基于降低船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)值的研究

王　強(qiáng)

(青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院， 山東 青島 266071)

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基于降低船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)值的研究

王強(qiáng)

(青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院， 山東 青島 266071)

摘要EEDI(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)公式分析其內(nèi)涵、意義，以及EEDI參考線的回歸計(jì)算。通過分析實(shí)施新的EEDI時(shí)對(duì)船舶的影響，得出降低EEDI值的常用方法，研究結(jié)果可以為船舶設(shè)計(jì)者在進(jìn)行相關(guān)船舶的EEDI 計(jì)算時(shí)提供參考和指導(dǎo)，具有較好的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞節(jié)能減排EEDI參考線方法

0引言

能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI(Energy Efficiency Design Index)是IMO最新推出的衡量船舶能效水平的指標(biāo)，用船舶能效用CO2排放量和貨運(yùn)能力的比值來表示。2011年7月，在MEPC 第62 次會(huì)議上，通過了包括EEDI在內(nèi)的《國際防止船舶造成環(huán)境污染公約》附則六，關(guān)于船舶能效規(guī)則的修正案，該規(guī)則適用于國際航行400總噸及以上船舶，于2013年1月1日生效，并將于2015年起執(zhí)行。EEDI 能效規(guī)則的強(qiáng)制實(shí)施，對(duì)于中國造船業(yè)、航運(yùn)業(yè)將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2015年起新造船舶將強(qiáng)制遵守CO2排放標(biāo)準(zhǔn)， EEDI的提出對(duì)造船工藝、船型設(shè)計(jì)、創(chuàng)新型節(jié)能技術(shù)應(yīng)用等提出了更高的要求。因此，通過降低EEDI值來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是目前和將來船舶設(shè)計(jì)中最重要的要求之一。

1EEDI概述

船舶運(yùn)輸是石油消費(fèi)的重點(diǎn)行業(yè)，也是溫室效應(yīng)氣體(GHG)和大氣污染排放的重要來源之一，與綠色船舶技術(shù)相關(guān)的國際規(guī)范公約等強(qiáng)制性文件也相繼出現(xiàn)。能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)是國際海事組織(IMO)最新推出的衡量船舶能效水平的指標(biāo)，降低由于EEDI強(qiáng)制實(shí)施帶來的不利影響成為航運(yùn)業(yè)和修造船領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1.1EEDI公式內(nèi)涵

CO2排放量的計(jì)算，可通過船舶在設(shè)計(jì)載貨狀態(tài)下，以一定航速航行時(shí)，所需主推進(jìn)動(dòng)力和相關(guān)輔助功率消耗的燃油計(jì)算得出；即船舶裝載1 t貨物、航行1海里時(shí)，所需燃燒的燃油數(shù)量，通過換算可以得出CO2的排放量。IMO推出EEDI的目的是激勵(lì)船舶設(shè)計(jì)者和船東通過應(yīng)用節(jié)能技術(shù)和技術(shù)改進(jìn)使新造船舶盡可能達(dá)到較高的能效標(biāo)準(zhǔn)，以減少船舶排放CO2的量。

EEDI的計(jì)算公式為

(1)

式中：

EME為船舶主機(jī)保證一定航速運(yùn)輸該裝載量所需的主推進(jìn)功率與所消耗燃油之乘積，單位：g。

EAE為保證主機(jī)在EME所述的狀態(tài)下工作所需的副機(jī)功率與所消耗燃油之乘積，單位：g。

EPTI為當(dāng)船舶有軸帶電機(jī)與廢熱回收系統(tǒng)時(shí)對(duì)軸功率的貢獻(xiàn)與副機(jī)燃油消耗之乘積，單位：g。

Eeff為采用新的節(jié)能技術(shù)減少燃油消耗所帶來的船舶能效的提高，單位：g。

EEDI 公式主要參數(shù)及其意義：

(1) CF為無量綱碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，基于含碳量將燃油消耗量轉(zhuǎn)換為CO2排放量；CFME為主機(jī)碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，CFAE為輔機(jī)碳轉(zhuǎn)換系數(shù)。

不同燃料所對(duì)應(yīng)的CF值(tCO2/tFuel)：柴油CF=3.186，輕燃油CF=3.151，重燃油CF=3.114；液化石油氣CF=3.0(丙烷)，CF=3.03(丁烷)；液化天然氣CF=2.75。

(2) Vref為船速(kn)。

(3) Capacity為船舶裝載量。

(4) nME為主機(jī)臺(tái)數(shù)。

(5) nAE為副機(jī)臺(tái)數(shù)。

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

(7) PPTI(i)為每臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)額定功率值除以效率后的75%時(shí)的功率值。

(8) PAEeff(i)為采用能效技術(shù)創(chuàng)新后，輔機(jī)功率為未采用技術(shù)創(chuàng)新時(shí)輔機(jī)功率的75%。

(9) Peff(i)為采用能效技術(shù)創(chuàng)新后，主機(jī)功率為未采用技術(shù)創(chuàng)新時(shí)主機(jī)功率的75%。

(10) PAE為正常最大海況下所需要的副機(jī)功率。

(11) SFC為柴油機(jī)核定的單位油耗率(g/kWh)；SFCME為主機(jī)燃油消耗率，SFCAE為副機(jī)燃油消耗率。

(12) fj為船舶采用特殊設(shè)計(jì)增加船舶動(dòng)力修正系數(shù)。

(13) fw為耐波性系數(shù)，包含因浪高、波浪頻率和風(fēng)速導(dǎo)致船舶減速的因素。

(14) fi為裝載量修正系數(shù)，補(bǔ)償因規(guī)定要求或技術(shù)而限制了船舶的裝載能力。

(15) feff(i)為反映創(chuàng)新能效技術(shù)的可利用率，對(duì)于廢熱回收系統(tǒng)該值取1.0。

(16) m為船舶使用的特殊設(shè)計(jì)數(shù)。

(17) fc為船舶貨船的容積修正系數(shù)。

1.2EEDI參考線

EEDI參考線代表當(dāng)代船舶CO2排放量的平均水平。EEDI值合格與不合格是通過EEDI參考線來判斷的。超過參考線值的EEDI是不合格的，低于參考線值的EEDI是合格的。

基于假設(shè)條件，MEPC 62/6/4中確定了參考線的計(jì)算公式，即EEDI基線回歸公式為

(2)

基線(Reference line)：BLV=α·Capacity

基線參數(shù)a、c已經(jīng)DNV、GL計(jì)算確定。

折減率：

其中，2013.01.01～2014.12.31, X=[0]；2015.01.01～2019.12.31, X=[0～10]；2020.01.01～2024.12.31, X=[0～20]；2025.01.01～2029.12.31, X=[0～30]。

一艘新造船所得到的Attained EEDI稱為A，將其所需的Required EEDI稱為R，則應(yīng)該A

2強(qiáng)制執(zhí)行EEDI的影響

就目前在市場上運(yùn)營的中國船舶而言，能達(dá)到EEDI標(biāo)準(zhǔn)的船太少。若船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)在2015年強(qiáng)制實(shí)施，被強(qiáng)制淘汰或進(jìn)入優(yōu)化序列的船舶將不在少數(shù)。為了進(jìn)入國際市場，船東必須改進(jìn)不滿足要求的船型，增加船舶能效。EEDI對(duì)生產(chǎn)工藝技術(shù)、船舶設(shè)計(jì)、新能源技術(shù)、配套設(shè)備應(yīng)用等提出了較高要求。船東將把EEDI 作為新造船的硬性指標(biāo)，EEDI 將直接影響造船工業(yè)的核心競爭力。

將來，如果船舶沒有獲得EEDI認(rèn)證，某些國家或港口將不準(zhǔn)進(jìn)入。因此對(duì)于船東而言，將影響其船舶的全球運(yùn)營能力；對(duì)于國家而言，也將對(duì)整個(gè)船舶工業(yè)帶來極大的影響。船舶企業(yè)將在這場競爭中，面臨生存的挑戰(zhàn)。EEDI的強(qiáng)制執(zhí)行將迫使船舶企業(yè)采用各種方法來降低新造船的EEDI值，以使自己的船舶可以有資格進(jìn)入市場。

3降低EEDI值的常用方法

提高船舶能效，降低EEDI值，需要優(yōu)化船型設(shè)計(jì)，開發(fā)新船型；采用新能源技術(shù)；提高船體效率；盡量減少空船重量，提高載重量，并降低主機(jī)、副機(jī)油耗，船舶設(shè)計(jì)及建造中盡量使用輕型材料、節(jié)能技術(shù)。目前可考慮采用滿足EEDI要求的基本途徑如圖1所示。

圖1　改善EEDI技術(shù)途徑示意圖

3.1優(yōu)化船型設(shè)計(jì)，開發(fā)新船型

3.1.1小水線面雙體船型

開發(fā)小水線面雙體船型能適應(yīng)波浪中航行, 且阻力小。此種船型的船體由上、下體組成,上體為主船體, 下體為輔船體, 由支柱相連接, 將主船體絕大部分容積抬出水面。因此, 具有興波阻力及波浪干擾力作用小的特點(diǎn), 在高速航行時(shí)快速性、航向穩(wěn)定性及耐波性均好。該船型適用于小型巡邏艇、軍用輔助船和豪華型海峽渡船等。

3.1.2新Y型縱流槽船型

新Y 型縱流槽船型也稱PY 船型, 是對(duì)船艏部和艉部同時(shí)進(jìn)行開發(fā)研究的一種整體新船型，Y 船型可改善船軸部位螺旋槳處的來流狀態(tài),使流態(tài)相對(duì)穩(wěn)定, 可使螺旋槳工作在較均勻的艉部流場中, 以提高推進(jìn)效率?？痛?、巡邏艇、旅游船以及大型港口渡輪等, 可選用此船型。

3.1.3球尾船型

該船型的特征是在船體滿吃水線處的尾部區(qū)設(shè)有一個(gè)長度約1% ～ 2%的船長, 寬度窄小的尾端形體。它是根據(jù)流體力學(xué)原理, 利用球尾產(chǎn)生與船艉尾波相反等幅的波, 以降低興波高度，從而減少能量損失, 以降低船舶阻力，該船型一般可節(jié)省主機(jī)功率7% ～ 9% 。

3.2采用新能源技術(shù)

3.2.1風(fēng)帆助航柴油機(jī)船

對(duì)海洋風(fēng)力的利用可以進(jìn)一步降低船舶的燃油消耗。風(fēng)帆助航船舶不僅能滿足當(dāng)前國際航運(yùn)減排的要求，同樣滿足未來低碳社會(huì)的要求。

圖2是二十世紀(jì)70年代日本 JAMDA 公司研發(fā)的裝有鋁合金曲面硬帆的“Shin-Aitoku Maru號(hào)”船舶，這是風(fēng)帆動(dòng)力概念船舶的一次偉大挑戰(zhàn)。

圖2　日本JAMDA 公司“Shin-Aitoku Maru”號(hào)

3.2.2馬達(dá)助動(dòng)式帆船

從CO2零排放船舶的角度考慮，馬達(dá)助動(dòng)式帆船在未來低碳社會(huì)是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢。通過借助風(fēng)力，使商船燃油消耗降低50%的“風(fēng)挑戰(zhàn)者”計(jì)劃，該項(xiàng)目主體是18萬噸級(jí)的好望角型散貨船“風(fēng)挑戰(zhàn)者號(hào)”，“風(fēng)挑戰(zhàn)者號(hào)”在海上航行的模擬圖如圖3所示，在港口收起帆的模擬圖如圖4所示?！帮L(fēng)挑戰(zhàn)者號(hào)”船上裝有9支可以360°旋轉(zhuǎn)以適應(yīng)風(fēng)向的碳纖維復(fù)合材料硬帆，并且可以通過帆內(nèi)部的機(jī)械裝置將帆縮起。

圖3　在海上滿帆狀態(tài)的“風(fēng)挑戰(zhàn)者”

圖4　在港口縮起風(fēng)帆的“風(fēng)挑戰(zhàn)者”

3.2.3使用液化天然氣燃料

使用LNG作為船舶燃料的優(yōu)勢：(1) 低排放，幾乎可以100%減排硫氧化物和顆粒物質(zhì)、減少85%～90%氮氧化物和15%～20% CO2的排放，用于船舶燃料的LNG可完全替代燃油。(2) 安全可靠，LNG屬低溫液體，即使發(fā)生泄漏事故時(shí)也會(huì)很快自然氣化，其密度比空氣輕，在發(fā)生泄漏時(shí)會(huì)自動(dòng)向上溢開，不會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生污染；天然氣的燃點(diǎn)比汽柴油更高，瞬間著火比油慢，易擴(kuò)散，不易達(dá)到爆炸極限。(3) 價(jià)格低廉，天然氣的儲(chǔ)量豐富，液化天然氣的現(xiàn)貨價(jià)格約為柴油的1/4～1/3。液化天然氣以其環(huán)境效益顯著的優(yōu)勢，將成為未來船用燃料的首選。

3.3提高船體效率的技術(shù)方法

3.3.1居住區(qū)風(fēng)壓減阻技術(shù)

居住區(qū)風(fēng)壓減阻技術(shù)[MT-COWL]可在船舶航行時(shí)降低居住區(qū)風(fēng)壓阻力，通過對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，測試出該技術(shù)能減少10%的風(fēng)壓阻力。據(jù)估計(jì)，該技術(shù)如果應(yīng)用到18萬噸級(jí)散貨船上，預(yù)計(jì)可提高燃油的燃燒效率,每年可減少約520 t CO2的排放。

[MT-COWL]技術(shù)是在居住區(qū)的駕駛臺(tái)側(cè)翼部和支柱部的前方，通過安裝箱型的附加物使其成為傾斜角形狀(見圖5)，設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮了駕駛臺(tái)側(cè)翼部和支柱部前方占居住區(qū)整體約30%的面積，力求進(jìn)一步降低風(fēng)壓阻力。

圖5　居住區(qū)風(fēng)壓減阻技術(shù)

3.3.2氣泡潤滑技術(shù)

氣泡潤滑技術(shù)是采用在船體下方噴入氣體的方式，通過船舶底部的小孔向水流噴射微型氣泡，以干

[下轉(zhuǎn)第54頁]

Research on Value Reduction of Energy Efficiency Design Index

WANG Qiang

(Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao Shandong 266071, China)

AbstractEEDI is an assessment index of CO2emission during the voyage of the ship. Base on the interim guidance formula of EEDI proposed in MEPC.59, this article analyzes its connotation and the meaning, then conducts the regression calculation of reference line of EEDI. According to the impact analysis of the new EEDI value, the common method of EEDI value reduction is reached. The result can provide a reference and a guidance in relevant EEDI calculation for ship designer, and has a good practicability.

KeywordsEnergy conservation and emission reductionEnergy efficiency design indexLine of referenceMethod

中圖分類號(hào)U662

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡介：王強(qiáng)(1984-)，男，碩士研究生。