船舶主機(jī)選型對(duì)EEDI的影響

大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 張躍文 達(dá) 勇 鄒永久 王德春

船舶主機(jī)選型對(duì)EEDI的影響

大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 張躍文 達(dá) 勇 鄒永久 王德春

船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）是衡量船舶CO2排放水平的指標(biāo)，其實(shí)施后對(duì)船舶設(shè)計(jì)、建造提出了更高的要求。以82 000 DWT散貨船為例，從船舶動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)的角度，計(jì)算分析柴油機(jī)“功率儲(chǔ)備”、“減額輸出”、“電控技術(shù)”及“螺旋槳直徑”等選型因素對(duì)船舶EEDI指數(shù)產(chǎn)生的影響，為船舶動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)、選型提供參考和指導(dǎo)。

船舶柴油機(jī)；船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)；船舶設(shè)計(jì)；主機(jī)選型；EEDI

航運(yùn)業(yè)在貿(mào)易全球化的進(jìn)程中扮演著重要的角色，就單位載貨CO2排放量來(lái)說(shuō)，船舶運(yùn)輸較航空、鐵路的運(yùn)輸方式有較大的優(yōu)勢(shì)，但船舶承載著全球90%的運(yùn)輸量，數(shù)量眾多，且單船功率較大，因此其產(chǎn)生的CO2排放量和所消耗能源總量不容小覷。[1，2]2011年7月11日至15日，國(guó)際海事組織（IMO）召開海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）第62屆會(huì)議通過(guò)了MARPOL公約附則VI有關(guān)船舶能效規(guī)則的修正案。這是第一個(gè)專門針對(duì)國(guó)際海運(yùn)溫室氣體減排的強(qiáng)制性法律文件。修正案對(duì)船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）值作出了具體規(guī)定，還要求船舶經(jīng)營(yíng)人在船上配備船舶能效管理計(jì)劃（SEEMP）。修正案已于2013年1月1日生效。EEDI的強(qiáng)制性執(zhí)行，對(duì)船舶設(shè)計(jì)和建造提出了更高要求。本文從占整個(gè)船舶能耗80%以上的動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，分析船舶主機(jī)選型過(guò)程中各種因素對(duì)EEDI指數(shù)所造成的影響，為船舶設(shè)計(jì)、動(dòng)力裝置選型提供參考。

一、船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）計(jì)算

船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）可以簡(jiǎn)單理解為船舶設(shè)計(jì)單位載貨每海里的CO2排放量。該CO2排放量是船舶在最大載貨和規(guī)定功率下的航速運(yùn)行時(shí)，扣除因各種節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)而節(jié)約的燃料后，由船舶各機(jī)電設(shè)備所消耗的燃油量轉(zhuǎn)化而來(lái)的，與船舶燃料消耗率、主機(jī)功率、船舶航速和載重量等四個(gè)因素直接相關(guān)。圖1表示船舶機(jī)艙功率的分配布置，其中虛線表示的部分為EEDI計(jì)算時(shí)所需要的功率，主要分為推進(jìn)功率（軸功率）和副機(jī)功率兩大部分。推進(jìn)功率部分包括主機(jī)功率PME、軸馬達(dá)（柴油機(jī)-電力推進(jìn)）功率PPTI，及消耗軸功率的軸帶發(fā)電機(jī)功率PPTO。[3]

根據(jù)MEPC第63屆會(huì)議頒布的新造船能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算方法，EEDI計(jì)算公式如下：

其中：CF為CO2無(wú)量綱轉(zhuǎn)化系數(shù)；Vref為船舶航速，單位Kn；Capacity為船舶最大載重噸；P為功率，單位kW；SFC為發(fā)動(dòng)機(jī)核定的燃油消耗率；fj為修正船舶特殊性設(shè)計(jì)的無(wú)量綱系數(shù)；fw為船舶失速系數(shù)；feff(i)為新型節(jié)能技術(shù)可用性的無(wú)量綱系數(shù)；fi為考慮船舶因技術(shù)或法規(guī)對(duì)Capacity有所限制的無(wú)量綱修正系數(shù)。利用該計(jì)算方法，對(duì)目前市場(chǎng)上比較熱門的綠色Dolphin系列散貨船型（38.8K、64K和82K）進(jìn)行EEDI計(jì)算分析，[4-6]如圖2所示。

圖1 船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)所涉及的功率圖

圖2 三種散貨船型EEDI指數(shù)

三種綠色Dolphin系列散貨船（38.8K、64K和82K）均能滿足現(xiàn)階段EEDI基線的要求，而且載重量越大的船舶，其EEDI指數(shù)越??；載重量越小的船舶越容易滿足要求，如64K散貨船剛剛滿足Phase3要求，而82K散貨船僅滿足Phase2。因此隨著船舶大型化的發(fā)展趨勢(shì)，如果想要滿足越來(lái)越嚴(yán)格的EEDI基線要求，仍然需要更多的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于船舶上。本文僅從動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)、選型的角度討論提高船舶能效水平的方法。

二、船舶主機(jī)選型對(duì)EEDI的影響

對(duì)于同一種船型，在滿足其設(shè)計(jì)要求的航速和功率時(shí)，可以選擇不同型號(hào)的主機(jī)，而不同的主機(jī)選型對(duì)應(yīng)著不同的有效功率、燃油消耗率（SFOC）及螺旋槳參數(shù)，這勢(shì)必會(huì)引起EEDI值的變化。本文以82 000 DWT散貨船為研究對(duì)象，其在設(shè)計(jì)吃水（d=12.2 m）下，主機(jī)常用服務(wù)功率CSR點(diǎn)功率轉(zhuǎn)速為7 472 kW×83.2 r/min，海況儲(chǔ)備保留15%，服務(wù)航速14.3 kn。針對(duì)該功率輸出點(diǎn)，選取市場(chǎng)上82 000 DWT散貨船常用的4種機(jī)型，利用MAN B&W和瓦錫蘭公司所給的主機(jī)選型區(qū)域，并根據(jù)等航速線公式，[6，7]做常用主機(jī)選型區(qū)域圖，如圖3所示。圖中四個(gè)梯形（或四邊形）區(qū)域分別為6S60MC-C8.2、5S60MC-C8.2、5RT-flex58T-D、7S50MC-C8.2等機(jī)型的選型區(qū)域，兩條直線分別為滿足10%和25%海況功率儲(chǔ)備的主機(jī)約定最大持續(xù)功率SMCR或CMCR的等航速線。從中可以看出，以上四種機(jī)型都能滿足設(shè)計(jì)船舶的主機(jī)功率的需要。根據(jù)所選擇的功率點(diǎn)，在調(diào)整相應(yīng)的螺旋槳參數(shù)的前提下，研究了不同的主機(jī)選型對(duì)船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI產(chǎn)生的影響情況，其具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1計(jì)算結(jié)果可以看出，不同的主機(jī)選型對(duì)最終整艘船舶的能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI產(chǎn)生的影響程度不同，如選5S60MC-C8.2和7S50MC-C8.2，由于較小缸徑的主機(jī)在維持相同航速的情況下，轉(zhuǎn)速較高，螺旋槳直徑較小，推進(jìn)效率較低，需要的主機(jī)功率較高，導(dǎo)致EEDI值相比于5S60MC-C8.2機(jī)型要高6.61%左右；如選5S60MC-C8.2和5RT-flex58TD，其額定功率SMCR點(diǎn)相同，但由于5RT-flex58TD為電控柴油機(jī)，有較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和燃油消耗率，因而EEDI值要比5S60MC-C8.2低1.80%左右。而不同的主機(jī)功率儲(chǔ)備對(duì)EEDI造成的影響更大，具體分析如下。

圖3 82 000 DWT散貨船常用主機(jī)型號(hào)選型區(qū)域

表1 主機(jī)選型對(duì)EEDI值的影響

1.“功率儲(chǔ)備”對(duì)EEDI的影響

隨著船舶使用年限增加，船體污損、海生物附著及螺旋槳污損等情況會(huì)使船舶阻力較設(shè)計(jì)初始有所增加，為了使船舶在該種情況下仍能保持設(shè)定航速，設(shè)計(jì)階段對(duì)主機(jī)要留有一定的功率儲(chǔ)備。從表1的計(jì)算結(jié)果可以看出，5S60MC-C8.2和6S60MCC8.2二者的持續(xù)運(yùn)行功率點(diǎn)CSR相同，但5S60MCC8.2主機(jī)功率儲(chǔ)備為10%，6S60MC主機(jī)功率儲(chǔ)備為25%，由表中計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，“功率儲(chǔ)備”相差15%時(shí)，其EEDI值要比功率儲(chǔ)備小的主機(jī)高18.02%左右，這主要是因?yàn)橹鳈C(jī)的閑置功率過(guò)大，在EEDI工況下的功率值較大所致。

2. 主機(jī)“減額輸出”對(duì)EEDI的影響

“減額輸出”是目前較實(shí)用的柴油機(jī)節(jié)能降耗有效措施之一，各大柴油機(jī)生產(chǎn)廠家均推出這種實(shí)用的節(jié)能技術(shù)，即通過(guò)降低SMCR點(diǎn)的平均有效壓力，使最大爆發(fā)壓力與平均有效壓力比值升高，增大比值以提高柴油機(jī)的熱效率，降低燃油消耗率。表2是82 000 DWT散貨船在25%主機(jī)功率儲(chǔ)備下的主機(jī)選型，二者主機(jī)“減額輸出”不同。

由表2計(jì)算結(jié)果可以看出，“減額輸出”大的主機(jī)，即6S60MC-C8.2，其EEDI值要比“減額輸出”小的主機(jī)5S60MC-C8.2低2.63%左右，這是因?yàn)椤皽p額輸出”減少了主機(jī)燃油消耗率，從而使EEDI值降低。

表2 主機(jī)減額輸出對(duì)EEDI值的影響

3. 電控柴油機(jī)對(duì)EEDI的影響

電控柴油機(jī)通過(guò)電子控制燃油噴射、滑油注射及廢氣排放，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式控制，簡(jiǎn)化了柴油機(jī)結(jié)構(gòu)并提高可靠性。雖然電控柴油機(jī)和機(jī)械柴油機(jī)在MCR點(diǎn)有相同的燃油消耗率，但電控柴油機(jī)由于可以電子控制燃油噴射和廢氣排放，可以在部分負(fù)荷下調(diào)整噴油規(guī)律至最佳，因而在全功率范圍內(nèi)有更低的燃油和滑油消耗量。

圖4是S60機(jī)MC與ME機(jī)型燃油消耗率對(duì)比曲線，可見ME機(jī)型在低負(fù)荷區(qū)域內(nèi)性能更優(yōu)越。

表3為64 000 DWT和82 000 DWT兩種船型分別選取的MC和ME機(jī)型時(shí)EEDI計(jì)算結(jié)果。由該表計(jì)算結(jié)果可以看出，ME機(jī)型相對(duì)于傳統(tǒng)的MC機(jī)型，由于其在EEDI工況下有更低的燃油消耗率，故其EEDI值平均提高了2.45%左右。

圖4 MAN B&W S60機(jī)MC與ME機(jī)型燃油消耗率對(duì)比曲線

表3 電控柴油機(jī)對(duì)EEDI指數(shù)的影響研究

4. 螺旋槳直徑對(duì)EEDI的影響

通常情況下，在設(shè)計(jì)航速一定和螺旋槳的螺距比同為最優(yōu)的前提下，增大螺旋槳的直徑，可降低螺旋槳的轉(zhuǎn)速，提高其效率，進(jìn)而可減少主機(jī)功率的消耗。根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知，船舶螺旋槳直徑可由下列公式近似估算：

其中：nM為SMCR點(diǎn)轉(zhuǎn)速，r/min；Dprop為螺旋槳直徑，m；PM為SMCR點(diǎn)功率，kW；C為常數(shù)，取決于螺旋槳葉數(shù)。

根據(jù)上述公式，定量分析不同螺旋槳直徑對(duì)主機(jī)SMCR點(diǎn)的影響，如圖5所示。計(jì)算出不同螺旋槳直徑對(duì)船舶EEDI值的影響，見表4。

圖5 82 000 DWT散貨船不同槳徑隨對(duì)應(yīng)的主機(jī)功率輸出

表4 螺旋槳直徑對(duì)EEDI的影響

由表4計(jì)算結(jié)果可以看出，在船舶航速相同的前提下，隨著螺旋槳直徑的增大，主機(jī)SMCR點(diǎn)的功率隨之減小，螺旋槳的直徑平均每增加0.2 m，船舶的EEDI值降低1.05%。

三、結(jié)論

船舶動(dòng)力裝置作為船舶的“心臟”，其性能的好壞將直接影響整艘船舶。本文以82 000 DWT散貨船為例，對(duì)船舶動(dòng)力主機(jī)選型過(guò)程中的各個(gè)影響因素對(duì)船舶EEDI產(chǎn)生的影響進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，柴油機(jī)“功率儲(chǔ)備” “減額輸出”“電控技術(shù)”及“螺旋槳直徑”等四個(gè)因素對(duì)EEDI值分別產(chǎn)生18.02%、2.63%、2.45%和1.05%左右的影響，“功率儲(chǔ)備”增大、“減額輸出”降低、“螺旋槳直徑”減小均會(huì)增加船舶EEDI值。但考慮船舶安全性、初始投資及技術(shù)限制等因素，上述各參數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)均受到一定約束，所以船舶主動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)選型應(yīng)在綜合考慮各種約束的基礎(chǔ)上，適當(dāng)調(diào)整上述參數(shù)，以提高整船的能效水平。

[1]諸琳.對(duì)新造船能效設(shè)計(jì)指數(shù)的思考[J].船舶工程,2012(1): 29-31.

[2]楊昺崧,孫培廷,黃連中,等.風(fēng)翼助航船舶的能效設(shè)計(jì)指數(shù)[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2011(4):39-40.

[3]2012 Guidelines on the method of calculation of the attained energy efficiency design index (EEDI) for new ships [R].Resolution MEPC 212(63),2 March 2012.

[4]Resolution MEPC.212(63).2012 Guidelines on The Method of Calculation of The Attained Energy Efficiency Design Index (EEDI) for New Ships[S].London:IMO,2012.

[5]楊世知,范強(qiáng),周逸民.船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)解讀及溫室氣體減排措施分析[J].船海工程,2012(6):1-5.

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10.16176/j.cnki.21-1284.2015.11.009