新巴拿馬型散貨船滿足EEDI第3階段方案分析

張丁標， 張 迪， 盧園園， 丘妙銀

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715；2.廣船國際有限公司，廣東 廣州 511462)

0 引 言

國際海事組織(IMO)的海上環(huán)境保護委員會(MEPC)第62屆會議在2011年7月11日～15日召開，審議并通過能效設計指數(Energy Efficiency Design Index，EEDI)文本，會議以MEPC.203(62)決議通過《MARPOL 附則Ⅵ修正案》(引入EEDI條款)及船舶能效管理計劃(Ship Energy Efficiency Management Plan，SEEMP)要求，該修正案于2013年1月1日生效。EEDI是船舶消耗的能量換算為CO2排量和船舶有效能量換算為CO2排量的比例指數，其適用于400 t及以上國際航行的所有新船和重大改建的現有船。EEDI計算方法詳見中國船級社關于實施《2018年新船達到的能效設計指數(EEDI)計算方法指南》(MEPC.308(73))的技術通告。《MAPROL附則Ⅵ》對新建船舶不同能效削減階段要求的具體時間如表1所示。

表1 《MAPROL附則Ⅵ》對新建船舶不同能效削減階段要求的具體時間

由表1可看出：2025年1月1日及以后簽訂造船合同的散貨船須滿足EEDI第3階段的要求。

1 新巴拿馬型散貨船現狀

2016年新巴拿馬運河正式開通運營，針對其設計的新型散貨船船寬由32.3 m增加至48.2 m，其運輸經濟性得到很大提高，大量舊式巴拿馬散貨船將逐步被新巴拿馬型散貨船替代。目前，市場上成功開發(fā)的適用于新巴拿馬運河的船型不多，可供船舶所有人選擇的較少，滿足EEDI第3階段要求的船型目前市場鮮有，因此結合EEDI公式、綜合節(jié)能方法、軸帶發(fā)電機、軸帶發(fā)電機加節(jié)能裝置、主機選型等技術展開分析，以期達到滿足EEDI第3階段的要求。

2 基于EEDI第3階段技術手段分析

目前，通過對設計過程進行優(yōu)化，可達到EEDI第2階段要求[1]，通過對行業(yè)內比較流行的工藝如采用廢熱回收節(jié)能技術(包括線型設計、高效螺旋槳、節(jié)能裝置)的研究，發(fā)現仍然難以出現質的提升，各減排措施預期效果如表2所示。

由表2可看出：當選用替代燃料，如使用液化天然氣燃料時，可大幅降低碳排放，因此選用替代燃料被認為是未來最具有潛力滿足EEDI第3階段要求的技術方案。然而，新巴拿馬型散貨船的平均造價約2 600萬美元，而1套適用于新巴拿馬型散貨船的液化天然氣雙燃料系統(tǒng)包括雙燃料發(fā)電機組、雙燃料主機、雙燃料組合鍋爐、液化天然氣供氣系統(tǒng)、C形獨立罐等設備，其報價在800萬美元以上，并且考慮全球船舶液化天然氣加氣站仍較少且并非主流船型、船舶所有人對采用液化天然氣燃料系統(tǒng)意愿較低等情況，選用液化天然氣燃料不適合項目研發(fā)。

表2 各減排措施預期效果 %

根據EEDI公式，在不采用液化天然氣燃料和新能源的情況下，單獨優(yōu)化其他任意一個參數都很難滿足EEDI第3階段要求。以項目航速為例，在其他參數不變的前提下，航速由14.00 kn提高至15.20 kn才能滿足EEDI第3階段要求，而新巴拿馬型散貨船無法達到。這就意味著需要采取綜合節(jié)能技術措施進一步降低EEDI指數。

3 綜合節(jié)能方法

綜合節(jié)能方法主要包括：(1)線型優(yōu)化，即在總體條件如載重、總布置等基本不變的前提下，通過船體線型優(yōu)化降低船體阻力，包括靜水中的阻力和波浪增阻，船體線型特別是艉部線型的優(yōu)化可提升船身效率和相對旋轉效率；(2)螺旋槳優(yōu)化設計，主要對螺旋槳盤面比、直徑、負荷分布等 3 個方面進行優(yōu)化，提升螺旋槳效率；(3)加裝水動力節(jié)能裝置，即在船體艉部增設附加裝置，如前置預旋導輪、前置定子、伴流補償導管、消渦鰭等，目的是降低船尾流動能量損失，提高推進效率[2]。然而，目前線型優(yōu)化、高效螺旋槳設計及節(jié)能裝置優(yōu)化已達到較高水平，這幾項技術的進一步提升將越來越困難。通過與世界知名水池實驗室合作，對該船的船體線型進行多次優(yōu)化，并委托水池實驗室進行螺旋槳設計，根據專家評估，即便增加節(jié)能裝置，航速也僅能提高0.10～0.20 kn，節(jié)能效果有限。

4 軸帶發(fā)電機方案

根據EEDI計算公式，船舶配置軸帶發(fā)電機能明顯起到降低EEDI數值的作用。

根據新巴拿馬型散貨船為定距槳，主機采用MAN B&W 6S60ME，其持續(xù)常用功率的轉速為76.3 r/min，航速為13.83 kn，選用1臺800 kW軸發(fā)，軸發(fā)轉速為700.0～1 500.0 r/min，軸發(fā)恒定輸出功率點的主機轉速為60.0～84.0 r/min，主機在60.0 r/min以下不考慮使用軸發(fā)。在航行工況下，可使用軸帶發(fā)電機向船上設備供電。軸發(fā)的選型方案分為主機自由端安裝形式和主機輸出端安裝形式。

根據EEDI公式對方案進行計算后得到：(1)EEDI理論計算值為2.994 003 441；(2)EEDI第3階段基線值為2.998 095 55；(3)EEDI理論計算值低于基線值約30.095 543 18%。

通過上述計算，采用軸帶發(fā)電機方案理論上能滿足EEDI第3階段要求，但通過布置后發(fā)現，還需要綜合考慮船體結構、軸帶發(fā)電機組、變壓器、齒輪箱、短軸、彈性聯軸器等設備的布置情況。

5 軸帶發(fā)電機+節(jié)能裝置方案

節(jié)能裝置主要通過改善螺旋槳進流，使其更加均勻，有效減少船尾的水流分離現象；使槳前流預旋，把原來尾流中損失的旋轉能轉化為推力功；產生附加推力等方式提高整個推進系統(tǒng)的能量利用效果。目前，取得較顯著節(jié)能效果的裝置包括：舵球、補償導管、前置導管、槳前整流鰭、舵附推力鰭、槳后固定葉輪等。

方案結合軸帶發(fā)電機并加裝槳前后節(jié)能裝置，對應航速增加至13.89 kn，對其進行相應計算。

根據EEDI公式對方案進行計算后得到：(1)EEDI理論計算值為2.981 070 381；(2)EEDI第3階段基線值為2.998 095 55；(3)EEDI理論計算值低于基線值約30.397 506 27%，滿足EEDI第3階段的要求。

通過上述計算，采用軸帶發(fā)電機+節(jié)能裝置方案理論上能滿足EEDI第3階段要求。

6 主機選型方案

對于同一種船型，在滿足其設計要求的航速和功率時，可選擇不同型號的主機，而不同的主機選型對應不同的有效功率、燃油消耗率及螺旋槳參數，這勢必會引起EEDI指標的變化[3]。

主機功率的大小與EEDI 指標密切相關，由于功率和航速的三次方成正比，功率增加，航速增大，但功率增大的比例遠大于航速，因此功率選擇應適當，否則功率選取過大，EEDI 指標難以滿足，且造成不必要的浪費。

以新巴拿馬型散貨船為研究對象，通過選取較恰當的額定最大持續(xù)功率點，以便選取與船舶性能匹配度較好的機型，對不同型號的主機給EEDI值造成的影響進行研究[4]。選取常用的主機MAN 6S60ME-C10.5與MAN 5G60ME-C10.5進行計算比較,兩者的參數對比如表3所示。

表3 新巴拿馬型散貨船常用主機參數對比

分別采用EEDI公式對MAN 6S60ME-C10.5與MAN 5G60ME-C10.5主機進行計算。對MAN 6S60ME-C10.5進行計算后得到：(1)EEDI理論計算值為3.216 454 662；(2)EEDI第3階段基線值為2.998 096；(3)EEDI理論計算值低于基線值約24.901 653 7%，不滿足EEDI第3階段的要求。對MAN 5G60ME-C10.5進行計算后得到：(1)EEDI理論計算值為2.966 134 833；(2)EEDI第3階段基線值為2.998 096；(3)EEDI理論計算值低于基線值約30.746 164 88%。

綜上所述，采用MAN 5G60ME-C10.5機型，主機持續(xù)常用功率日油耗比MAN 6S60ME-10.5機型低0.15 t/d，在持續(xù)常用功率工況下航速保持約13.70 kn，75%主機最大持續(xù)功率的EEDI理論計算值滿足第3階段的要求。

所進行的計算屬于理論值計算，在實船項目中，根據IMO的規(guī)范要求，建造完畢的船舶需要進行試航試驗，以便得到基于實船表現的 EEDI 指數[5-6]。在特別需要考慮試航時，存在主機的吃水、海況、環(huán)境等方面的變化，在實際航行中各種工況也易使實測值與相對理論值存在一定的偏差，導致無法滿足EEDI 第3階段的要求。因此，建議在理論計算過程中， EEDI要求的30%減排值須留有一定計算裕量。

7 結 語

基于目前新巴拿馬型散貨船項目的研發(fā)，通過對各方案的分析與計算，除綜合節(jié)能方法節(jié)能效果有限外，其他幾種方案在理論上均可滿足EEDI第3階段要求。隨著2025年日益臨近，相應技術方案也會引起高度的重視和研究，并加以完善。研究結果可對相關船型的設計起到一定的引領與指導作用。