新巴拿馬型散貨船滿足EEDI第3階段方案分析

張丁標， 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)的海上環境保護委員會(MEPC)第62屆會議在2011年7月11日～15日召開，審議并通過能效設計指數(Energy Efficiency Design Index，EEDI)文本，會議以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，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有船。EEDI計算方法詳見中國船級社關于實施《2018年新船達到的能效設計指數(EEDI)計算方法指南》(MEPC.308(73))的技術通告。《MAPROL附則Ⅵ》對新建船舶不同能效削減階段要求的具體時間如表1所示。

表1 《MAPROL附則Ⅵ》對新建船舶不同能效削減階段要求的具體時間

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狀

2016年新巴拿馬運河正式開通運營，針對其設計的新型散貨船船寬由32.3 m增加至48.2 m，其運輸經濟性得到很大提高，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，市場上成功開發的適用于新巴拿馬運河的船型不多，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鮮有，因此結合EEDI公式、綜合節能方法、軸帶發電機、軸帶發電機加節能裝置、主機選型等技術展開分析，以期達到滿足EEDI第3階段的要求。

2 基于EEDI第3階段技術手段分析

目前，通過對設計過程進行優化，可達到EEDI第2階段要求[1]，通過對行業內比較流行的工藝如采用廢熱回收節能技術(包括線型設計、高效螺旋槳、節能裝置)的研究，發現仍然難以出現質的提升，各減排措施預期效果如表2所示。

由表2可看出：當選用替代燃料，如使用液化天然氣燃料時，可大幅降低碳排放，因此選用替代燃料被認為是未來最具有潛力滿足EEDI第3階段要求的技術方案。然而，新巴拿馬型散貨船的平均造價約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包括雙燃料發電機組、雙燃料主機、雙燃料組合鍋爐、液化天然氣供氣系統、C形獨立罐等設備，其報價在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、船舶所有人對采用液化天然氣燃料系統意愿較低等情況，選用液化天然氣燃料不適合項目研發。

表2 各減排措施預期效果 %

根據EEDI公式，在不采用液化天然氣燃料和新能源的情況下，單獨優化其他任意一個參數都很難滿足EEDI第3階段要求。以項目航速為例，在其他參數不變的前提下，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到。這就意味著需要采取綜合節能技術措施進一步降低EEDI指數。

3 綜合節能方法

綜合節能方法主要包括：(1)線型優化，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化可提升船身效率和相對旋轉效率；(2)螺旋槳優化設計，主要對螺旋槳盤面比、直徑、負荷分布等 3 個方面進行優化，提升螺旋槳效率；(3)加裝水動力節能裝置，即在船體艉部增設附加裝置，如前置預旋導輪、前置定子、伴流補償導管、消渦鰭等，目的是降低船尾流動能量損失，提高推進效率[2]。然而，目前線型優化、高效螺旋槳設計及節能裝置優化已達到較高水平，這幾項技術的進一步提升將越來越困難。通過與世界知名水池實驗室合作，對該船的船體線型進行多次優化，并委托水池實驗室進行螺旋槳設計，根據專家評估，即便增加節能裝置，航速也僅能提高0.10～0.20 kn，節能效果有限。

4 軸帶發電機方案

根據EEDI計算公式，船舶配置軸帶發電機能明顯起到降低EEDI數值的作用。

根據新巴拿馬型散貨船為定距槳，主機采用MAN B&W 6S60ME，其持續常用功率的轉速為76.3 r/min，航速為13.83 kn，選用1臺800 kW軸發，軸發轉速為700.0～1 500.0 r/min，軸發恒定輸出功率點的主機轉速為60.0～84.0 r/min，主機在60.0 r/min以下不考慮使用軸發。在航行工況下，可使用軸帶發電機向船上設備供電。軸發的選型方案分為主機自由端安裝形式和主機輸出端安裝形式。

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

通過上述計算，采用軸帶發電機方案理論上能滿足EEDI第3階段要求，但通過布置后發現，還需要綜合考慮船體結構、軸帶發電機組、變壓器、齒輪箱、短軸、彈性聯軸器等設備的布置情況。

5 軸帶發電機+節能裝置方案

節能裝置主要通過改善螺旋槳進流，使其更加均勻，有效減少船尾的水流分離現象；使槳前流預旋，把原來尾流中損失的旋轉能轉化為推力功；產生附加推力等方式提高整個推進系統的能量利用效果。目前，取得較顯著節能效果的裝置包括：舵球、補償導管、前置導管、槳前整流鰭、舵附推力鰭、槳后固定葉輪等。

方案結合軸帶發電機并加裝槳前后節能裝置，對應航速增加至13.89 kn，對其進行相應計算。

根據EEDI公式對方案進行計算后得到：(1)EEDI理論計算值為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。

通過上述計算，采用軸帶發電機+節能裝置方案理論上能滿足EEDI第3階段要求。

6 主機選型方案

對于同一種船型，在滿足其設計要求的航速和功率時，可選擇不同型號的主機，而不同的主機選型對應不同的有效功率、燃油消耗率及螺旋槳參數，這勢必會引起EEDI指標的變化[3]。

主機功率的大小與EEDI 指標密切相關，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大于航速，因此功率選擇應適當，否則功率選取過大，EEDI 指標難以滿足，且造成不必要的浪費。

以新巴拿馬型散貨船為研究對象，通過選取較恰當的額定最大持續功率點，以便選取與船舶性能匹配度較好的機型，對不同型號的主機給EEDI值造成的影響進行研究[4]。選取常用的主機MAN 6S60ME-C10.5與MAN 5G60ME-C10.5進行計算比較,兩者的參數對比如表3所示。

表3 新巴拿馬型散貨船常用主機參數對比

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

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

所進行的計算屬于理論值計算，在實船項目中，根據IMO的規范要求，建造完畢的船舶需要進行試航試驗，以便得到基于實船表現的 EEDI 指數[5-6]。在特別需要考慮試航時，存在主機的吃水、海況、環境等方面的變化，在實際航行中各種工況也易使實測值與相對理論值存在一定的偏差，導致無法滿足EEDI 第3階段的要求。因此，建議在理論計算過程中， EEDI要求的30%減排值須留有一定計算裕量。

7 結 語

基于目前新巴拿馬型散貨船項目的研發，通過對各方案的分析與計算，除綜合節能方法節能效果有限外，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，相應技術方案也會引起高度的重視和研究，并加以完善。研究結果可對相關船型的設計起到一定的引領與指導作用。