大型集裝箱船能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算與優(yōu)化研究

段 斌，鄧 愷，宋 偉，袁紅良

（滬東中華造船（集團(tuán)）公司，上海 200129）

0 引 言

國(guó)際海事組織（IMO）MEPC 62次會(huì)議于2011年7月11～15日在英國(guó)倫敦舉行。會(huì)上IMO不僅確定了新造船能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）強(qiáng)制執(zhí)行的時(shí)間表，同時(shí)還提出了新的參考線（Reference line），世界造船業(yè)的節(jié)能減排工作將要進(jìn)入一個(gè)嶄新階段。這就要求我國(guó)船舶行業(yè)在船型開發(fā)設(shè)計(jì)上必須針對(duì)節(jié)能減排方面做更進(jìn)一步的深入研究，包括船舶線型優(yōu)化、節(jié)能裝置等提高船舶能效展開系統(tǒng)的研究工作，以在未來船舶市場(chǎng)中取得有利地位。

隨著國(guó)際油價(jià)高企和限制排放的不斷升級(jí)，船東更加關(guān)注船舶能耗，要求船廠提供EEDI計(jì)算值，并將該指數(shù)作為重要指標(biāo)寫入技術(shù)規(guī)格書中。這就要求船廠不僅能夠計(jì)算 EEDI，還要能夠申請(qǐng)取得 EEDI證書，以利于新船承接及船舶順利交付。

1 EEDI規(guī)則最新發(fā)展

在MEPC 62次會(huì)議上，IMO確定了新造船能效設(shè)計(jì)指數(shù)強(qiáng)制執(zhí)行的時(shí)間，并提出新的參考線值，同時(shí)還圍繞EEDI計(jì)算和驗(yàn)證導(dǎo)則草案進(jìn)行詳細(xì)討論，進(jìn)一步完善和推進(jìn)該規(guī)則的實(shí)施。

1.1 EEDI強(qiáng)制執(zhí)行時(shí)間表

IMO確定新造船能效設(shè)計(jì)指數(shù)從2013年1月1日起強(qiáng)制執(zhí)行，整個(gè)減排過程共分為四個(gè)階段，涉及7種船型，見圖1。

EEDI是針對(duì)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(qiáng)制執(zhí)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(qiáng)制執(zhí)行日期6個(gè)月后進(jìn)行鋪龍骨或相似建造階段的船舶；

3)在強(qiáng)制執(zhí)行日期30個(gè)月后交船的船舶。

凡是符合上述條件之一的均要滿足EEDI規(guī)則。

以集裝箱船為例，該船型各個(gè)減排階段，見圖1。

表1 EEDI折減系數(shù)及強(qiáng)制執(zhí)行時(shí)間表[3]

圖1 集裝箱船EEDI要求

因此，各個(gè)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(jù)計(jì)算公式得到的EEDI值；Required EEDI——所要求的EEDI衡準(zhǔn)值；X——該階段的折減系數(shù)；Reference line value——參考線值。

1.2 EEDI參考線

IMO的秘書處在MEPC 62次會(huì)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(shù)。

表2 MEPC 62會(huì)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(duì)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(duì)氣體運(yùn)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(yán)格，見圖3。

雖然三大主力船型因?yàn)閰⒖季€放寬而使更多船舶得以滿足目前要求，但是氣體運(yùn)輸船因?yàn)樵O(shè)計(jì)較為復(fù)雜，所占比例較小，設(shè)置合理的參考線難度較大。因此，此次氣體運(yùn)輸船的參考線設(shè)置（即降低參考線值）引起SIGTTO（國(guó)際氣體運(yùn)輸船和岸站協(xié)會(huì)）等機(jī)構(gòu)的異議。

圖3 參考線對(duì)照[4～6]

2 船舶EEDI計(jì)算、證書申請(qǐng)和優(yōu)化實(shí)例分析

大型集裝箱船是當(dāng)前船舶市場(chǎng)熱門船型之一，以某大型集裝箱船（8000TEU級(jí)別）作為對(duì)象，從該型船的EEDI計(jì)算、證書申請(qǐng)到船舶優(yōu)化，詳細(xì)研究分析EEDI對(duì)船舶設(shè)計(jì)的影響。

2.1 EEDI計(jì)算

該船型的主要參數(shù)：

總長(zhǎng)：335.00m 主機(jī)：MAN-B&W 12K98ME-C

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

型寬：42.80m 主機(jī)油耗：171.45g/kW·h（75% SMCR）

型深：24.80m 發(fā)電機(jī)：Daihatsu 8DC-32

設(shè)計(jì)吃水：13.00m 發(fā)電機(jī)油耗：209.5g/kW·h（50%負(fù)荷）

結(jié)構(gòu)吃水：14.65m 最大載重量：101588.9t

航速（EEDI工況）：26.0kn

根據(jù)上述參數(shù)，該船的EEDI值[7]為：

式中：fj——用于補(bǔ)償船舶特殊設(shè)計(jì)因素的修正系數(shù)；

SFCME、 SFCAE——主機(jī)、輔機(jī)的單位燃油消耗，g/kWh；

CFME、CFAE——主機(jī)、輔機(jī)燃料的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)， gCO2/gfue；

PPTI——軸馬達(dá)功率，kW；

PAEeff——當(dāng)船舶在PME狀態(tài)下采用了創(chuàng)新型電力能效技術(shù)而減少的輔機(jī)功率，kW；

Peff——指由于采用了創(chuàng)新型機(jī)械式能效技術(shù)而減少的主機(jī)功率的75%，kW；

feff——反映創(chuàng)新型能效技術(shù)的修正系數(shù)；

fi——最大設(shè)計(jì)裝載工況修正系數(shù)；

fw——航速修正系數(shù)。

以MEPC.203(62)決議[3]提出的參考線標(biāo)準(zhǔn)（ 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(jī)采用新型的ME型低速柴油機(jī)，油耗相對(duì)較低；同時(shí)船體線型經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，船舶阻力較小；并且螺旋槳設(shè)計(jì)效率較高，使得EEDI計(jì)算值比參考線值約低7%，能效表現(xiàn)較好。

2.2 EEDI證書申請(qǐng)

EEDI已于MEPC62會(huì)議上通過，將于2013年強(qiáng)制執(zhí)行。設(shè)計(jì)方（或委托第三方）需計(jì)算EEDI指數(shù)并送呈檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可，待檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)（船級(jí)社等）認(rèn)可后船東（或船廠）可申請(qǐng)相應(yīng)的EEDI證書。證書申請(qǐng)流程見圖4。

申請(qǐng)EEDI證書主要是準(zhǔn)備EEDI信息資料文件，包括船舶基本信息和EEDI計(jì)算所需資料的文件，主要有該船的船名、IMO編號(hào)、入級(jí)編號(hào)及主尺度等基本信息，還有設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)吃水的排水量、載重量、空船重量，70%夏季載重線對(duì)應(yīng)的載重量及排水量，主機(jī)及發(fā)電機(jī)的數(shù)量與型號(hào)，主機(jī) 75%MCR（最大持續(xù)功率）下的單位油耗，發(fā)電機(jī)50%MCR（最大持續(xù)功率）的單位油耗，EEDI計(jì)算工況對(duì)應(yīng)的航速 Vref，船模試驗(yàn)基本信息，試航報(bào)告速度－功率曲線等。該文件需由設(shè)計(jì)方（或第三方）詳盡填寫，每條船配置一份，作為EEDI計(jì)算的支撐文件，既是EEDI計(jì)算核心內(nèi)容也是EEDI證書本身的一部分。

其中，3點(diǎn)較為關(guān)鍵：

1)夏季載重線下70%的載重量?jī)H針對(duì)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(dǎo)出對(duì)應(yīng)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(jī)（ SFCM/E）及發(fā)電機(jī)（ 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(shù)文件（即車間試驗(yàn)檢驗(yàn)記錄），且油耗值均應(yīng)按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)條件（ISO）進(jìn)行修正。

3)Vref對(duì)應(yīng)無風(fēng)無浪情況下，在主機(jī)的75%MCR（最大持續(xù)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(gè)階段，即通過船模試驗(yàn)推導(dǎo)出理論值為第一階段，試航結(jié)束后運(yùn)用試航結(jié)果對(duì)理論值加以修正為第二階段。在MEPC61/5/2會(huì)議上提出了一個(gè)包含 Vref推導(dǎo)（見圖5）及修正的草案。經(jīng)分析，該草案中 Vref修正可拆分為以下步驟：

(1)假定ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）15016航速修正方法與船廠自身的航速修正方法的比例系數(shù)恒定，推導(dǎo)出壓載狀態(tài)下75%MCR對(duì)應(yīng)ISO 15016修正方法的航速值。

圖4 EEDI證書申請(qǐng)流程[8]

式中， VT=Tb，75%MCR,fullscale(ISO)為壓載吃水、75%SMCR（最大額定持續(xù)功率）狀態(tài)下，ISO標(biāo)準(zhǔn)工況的航速；

VT=Tb，90%MCR,fullscale(ISO)為壓載吃水、90%SMCR狀態(tài)下，ISO標(biāo)準(zhǔn)工況的航速；

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

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

該步驟是將試航中的壓載狀態(tài)，90%SMCR功率下的航速修正到ISO標(biāo)準(zhǔn)工況，壓載狀態(tài)，75%SMCR功率下的航速。若航速修正方法與ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))修正方法相當(dāng)，此步驟可省略。

(2)根據(jù)船模試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果，推導(dǎo)設(shè)計(jì)吃水下75%SMCR的航速修正值。

式中， VT=Td，75%MCR,fullscale(ISO)為設(shè)計(jì)吃水、75%SMCR狀態(tài)下，ISO標(biāo)準(zhǔn)工況的航速；

VT=Tb，90%MCR,fullscale(ISO)為壓載吃水、90%SMCR狀態(tài)下，ISO標(biāo)準(zhǔn)工況的航速；

VT=Td，75%MCR,modelscale為設(shè)計(jì)吃水、75%SMCR狀態(tài)下，船模試驗(yàn)得到的航速；

VT=Tb，90%MCR,modelscale為壓載吃水、90%SMCR狀態(tài)下，船模試驗(yàn)得到的航速。

該步驟是將試航中的壓載吃水狀態(tài)，90%SMCR功率下的航速修正到ISO標(biāo)準(zhǔn)工況，設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)，75%SMCR功率下的航速。

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

式中：△——船舶排水量。

假定EEDI工況與船模試驗(yàn)設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)傅汝德系數(shù)（ Fn）相當(dāng)，利用海軍系數(shù)公式 (Δ2/3V3)/Pd（ Pd為螺旋槳收到的功率）推導(dǎo)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(duì)應(yīng)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(dǎo)流程

對(duì)比上述兩種方法，采用先行推導(dǎo)船模試驗(yàn)EEDI工況的速度——功率曲線的方法，較直接采用海軍系數(shù)法計(jì)算的EEDI航速值 Vref偏大0.3kn，EEDI指數(shù)偏小1.2%。雖然直接運(yùn)用海軍系數(shù)法計(jì)算得到的EEDI值更小，但由于海軍系數(shù)法本身為經(jīng)驗(yàn)公式，若直接運(yùn)用可能進(jìn)一步放大了由于估算而產(chǎn)生的誤差，導(dǎo)致Vref偏大。因此，采用推導(dǎo)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(qǐng)實(shí)例中，采用了該曲線推導(dǎo)方法，計(jì)算過程和結(jié)果均得到了德國(guó)船級(jí)社的認(rèn)可。證書樣本見圖6。

EEDI證書申請(qǐng)費(fèi)用包含兩個(gè)部分：生成EEDI技術(shù)文件及船級(jí)社頒發(fā)EEDI證書的費(fèi)用。其中，后者應(yīng)是歸屬于船廠與船級(jí)社的入級(jí)費(fèi)用，如同合同期簽署的其他證書費(fèi)用一樣。而對(duì)于前者，由于EEDI規(guī)則尚未生效，EEDI技術(shù)文件的格式尚未最終確定，故現(xiàn)階段請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)公司等生成EEDI技術(shù)文件的費(fèi)用是比較昂貴的。

圖6 EEDI證書樣本

2.3 船舶優(yōu)化分析

雖然該船的EEDI計(jì)算值比參考線值約低7%，能效較好，可滿足當(dāng)前EEDI要求，但是對(duì)于未來更加嚴(yán)厲的EEDI標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在必須考慮該船的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

對(duì)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(chǔ)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(chǔ)上降低20%[3]。因此，該船設(shè)計(jì)稍加改進(jìn)就能夠滿足階段1標(biāo)準(zhǔn)，但是要滿足階段2標(biāo)準(zhǔn)還有一段距離，需要進(jìn)行細(xì)致全面的優(yōu)化研究。見圖7。

2.3.1 階段1優(yōu)化

由于目前距離10%的折減系數(shù)僅有一步之遙，因此，滿足標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化措施較多：

1)配置軸帶發(fā)電機(jī)，提高能源利用效率；

2)在螺旋槳后安裝反轉(zhuǎn)的小型螺旋槳，提高推進(jìn)效率；

3)船底使用氣泡潤(rùn)滑，降低船舶阻力；

4)優(yōu)化線型，發(fā)掘船型快速性的潛能；

5)空船結(jié)構(gòu)重量控制與優(yōu)化，提升載重量。

2.3.2 階段2優(yōu)化

若要滿足階段2標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)改動(dòng)相對(duì)較大，主要措施有：

1)安裝廢熱回收裝置，能夠有效降低輔機(jī)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(zhuǎn)換系數(shù)），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?yàn)楹剿俸凸β食嗜畏疥P(guān)系，所以為得到較高航速需要付出更高的功率代價(jià)。因此，一定程度降低航速，不僅可以降低EEDI，而且能夠有效節(jié)省燃料，提高船舶運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)型；

4)應(yīng)用新型復(fù)合材料，降低空船重量；

5)應(yīng)用太陽能和風(fēng)能等清潔能源。

圖7 EEDI優(yōu)化措施

3 結(jié) 語

通過對(duì)EEDI規(guī)則最新發(fā)展的闡述，以及EEDI強(qiáng)制實(shí)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(duì)象，詳細(xì)介紹了該船的EEDI計(jì)算、證書申請(qǐng)以及設(shè)計(jì)優(yōu)化措施，為該船型設(shè)計(jì)及未來的改進(jìn)發(fā)展指明方向。EEDI不僅是能效的指數(shù)，更是衡量未來船舶設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要因素。希望通過此次點(diǎn)滴經(jīng)驗(yàn)，為EEDI概念在國(guó)內(nèi)的傳播與應(yīng)用作一些貢獻(xiàn)。

[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(píng)估方法研究[J].上海造船，2011, 87 (3): 62-66.