大型LNG船能效設(shè)計指數(shù)提升研究
2021-10-15 05:41:04翁振勇楊春華
江蘇船舶 2021年3期
翁振勇，楊春華
(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)
0 引言
目前,全球氣候變暖問題日趨嚴(yán)峻,由此導(dǎo)致的各類問題正嚴(yán)重威脅著人類的生存環(huán)境，因此氣候變暖已成為全世界共同關(guān)注的問題。為減少全球氣候變暖對環(huán)境帶來的影響，國際海事組織(IMO)制定了各類船型的能效設(shè)計指數(shù)(Energy Efficiercy Design Index，EEDI)計算方法。2011年7月15日，海洋環(huán)境保護(hù)委員會(MEPC)形成MEPC.203(62)決議，將船舶能效規(guī)則納入MARPOL 附則 VI，并于2013年1月1日生效。之后，MARPOL 附則 VI經(jīng)過了數(shù)次修訂。
2020年11月，IMO召開MEPC 75會議，通過收集和分析滿足EEDI要求的船舶能效的相關(guān)數(shù)據(jù)，將集裝箱船、雜貨船、LNG運(yùn)輸船、具有非傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)的豪華郵輪和15 000載重噸以上的氣體運(yùn)輸船的EEDI第3階段執(zhí)行日期由2025年1月1日提前至2022年4月1日，并對不同船型的EEDI進(jìn)行了修正，要求也越來越高。同時，針對新造船的EEDI第4階段要求也在制定當(dāng)中。MEPC 74會后成立的EEDI第4階段通信工作組向MEPC 75會議提交了工作報告，并就EEDI第4階段要求如何助力實現(xiàn)減排初步戰(zhàn)略2050進(jìn)行了討論。上述一系列EEDI相關(guān)決議及措施的發(fā)布都充分表明全球在控制溫室氣體排放最終實現(xiàn)零碳排放目標(biāo)的決心，而在零碳燃料和新能源技術(shù)普及之前，LNG因具有燃燒后對空氣污染小且放出的熱量大等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)是一種較為理想的清潔能源。
為控制和減少二氧化碳的排放，更好地執(zhí)行EEDI標(biāo)準(zhǔn)，本文以17萬立方米級LNG船為研究對象，介紹EEDI發(fā)展歷程，提出最新雙燃料低速機(jī)直推型LNG船EEDI的具體計算方法，并結(jié)合不同節(jié)能裝置給出提升大型LNG船EEDI的可行性方案，對其他同類型雙燃料低速機(jī)直推型船EEDI計算有一定的借鑒意義。
1 EEDI通用數(shù)學(xué)模型
船舶能效設(shè)計指數(shù)EEDI是經(jīng)過計算得出的一個無量綱數(shù)值，目的在于通過數(shù)值計算得出船舶運(yùn)輸每噸貨物每海里所排放的CO數(shù)量。針對新造船，EEDI限值按照不同年限分成4個階段(Phase 0、1、2、3)，要求新造船的能效水平達(dá)到相應(yīng)階段的能效限值,進(jìn)而使得船舶能效得到持續(xù)有效的提高，以降低CO排放。
IMO對400總噸以上的不同船型的新造船都設(shè)定了EEDI能效限值，公式如下：
EEDI能效限值=ab
(1)
式中：a
、c
為無量綱系數(shù)；b
為載重量；a
、b
、c
的值根據(jù)船型不同，取值也不相同。根據(jù)MEPC.245(66)決議，單個具體新造船的EEDI能效設(shè)計指數(shù)按照以下通用公式(2)計算：
(2)
式中：P
為EEDI工況下主機(jī)功率；C
為主機(jī)燃料碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，根據(jù)不同類型燃料選取；SFC
為EEDI工況下船舶主機(jī)的單位油耗；P
為輔機(jī)功率；C
為輔機(jī)燃料碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，根據(jù)不同類型燃料選?。?p>SFC為EEDI工況下輔機(jī)的單位油耗；f
為船舶特定設(shè)計要素的修正系數(shù)；P
為軸馬達(dá)功率；f
為新技術(shù)及設(shè)備系數(shù)；P
為減少的輔機(jī)功率；P
為創(chuàng)新機(jī)械能效技術(shù)輸出；f
為裝載量因數(shù)；f
為艙容修正系數(shù)；f
為對一般船舶因安裝起重機(jī)或貨物船東設(shè)備而引起載重量損失的修正系數(shù)；Capacity
為不同船型的載重量或總噸；f
為由浪流、風(fēng)等不良海況引起的船舶減速影響系數(shù)；V
為特定功率和負(fù)載條件下的船舶航速。2 雙燃料低速機(jī)直推大型LNG船EEDI計算方法
2.1 不同推進(jìn)系統(tǒng)對大型LNG船EEDI計算值的影響
按照推進(jìn)系統(tǒng)的不同，大型LNG船可分為蒸汽透平推進(jìn)、低速柴油機(jī)推進(jìn)、雙燃料中速機(jī)電力推進(jìn)、雙燃料低速機(jī)直推等4種推進(jìn)系統(tǒng)。不同的推進(jìn)系統(tǒng)，IMO對其EEDI的計算方法也大不相同。某17萬立方米級LNG船型采用不同推進(jìn)系統(tǒng)得出的EEDI比較結(jié)果見表1。從表中可以看出：雙燃料中速機(jī)及雙燃料低速機(jī)直推型LNG船均可滿足EEDI Phase III要求。然而，一旦IMO發(fā)布更嚴(yán)格的碳排放要求，雙燃料中速機(jī)加減速齒輪箱的推進(jìn)型式將很難滿足，這主要是由于采用該推進(jìn)方式的LNG船，整個推進(jìn)鏈比較復(fù)雜，傳動效率較低。而采用雙燃料低速機(jī)直推LNG船以推進(jìn)效率更高、油耗更低、能效設(shè)計指數(shù)更好等特點(diǎn)受到廣大船東的青睞，成為近年來大型LNG船的主流推進(jìn)系統(tǒng)。
表1 不同推進(jìn)系統(tǒng)LNG船EEDI對照表
2.2 雙燃料推進(jìn)船型主燃料判定
實際運(yùn)營過程中，雙燃料低速機(jī)直推型LNG船有燃?xì)饽Ｊ郊叭加湍Ｊ娇蛇x。根據(jù)MEPC.308(73)要求，在進(jìn)行該船型的EEDI計算之前，需要對哪種燃料作為船舶推進(jìn)的主燃料進(jìn)行判定，判定公式具體如下：
K
liquid()+V
·ρ
·LCV
·K
)(3)
式中：V
為各燃料艙的總艙容；ρ
為各燃料密度；LCV
為各燃料熱值；K
為各燃料的燃料艙裝載率。上述公式的本質(zhì)在于判定燃料艙裝載至限制液位的情況下，LNG燃料占總?cè)剂系谋戎?，若計算得?p>f的值大于0.5，則可判定LNG作為推進(jìn)主燃料；反之，可判定常規(guī)燃料作為主燃料。對于大型雙燃料低速機(jī)直推型LNG船，其貨艙艙容遠(yuǎn)大于普通燃料艙，而且一般該船型都會在2～3個貨艙內(nèi)配置燃?xì)獗孟蛑鳈C(jī)輸送天然氣作為燃料，即貨艙艙容可直接作為LNG燃料艙進(jìn)行計算，因此大型雙燃料低速機(jī)直推型LNG船的f
值必然大于0.5。綜上所述，對于雙燃料低速機(jī)直推型LNG船，可用LNG作為主燃料進(jìn)行EEDI計算。
2.3 雙燃料低速機(jī)推進(jìn)LNG船的EEDI計算數(shù)學(xué)模型
對于采用雙燃料低速機(jī)直推型LNG船，其雙燃料主機(jī)及雙燃料發(fā)電機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较碌挠秃挠?部分組成：主燃料天然氣和點(diǎn)燃油MDO/MGO，需要分別計算碳排放。因此，MEPC.245(66)根據(jù)通用EEDI計算公式衍生出適用于雙燃料船型的EEDI計算公式如下：
EEDI
=|[P
·(C
·SFC
+C
·SFC
) ]+[P
·(C
·SFC
+C
·SFC
)]|/(V
·Capacity
)(4)
式中：P
為主機(jī)EEDI功率點(diǎn)消耗功率，取最大持續(xù)輸出功率(P
)的75%；P
為發(fā)電機(jī)消耗功率，計算公式為：P
=0.025P
+250+0.02P
，或者按照實際電力負(fù)荷計算書取值；C
為點(diǎn)燃油的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，本船型采用MDO/MGO作為點(diǎn)燃油，因此該系數(shù)取3.206；C
為天然氣的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，取2.75；SFC
為燃?xì)饽Ｊ较轮鳈C(jī)及發(fā)電機(jī)燃?xì)饧包c(diǎn)燃油的單位油耗，g/kWh；V
為夏季載重線吃水、75%P
工況下船舶對應(yīng)航速，通過實船試航并使用ISO 15016:2015航速修正方法后得到，kn；Capacity
為夏季載重線吃水下船舶載重量，t。從上面公式計算得出，當(dāng)前采用雙燃料低速機(jī)直推的大型LNG船型，EEDI低于基線值50%以上，低于2022年液化天然氣船舶EEDI第3階段30%的要求。
3 節(jié)能裝置對大型LNG船EEDI提升效果評估
近年來，隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)及越來越嚴(yán)苛的碳排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺，越來越多的船東、船廠及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開始著手研究進(jìn)一步提升船舶EEDI的可能性。大型LNG船作為清潔能源的運(yùn)輸船，其EEDI指數(shù)降低更具先鋒作用。
從式(3)、式(4)中看出，降低主/輔機(jī)油耗、降低主/輔機(jī)功率、提升船舶推進(jìn)性能、降低空船重量、增加載重量等措施都有利于降低EEDI。本節(jié)將著重闡述節(jié)能裝置對大型LNG船EEDI的提升效果。
3.1 軸帶發(fā)電機(jī)對LNG船EEDI影響
軸帶發(fā)電機(jī)工作的基本原理是船舶主機(jī)充分利用其自身的功率儲備余量直接或通過變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。軸帶發(fā)電機(jī)可有效提升船舶運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性、改善機(jī)艙環(huán)境、減少后期維修成本。
根據(jù)MEPC.245(66)規(guī)定，對安裝軸帶發(fā)電機(jī)的船型，P
計算公式如下：
(5)
式中：P
為每臺主機(jī)的額定裝機(jī)功率(MCR)減去軸帶發(fā)電機(jī)功率(P
PTO())后的75%；P
PTO()為每一臺軸帶發(fā)電機(jī)的75%輸出功率除以該軸帶發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。上述公式表明，在計算帶有PTO的主推進(jìn)功率時，要將PTO部分減去，即MCR
-P
，該部分功率的75%去重新計算相對應(yīng)的航速V
，而P
的降低必然會引起V
的同步減少，因此需要通過計算確認(rèn)PTO是否對EEDI值有正面作用。以某雙燃料低速機(jī)直推型LNG船為例，根據(jù)式(3)、式(4)，考慮配置PTO的影響，計算得出配置軸帶發(fā)電機(jī)可以使該船型EEDI能效設(shè)計指數(shù)在50%～60%的基礎(chǔ)上再有2%～3%的提升。
由此可見，在確定主機(jī)選型，即保持SMCR不變的前提下，配置PTO會直接減少P
的值，雖然V
也會相應(yīng)降低，但總體來講P
的降低對EEDI的貢獻(xiàn)值更大，因此安裝PTO對EEDI能效設(shè)計指數(shù)有非常顯著的正面作用。3.2 安裝空氣潤滑系統(tǒng)對LNG船EEDI影響
降低船舶航行過程中的阻力、提高船舶航速也能提升EEDI。在不改變船體線型的前提下，船舶的興波阻力和壓差阻力不會變化，要減少阻力唯有通過減少摩擦阻力來實現(xiàn)。
空氣潤滑技術(shù)近年來在23 000 TEU集裝箱船、17.4萬mLNG船上應(yīng)用過?？諝鉂櫥到y(tǒng)(Air Lubrication System，ALS)就是利用空氣與水在密度和黏度上的差異，向船體底部注入適量氣體，在船舶底部形成并保持氣液混合層或氣層，可以減少船舶的實際浸濕面積和減小船舶摩擦阻力。
對于安裝空氣潤滑系統(tǒng)的船，其EEDI變化需根據(jù)式(2)中的新技術(shù)能效設(shè)計指數(shù)部分體現(xiàn)。EEDI計算公式分解見圖1。
圖1 EEDI計算公式分解
對于安裝空氣潤滑系統(tǒng)的船舶，需要根據(jù)節(jié)能效果對P
進(jìn)行相應(yīng)折減。但由于空氣潤滑系統(tǒng)運(yùn)行時，其系統(tǒng)本身消耗的功率會大大增加發(fā)電機(jī)負(fù)荷，這部分功率也必須進(jìn)行相應(yīng)考慮。同樣地，以某LNG船船型為例，對安裝ALS的LNG船船型EEDI計算發(fā)現(xiàn)，安裝ALS對該船型的EEDI貢獻(xiàn)值僅有0.2%～0.3%的提升。由此可見，安裝ALS會降低P
,但同時會增加P
，而且由于規(guī)范規(guī)定對于安裝ALS的船舶，V
的提升不得計入EEDI計算公式，因此安裝ALS對EEDI雖有貢獻(xiàn)但效果不明顯。4 結(jié)論
(1)采用傳統(tǒng)二沖程低速柴油機(jī)作為推進(jìn)方式的大型LNG船，EEDI已經(jīng)無法滿足第3階段的要求；雙燃料中速機(jī)+減速齒輪箱的推進(jìn)方案， EEDI能效設(shè)計指數(shù)也能滿足第3階段的要求。但如果往后有更加苛刻的要求出現(xiàn)的話，就無法滿足EEDI的要求。目前最佳的EEDI是采用雙燃料低速機(jī)直推的方案。EEDI指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于第3階段的要求，而且有著相當(dāng)大的余量，即使未來提出更為苛刻的要求，也能很容易滿足。
(2)在不改變船型SMCR的前提下，利用螺旋槳轉(zhuǎn)速裕度配置軸帶發(fā)電機(jī)可有效提升EEDI。
(3)對于配置ALS的LNG船型，需要綜合考慮ALS工作時主機(jī)功率降低及輔機(jī)功率增加因素，而且由于航速提升不能計入公式進(jìn)行計算，因此對EEDI能效設(shè)計指數(shù)貢獻(xiàn)非常有限。
