大型集裝箱船能效設計指數計算與優化研究

段 斌，鄧 愷，宋 偉，袁紅良

（滬東中華造船（集團）公司，上海 200129）

0 引 言

國際海事組織（IMO）MEPC 62次會議于2011年7月11～15日在英國倫敦舉行。會上IMO不僅確定了新造船能效設計指數（EEDI）強制執行的時間表，同時還提出了新的參考線（Reference line），世界造船業的節能減排工作將要進入一個嶄新階段。這就要求我國船舶行業在船型開發設計上必須針對節能減排方面做更進一步的深入研究，包括船舶線型優化、節能裝置等提高船舶能效展開系統的研究工作，以在未來船舶市場中取得有利地位。

隨著國際油價高企和限制排放的不斷升級，船東更加關注船舶能耗，要求船廠提供EEDI計算值，并將該指數作為重要指標寫入技術規格書中。這就要求船廠不僅能夠計算 EEDI，還要能夠申請取得 EEDI證書，以利于新船承接及船舶順利交付。

1 EEDI規則最新發展

在MEPC 62次會議上，IMO確定了新造船能效設計指數強制執行的時間，并提出新的參考線值，同時還圍繞EEDI計算和驗證導則草案進行詳細討論，進一步完善和推進該規則的實施。

1.1 EEDI強制執行時間表

IMO確定新造船能效設計指數從2013年1月1日起強制執行，整個減排過程共分為四個階段，涉及7種船型，見圖1。

EEDI是針對新造船提出要求的，因此新造船的定義尤為重要[1,2]：

1)在強制執行日期之后簽訂建造合同的船舶；

2)如果沒有建造合同，在強制執行日期6個月后進行鋪龍骨或相似建造階段的船舶；

3)在強制執行日期30個月后交船的船舶。

凡是符合上述條件之一的均要滿足EEDI規則。

以集裝箱船為例，該船型各個減排階段，見圖1。

表1 EEDI折減系數及強制執行時間表[3]

圖1 集裝箱船EEDI要求

因此，各個階段的EEDI要求可歸納為：

Attained EEDI ≤ Required EEDI =(1-X/100)× Reference line value

式中：Attained EEDI——根據計算公式得到的EEDI值；Required EEDI——所要求的EEDI衡準值；X——該階段的折減系數；Reference line value——參考線值。

1.2 EEDI參考線

IMO的秘書處在MEPC 62次會議上提出最終的參考線，見表2和圖2。

Reference line value（參考線值）=a×Capacity-c(1)

式中：Capacity——船舶載重量（dwt）；a，c——分別為常數。

表2 MEPC 62會議提出的參考線[3,4]

圖2 各種船型的參考線[4]

此次推出的參考線與之前的相比，對三大主力船型（散貨船、油輪和集裝箱船）的要求尺度有所放寬，但對氣體運輸船（LNG液化天然氣船和LPG液化石油氣船）的限制要求卻愈加嚴格，見圖3。

雖然三大主力船型因為參考線放寬而使更多船舶得以滿足目前要求，但是氣體運輸船因為設計較為復雜，所占比例較小，設置合理的參考線難度較大。因此，此次氣體運輸船的參考線設置（即降低參考線值）引起SIGTTO（國際氣體運輸船和岸站協會）等機構的異議。

圖3 參考線對照[4～6]

2 船舶EEDI計算、證書申請和優化實例分析

大型集裝箱船是當前船舶市場熱門船型之一，以某大型集裝箱船（8000TEU級別）作為對象，從該型船的EEDI計算、證書申請到船舶優化，詳細研究分析EEDI對船舶設計的影響。

2.1 EEDI計算

該船型的主要參數：

總長：335.00m 主機：MAN-B&W 12K98ME-C

垂線間長：320.00m 功率：68520kW/104.0r/min（最大額定持續功率SMCR）

型寬：42.80m 主機油耗：171.45g/kW·h（75% SMCR）

型深：24.80m 發電機：Daihatsu 8DC-32

設計吃水：13.00m 發電機油耗：209.5g/kW·h（50%負荷）

結構吃水：14.65m 最大載重量：101588.9t

航速（EEDI工況）：26.0kn

根據上述參數，該船的EEDI值[7]為：

式中：fj——用于補償船舶特殊設計因素的修正系數；

SFCME、 SFCAE——主機、輔機的單位燃油消耗，g/kWh；

CFME、CFAE——主機、輔機燃料的碳轉換系數， gCO2/gfue；

PPTI——軸馬達功率，kW；

PAEeff——當船舶在PME狀態下采用了創新型電力能效技術而減少的輔機功率，kW；

Peff——指由于采用了創新型機械式能效技術而減少的主機功率的75%，kW；

feff——反映創新型能效技術的修正系數；

fi——最大設計裝載工況修正系數；

fw——航速修正系數。

以MEPC.203(62)決議[3]提出的參考線標準（ a=174.22，c=0.201），該船的參考線值為：

EEDI reference line value=a× C apacity-c=174.22× 101 588.9-0.201=17.17

由于該船主機采用新型的ME型低速柴油機，油耗相對較低；同時船體線型經過優化設計，船舶阻力較??；并且螺旋槳設計效率較高，使得EEDI計算值比參考線值約低7%，能效表現較好。

2.2 EEDI證書申請

EEDI已于MEPC62會議上通過，將于2013年強制執行。設計方（或委托第三方）需計算EEDI指數并送呈檢驗機構認可，待檢驗機構（船級社等）認可后船東（或船廠）可申請相應的EEDI證書。證書申請流程見圖4。

申請EEDI證書主要是準備EEDI信息資料文件，包括船舶基本信息和EEDI計算所需資料的文件，主要有該船的船名、IMO編號、入級編號及主尺度等基本信息，還有設計及結構吃水的排水量、載重量、空船重量，70%夏季載重線對應的載重量及排水量，主機及發電機的數量與型號，主機 75%MCR（最大持續功率）下的單位油耗，發電機50%MCR（最大持續功率）的單位油耗，EEDI計算工況對應的航速 Vref，船模試驗基本信息，試航報告速度－功率曲線等。該文件需由設計方（或第三方）詳盡填寫，每條船配置一份，作為EEDI計算的支撐文件，既是EEDI計算核心內容也是EEDI證書本身的一部分。

其中，3點較為關鍵：

1)夏季載重線下70%的載重量僅針對集裝箱船適用的特征值，其他船型取100%載重量。通過該70%載重量推導出對應的排水量，再通過靜水力表得到該排水量下的吃水，此吃水即為EEDI工況下的吃水值。

2)所有主機（ SFCM/E）及發電機（ SFCG/E）的上述指定工況的單位油耗值均取自氮氧化物（NOx）技術文件（即車間試驗檢驗記錄），且油耗值均應按照國際標準條件（ISO）進行修正。

3)Vref對應無風無浪情況下，在主機的75%MCR（最大持續功率）及70%最大載重量的裝載工況下的航速。EEDI航速包含2個階段，即通過船模試驗推導出理論值為第一階段，試航結束后運用試航結果對理論值加以修正為第二階段。在MEPC61/5/2會議上提出了一個包含 Vref推導（見圖5）及修正的草案。經分析，該草案中 Vref修正可拆分為以下步驟：

(1)假定ISO（國際標準）15016航速修正方法與船廠自身的航速修正方法的比例系數恒定，推導出壓載狀態下75%MCR對應ISO 15016修正方法的航速值。

圖4 EEDI證書申請流程[8]

式中， VT=Tb，75%MCR,fullscale(ISO)為壓載吃水、75%SMCR（最大額定持續功率）狀態下，ISO標準工況的航速；

VT=Tb，90%MCR,fullscale(ISO)為壓載吃水、90%SMCR狀態下，ISO標準工況的航速；

VT=Tb，75%MCR,fullscale(yard)為壓載吃水、75%SMCR狀態下，試航工況的航速；

VT=Tb，90%MCR,fullscale(yard)為壓載吃水、90%SMCR狀態下，試航工況的航速。

該步驟是將試航中的壓載狀態，90%SMCR功率下的航速修正到ISO標準工況，壓載狀態，75%SMCR功率下的航速。若航速修正方法與ISO(國際標準)修正方法相當，此步驟可省略。

(2)根據船模試驗預報結果，推導設計吃水下75%SMCR的航速修正值。

式中， VT=Td，75%MCR,fullscale(ISO)為設計吃水、75%SMCR狀態下，ISO標準工況的航速；

VT=Tb，90%MCR,fullscale(ISO)為壓載吃水、90%SMCR狀態下，ISO標準工況的航速；

VT=Td，75%MCR,modelscale為設計吃水、75%SMCR狀態下，船模試驗得到的航速；

VT=Tb，90%MCR,modelscale為壓載吃水、90%SMCR狀態下，船模試驗得到的航速。

該步驟是將試航中的壓載吃水狀態，90%SMCR功率下的航速修正到ISO標準工況，設計吃水狀態，75%SMCR功率下的航速。

(3)因無70%載重量的速度－功率船模試驗曲線可用，故基于海軍系數法通過上一步推導得到的速度近似推導目標EEDI航速refV 。

式中：△——船舶排水量。

假定EEDI工況與船模試驗設計吃水狀態傅汝德系數（ Fn）相當，利用海軍系數公式 (Δ2/3V3)/Pd（ Pd為螺旋槳收到的功率）推導出EEDI工況（70%載重量）吃水下的速度——功率曲線，并從此曲線上查得EEDI功率 Peed（i75%MCR）所對應的理論EEDI航速 Vref-uncorrected，由此得到最終修正后的EEDI航速值 Vref。

圖5 Vref推導流程

對比上述兩種方法，采用先行推導船模試驗EEDI工況的速度——功率曲線的方法，較直接采用海軍系數法計算的EEDI航速值 Vref偏大0.3kn，EEDI指數偏小1.2%。雖然直接運用海軍系數法計算得到的EEDI值更小，但由于海軍系數法本身為經驗公式，若直接運用可能進一步放大了由于估算而產生的誤差，導致Vref偏大。因此，采用推導EEDI工況的速度——功率曲線的方法精度更高些[9]，在此次EEDI申請實例中，采用了該曲線推導方法，計算過程和結果均得到了德國船級社的認可。證書樣本見圖6。

EEDI證書申請費用包含兩個部分：生成EEDI技術文件及船級社頒發EEDI證書的費用。其中，后者應是歸屬于船廠與船級社的入級費用，如同合同期簽署的其他證書費用一樣。而對于前者，由于EEDI規則尚未生效，EEDI技術文件的格式尚未最終確定，故現階段請設計公司等生成EEDI技術文件的費用是比較昂貴的。

圖6 EEDI證書樣本

2.3 船舶優化分析

雖然該船的EEDI計算值比參考線值約低7%，能效較好，可滿足當前EEDI要求，但是對于未來更加嚴厲的EEDI標準，現在必須考慮該船的進一步優化設計工作。

對于集裝箱船，階段1（2015年1月1日至2019年12月31日）要求在參考線值基礎上降低10%，而階段2（2020年1月1日至2024年12月31日）要求在參考線值基礎上降低20%[3]。因此，該船設計稍加改進就能夠滿足階段1標準，但是要滿足階段2標準還有一段距離，需要進行細致全面的優化研究。見圖7。

2.3.1 階段1優化

由于目前距離10%的折減系數僅有一步之遙，因此，滿足標準的優化措施較多：

1)配置軸帶發電機，提高能源利用效率；

2)在螺旋槳后安裝反轉的小型螺旋槳，提高推進效率；

3)船底使用氣泡潤滑，降低船舶阻力；

4)優化線型，發掘船型快速性的潛能；

5)空船結構重量控制與優化，提升載重量。

2.3.2 階段2優化

若要滿足階段2標準，設計改動相對較大，主要措施有：

1)安裝廢熱回收裝置，能夠有效降低輔機功率消耗，EEDI降低10%左右；

2)使用天然氣清潔燃料，由于天然氣燃料碳含量較低，且熱值較高，不僅可以降低FC（碳轉換系數），還可以降低油耗。因此，使用天然氣燃料能夠降低EEDI約20%～30%；

3)降速航行，因為航速和功率呈三次方關系，所以為得到較高航速需要付出更高的功率代價。因此，一定程度降低航速，不僅可以降低EEDI，而且能夠有效節省燃料，提高船舶運營經濟型；

4)應用新型復合材料，降低空船重量；

5)應用太陽能和風能等清潔能源。

圖7 EEDI優化措施

3 結 語

通過對EEDI規則最新發展的闡述，以及EEDI強制實施的具體階段和各種船型最終參考線的介紹，以某大型集裝箱船作為分析對象，詳細介紹了該船的EEDI計算、證書申請以及設計優化措施，為該船型設計及未來的改進發展指明方向。EEDI不僅是能效的指數，更是衡量未來船舶設計優劣的重要因素。希望通過此次點滴經驗，為EEDI概念在國內的傳播與應用作一些貢獻。

[1] Circular Letter No.3128.Amendments to Marpol Annex Ⅵ[S].2010.

[2] MEPC 61/WP.10.Report of the Working Group on Energy Efficiency Measures for Ships [S].2010.

[3] Resolution MEPC.203(62).Amendments to the Annex of the Protocol of 1997 to Amend the International Convention for the Prevention of Pollution from Ships, 1973, as Modified by the Protocol of 1978 Relating Thereto [S].2011.

[4] MEPC 62/6/4.Calculation of Parameters for Determination of EEDI Reference Values [S].2011.

[5] GHG-WG 2/2/7.Recalculation of energy efficiency design index baselines for cargo ships [S].2009.

[6] MEPC 60/4/14.Recalculated baseline for container vessels [S].2010.

[7] MEPC.1/Circ.681.Interim Guidelines on the Method of Calculation of the Energy Efficiency Design Index for New Ships[S].2009.

[8] MEPC.1/Circ.682.Interim Guidelines for Voluntary Verification of the Energy Efficiency Design Index [S].2009.

[9] 朱永峨，等.船舶CO2排放水平的能效評估方法研究[J].上海造船，2011, 87 (3): 62-66.