最小推進(jìn)功率臨時(shí)導(dǎo)則及其對(duì)選取主機(jī)功率點(diǎn)的影響

次洪恩，謝仲安

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引 言

2013年1月1日，船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)EEDI）正式生效，這是第一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)國(guó)際海運(yùn)溫室氣體減排的強(qiáng)制性法律文件。EEDI是CO2排放量與船舶運(yùn)輸能力的比值，EEDI值越小，船舶的能效越好。由于EEDI計(jì)算公式中，分子為CO2產(chǎn)生量，主要與船舶主機(jī)在75%SMCR的油耗成正比。分母為載重量與航速的乘積。由于主機(jī)功率近似與航速的三次方成正比，對(duì)某一型船而言，通過(guò)降低主機(jī)功率可使EEDI有顯著的降低。但主機(jī)功率過(guò)低將導(dǎo)致船舶在惡劣海況下無(wú)法保持航向或者發(fā)生漂移，在海上航行時(shí)可能出現(xiàn)危險(xiǎn)。

1 規(guī)范背景

為了防止主機(jī)功率過(guò)度降低而引起船舶在惡劣海況下失去操縱性，國(guó)際海事組織（IMO）早在 2010年第61屆環(huán)保會(huì)上就提出“對(duì)于適用于EEDI的船舶，裝機(jī)推進(jìn)功率不應(yīng)小于在惡劣海況下維持操縱性所需的最小推進(jìn)功率”。并且要求國(guó)際船級(jí)社聯(lián)合會(huì)（IACS）對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步研究。

在第62屆環(huán)保會(huì)上，IACS在MEPC 62/5/19提案中提出制定該規(guī)則面臨的主要問(wèn)題：缺乏惡劣海況下的操縱性標(biāo)準(zhǔn)、惡劣海況沒(méi)有明確定義、可用的試驗(yàn)設(shè)施較少、數(shù)值模擬工具不成熟等。為此，IACS建議采取兩個(gè)階段進(jìn)行評(píng)估。簡(jiǎn)單評(píng)估方法僅考慮迎風(fēng)迎浪工況下的最小前進(jìn)速度，綜合評(píng)估不僅考慮迎風(fēng)迎浪的最小前進(jìn)速度，還需要同時(shí)考慮回轉(zhuǎn)能力、航向穩(wěn)定性。

為簡(jiǎn)化評(píng)估方法，IACS等國(guó)際組織在第64屆環(huán)保會(huì)（MEPC64）的提案MEPC 64/4/13中增加了最小功率線的評(píng)估方法，會(huì)上IMO以MSC-MEPC.2/Circ.11[1]通函發(fā)布了“船舶在惡劣海況下維持操縱性的最小推進(jìn)功率確定臨時(shí)導(dǎo)則”，并在2013年第65屆環(huán)保會(huì)上對(duì)海況定義進(jìn)行了修訂，發(fā)布了MEPC.232(65)[2]決議案。該決議案適用時(shí)間為EEDI第0階段（2013年1月1日至2014年12月31日），而在第1階段及后續(xù)階段中將會(huì)制定新的規(guī)則[3]。

2 最小功率導(dǎo)則內(nèi)容解讀

MEPC.232(65)決議案采用最小功率線和簡(jiǎn)化評(píng)估方法對(duì)最小推進(jìn)功率進(jìn)行評(píng)估，滿足其中任何一種即認(rèn)為滿足要求。

兩種評(píng)估方法關(guān)注點(diǎn)并不相同，最小功率線評(píng)估方法的核心是考核主機(jī)在最大轉(zhuǎn)速下可發(fā)出的最大功率，參考線通過(guò)統(tǒng)計(jì)資料回歸得到。簡(jiǎn)化評(píng)估方法的核心是船舶在指定的海況條件下，達(dá)到規(guī)范要求的前進(jìn)速度，考核主機(jī)是否可以發(fā)出船舶需要的功率和扭矩。

2.1 最小功率線法

最小功率線是根據(jù)統(tǒng)計(jì)法回歸得到的曲線。該曲線選用了與EEDI參考線相同的船舶數(shù)據(jù)庫(kù)。其確定原則是保證90%的船舶裝機(jī)功率在最小功率線之上[3]。最小功率線僅與船型及載重量相關(guān)。

最小功率線值=a×(DWT)+b

式中：DWT——船舶的載重量（t）；a和b為參數(shù)（見(jiàn)表1）。

表1 確定最小功率的參數(shù)

2.2 簡(jiǎn)化評(píng)估法

如果船舶裝機(jī)功率無(wú)法滿足最小功率線要求，可采用簡(jiǎn)化評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)估。簡(jiǎn)化評(píng)估確定的衡準(zhǔn)有兩條：

1) 從保證航行安全的角度，船舶需要在任何風(fēng)向和浪向條件下，都能夠滿足一定的航速，以保證船舶在惡劣海況到來(lái)之前離開(kāi)該海區(qū)，從而減少航行風(fēng)險(xiǎn)；

2) 船舶在任何風(fēng)向和浪向條件下能夠保持航向（最小航向保持速度），減小因風(fēng)浪造成的不利航向而在波浪中過(guò)度運(yùn)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。保持航向不僅與航速/主機(jī)功率有關(guān)，而且和舵面積、受風(fēng)面積等相關(guān)。例如，舵面積較大的船舶即使發(fā)動(dòng)機(jī)功率較小，也能保持航向；同樣的，側(cè)面受風(fēng)面積較大的船舶與受風(fēng)面積較小的船舶相比，需要更大的功率以保持航向。進(jìn)行簡(jiǎn)化評(píng)估的船舶，舵面積需不小于按寬度影響修正的側(cè)面浸水面積的0.9%。

在迎風(fēng)迎浪條件下要求的前進(jìn)速度為以下兩者的較大值：

(1) 最小航行速度4kn；或

(2) 最小航向保持速度。

最小航向保持速度Vck，是為了保證船舶在所有方向的風(fēng)浪條件下保持航向。對(duì)舵面積較大的船舶，可在基準(zhǔn)航向保持速度Vref基礎(chǔ)上進(jìn)行折減。

Vck=Vref-10.0×(AR-0.9)

式中：Vref——基準(zhǔn)前進(jìn)速度，其值根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到；AR——實(shí)際舵面積與按寬度影響修正的側(cè)面浸水面積的百分比。

基準(zhǔn)前進(jìn)速度Vref取決于正面受風(fēng)面積與側(cè)面受風(fēng)面積之比AF/AL，當(dāng)AF/AL=0.1為9.0kn，AF/AL=0.4為4.0kn；受風(fēng)面積之比位于中間則進(jìn)行線性插值。

在確定前進(jìn)速度之后，計(jì)算船舶在該航速下的阻力，阻力分為靜水阻力（僅考慮摩擦阻力）、空氣阻力、附體阻力和波浪增阻。除波浪增阻外，其他阻力均可以通過(guò)公式計(jì)算得到。由于波浪增阻與船型密切相關(guān)，波浪增阻結(jié)果需要通過(guò)規(guī)則波試驗(yàn)或使用主管機(jī)關(guān)認(rèn)可的其他等效方法得到。在1階段及之后，可能會(huì)采用經(jīng)驗(yàn)公式方法估算波浪增阻，以簡(jiǎn)化計(jì)算。

總阻力得到之后，可以計(jì)算達(dá)到該航速時(shí)螺旋槳需要的收到功率、對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速以及扭矩。校核推進(jìn)系統(tǒng)是否能夠發(fā)出足夠的推力和扭矩。對(duì)柴油機(jī)而言，可用功率被扭矩限制線所限制，因此還需要評(píng)估在對(duì)應(yīng)主機(jī)轉(zhuǎn)速下的扭矩是否超出了主機(jī)的扭矩限制。因此采用簡(jiǎn)化評(píng)估方法評(píng)估與主機(jī)特性曲線直接相關(guān)。

3 柴油機(jī)主機(jī)特性

按簡(jiǎn)化評(píng)估方法確定的前進(jìn)速度通常較小，在指定的惡劣海況條件下，相對(duì)的風(fēng)浪裕度百分比更大，螺旋槳處于重載狀態(tài)。此時(shí)主機(jī)可能無(wú)法提供螺旋槳所需的功率和扭矩。

主機(jī)特性曲線見(jiàn)圖1[4]（圖1中使用了指數(shù)坐標(biāo)系），其中直線1是通過(guò)主機(jī)SMCR點(diǎn)的主機(jī)特性曲線，設(shè)計(jì)中考慮轉(zhuǎn)速裕度，螺旋槳設(shè)計(jì)點(diǎn)在直線6上的PD點(diǎn)（0.9/1.15=0.78）。直線6.2、6.3是風(fēng)浪中的螺旋槳曲線。直線4是主機(jī)的轉(zhuǎn)速扭矩限制線。

規(guī)范中定義的前進(jìn)速度一般較小（4～9kn），在風(fēng)浪裕度較小的情況下，主機(jī)對(duì)應(yīng)的負(fù)荷較低。在惡劣海況中，為保證船舶前進(jìn)速度不變，主機(jī)轉(zhuǎn)速可以進(jìn)一步提高。螺旋槳進(jìn)速系數(shù)減小，扭矩增加，主機(jī)負(fù)荷點(diǎn)發(fā)生偏移。如圖2是某船在低航速下，在不同海況下螺旋槳工作點(diǎn)與主機(jī)特性曲線的關(guān)系(采用常規(guī)坐標(biāo)系)。如果根據(jù)簡(jiǎn)化評(píng)估方法得到的主機(jī)點(diǎn)落在直線4的左側(cè)，證明主機(jī)在指定轉(zhuǎn)速下的功率無(wú)法滿足船舶前進(jìn)速度的要求。即主機(jī)不滿足最小推進(jìn)功率要求。

圖1 不同螺旋槳負(fù)荷對(duì)應(yīng)的主機(jī)特性曲線

圖2 不同海況下螺旋槳工作點(diǎn)

4 評(píng)估實(shí)例

目標(biāo)船為20.8萬(wàn)t散貨船，根據(jù)最小功率線校核，裝機(jī)要求為17214kW，根據(jù)該船設(shè)計(jì)航速指標(biāo)，選擇的指定最大可持續(xù)功率（SMCR）為15131kW就足夠了。

如果將SMCR提高到17214kW附近，雖然在常用持續(xù)功率（CSR）點(diǎn)的燃油消耗率（SFOC）可以減少0.5g/kWh，但在經(jīng)濟(jì)航速11kn附近，SFOC將增加約3g/kwh，不利于降低營(yíng)運(yùn)成本。因此該船若將SMCR維持在15131kW，需采用簡(jiǎn)化評(píng)估方法進(jìn)行校核（見(jiàn)圖3）。

圖3 不同主機(jī)功率點(diǎn)燃油消耗率對(duì)比

為了獲得波浪增阻的值，進(jìn)行了相關(guān)的船模試驗(yàn)。通常波高較小的波浪可簡(jiǎn)化為線性波，但規(guī)范中定義的試驗(yàn)波高為 5.5m，波高與波長(zhǎng)之比較大，并非理想意義上的線性波，因此非線性影響應(yīng)該要考慮。

當(dāng)波長(zhǎng)≈船長(zhǎng)時(shí)，船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及波浪增阻值最大[5,6]，因此選擇了典型波浪周期的不規(guī)則波進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)根據(jù)MSC-MEPC.2/Circ.11，采用了6m不規(guī)則波。

該船船長(zhǎng)300m，與此對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的譜峰周期約14s，平均周期約10s。試驗(yàn)采用了平均周期10s的不規(guī)則波進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)規(guī)范確定的前進(jìn)速度為5.7kn，靜水阻力192kN，空氣阻力279kN，附體阻力1.2kN，經(jīng)試驗(yàn)確定的波浪增阻為402kN。根據(jù)螺旋槳推進(jìn)效率計(jì)算，所需功率約5800kW，在對(duì)應(yīng)5.7kn航速下所需要的扭矩為1244kNm。主機(jī)在對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的功率以及對(duì)應(yīng)扭矩均可滿足簡(jiǎn)化評(píng)估要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

降低主機(jī)裝機(jī)功率是減小EEDI的最簡(jiǎn)單有效的方法，但過(guò)低的主機(jī)裝機(jī)功率可能使船舶在惡劣海況下出現(xiàn)危險(xiǎn)。因此在EEDI生效的時(shí)間范圍內(nèi)，最小推進(jìn)功率問(wèn)題將長(zhǎng)期存在。

降低主機(jī)功率可以得到優(yōu)秀的EEDI指標(biāo)，而降低營(yíng)運(yùn)成本需綜合考慮主機(jī)、螺旋槳和船體阻力等的影響。因此綠色船舶需綜合優(yōu)化線型、主機(jī)功率點(diǎn)、螺旋槳及節(jié)能裝置、船體結(jié)構(gòu)等。

[1] MSC-MEPC.2/Circ.11. Interim Guidelines for Determining Minimum Propulsion Power to Maintain the Manoeuvrability of Ships in Adverse Conditions[S].

[2] MEPC.232(65) 2013. Interim Guidelines for Determining Minimum Propulsion Power to Maintain the Manoeuvrability of Ships in Adverse Conditions[S].

[3] MEPC 64/INF.7. Air Pollution and Energy Efficiency[S].

[4] MAN B&W Diesel Group Copenhagen. Basic Principles of Ship Propulsion [EB/OL]. http://www.mandieselturbo.com

[5] 葉海軒，沈志榮，萬(wàn)德成. 迎浪規(guī)則波中波浪增阻和船體垂向運(yùn)動(dòng)的數(shù)值預(yù)報(bào)[J]. 船舶與海洋工程學(xué)報(bào)，2012(4): 413.

[6] 吳小平. 40萬(wàn)DWT超大型礦砂船耐波性分析[J]. 上海造船，2009(4): 19-24.