考慮該系數(shù)，取1.0；

f i—每個(gè)創(chuàng)新能效技術(shù)的可用系數(shù)，對(duì)于廢能回收系統(tǒng)，f eff(i)應(yīng)為1.0。

關(guān)于基線的回歸公式，與會(huì)各方一致同意：采用EEDI公式和同樣的船型數(shù)據(jù)（英國(guó)勞氏Fairplay的數(shù)據(jù)）作重新計(jì)算。丹麥代表團(tuán)在2009年3月的溫室氣體工作組第二次會(huì)議（GHG-WG2/2/7）上，重新提交了基線的計(jì)算公式，利用以下公式求得：

（BLV）=a*Capacity-c其中，a，c均為常數(shù)。

經(jīng)過DNV和GL的計(jì)算，各主要船型的a和c值如表1。

以干散貨船（包括礦砂船）為例，EEDI基線隨載重量的變化關(guān)系如圖1所示。

表1各船型的a和c值

圖1散貨船EEDI基線隨載重量的變化

通過分析不難發(fā)現(xiàn)，包括其它船型在內(nèi)，隨著載重噸位的不斷增加EEDI基線的要求越來越嚴(yán)格。

3EEDI對(duì)主機(jī)選型的影響

以230 000 DWT礦砂船為例，初始設(shè)計(jì)航速為15 kn，通過船模實(shí)驗(yàn)報(bào)告得出結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)下主機(jī)傳遞功率與航速關(guān)系如圖2。

圖2主機(jī)傳遞功率與航速關(guān)系

根據(jù)曲線嚙合的三次多項(xiàng)式為：PD= 39.88 Vs3 - 1394 Vs2 + 18274 Vs– 78 969b

RME = 0.999（2）

RZ表示和理論值的吻合度。

考慮1%的軸功率損失、15%的海況裕度及15%主機(jī)裕度，需要的主機(jī)安裝功率為：

PME = （P /0.99）*1.15/0.85 （3）

主機(jī)可選用MAN BW 6S80ME-C8.2 Tier II， SMCR點(diǎn)取PME =22 000 kW，依據(jù)EEDI指導(dǎo)公式及基線公式對(duì)該設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行EEDI核算如表2所示。

從表2可以看出，在設(shè)計(jì)航速為15 kn的情況下，依據(jù)EEDI指導(dǎo)公式核算結(jié)果，不能滿足基線的要求。從公式（1）和（2）可知，通過降低設(shè)計(jì)航速可以較大程度的降低主機(jī)安裝功率，從而可以有效地降低EEDI值。

假設(shè)主機(jī)耗油率不變，仍然取163.4 g/kW. h，滿載吃水狀況下設(shè)計(jì)航速分別為14.8 kn、14.6 kn、14.4 kn，根據(jù)公式（2）、（3）可知需要的主機(jī)安裝功率如表3。

通過表3分析知，在耗油率不變的情況下，如果把滿載吃水設(shè)計(jì)航速定為14.6 kn，主機(jī)裝機(jī)功率為20224 kW，EEDI值能夠滿足基線的要求。經(jīng)過利用公式（1）進(jìn)一步核算，主機(jī)75%SMCR主機(jī)的耗油率可以在165.5 g/kW.以下變動(dòng)。

根據(jù)MAN BW主機(jī)廠提供的相關(guān)資料，滿足以上狀態(tài)下的主機(jī)可選擇6S80ME-C8.2和7S70ME-C8.2，兩款機(jī)子相關(guān)參數(shù)如表4。

可見由于6S80ME-C8.2主機(jī)降功率使用幅度比較大，在油耗方面有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，并且由于氣缸較少，在日常營(yíng)運(yùn)過程中的維護(hù)成本相比較低一些，另外，由于轉(zhuǎn)速較后者較低，推進(jìn)效率會(huì)比使用后者要高一些，雖然7S70ME-8.2主尺度、重量以及初始投入成本都有一定的優(yōu)勢(shì)，但從客戶長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)的角度考慮 ，仍然選擇6S80ME-C8.2作為推進(jìn)主機(jī)。

4應(yīng)對(duì)EEDI的其它措施

預(yù)計(jì)到2015～2020年，EEDI基線值將比剛實(shí)施階段降低10%，2020~2024年降低20%。隨著IMO對(duì)CO2氣體排放要求日益嚴(yán)格，單純的從犧牲航速的角度降低主機(jī)安裝功率從而滿足EEDI基線要求是不夠的。船舶設(shè)計(jì)、船舶設(shè)備新技術(shù)、新能源技術(shù)在船舶上的運(yùn)用等方面在降低EEDI上將起著決定性作用。對(duì)于我國(guó)蒸蒸日上的造船業(yè)來說，如果想有效的應(yīng)對(duì)未來被強(qiáng)制實(shí)施的EEDI，還應(yīng)主要從以下方面做出努力：

1) 提高燃油經(jīng)濟(jì)型。在設(shè)備選型階段，在滿足效能的前提下，選擇耗油率低的主機(jī)、發(fā)電機(jī)等一些耗油設(shè)備；通過優(yōu)化主機(jī)功率可以降低燃油耗油率。另外，在船上安裝節(jié)能措施如廢熱回收發(fā)電系統(tǒng)也能達(dá)到較好的效果。

2) 提高船舶快速性。通過優(yōu)化船體型線或采用低阻力的噴涂材料等方法來降低船舶阻力從而提高船舶的航速是一種行之有效地方法。

3) 增加載重量。通過優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)、采用輕質(zhì)材料、減少壓載水等措施可以有效地增加船舶載重量。

4) 采用環(huán)保型能源。LNG、太陽能、風(fēng)能、燃料電池等新能源的使用，能夠滿足任何氣體的排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的綠色船舶。

4結(jié)論

二氧化碳減排是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。本文將EEDI指導(dǎo)性公式應(yīng)用于船舶主機(jī)選型階段，如果核算的EEDI值距離基線不是很大，可以適當(dāng)降低船舶的設(shè)計(jì)航速來降低主機(jī)安裝功率從而滿足EEDI基線要求。通過分析表明，該方法在設(shè)計(jì)階段能夠把EEDI值控制在基線范圍內(nèi)。除此之外，廣大船舶工作者還要從其它方面進(jìn)行研究和探索，積極應(yīng)對(duì)即將實(shí)施的EEDI要求，從而設(shè)計(jì)出更為環(huán)保的綠色船舶。

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