基于37 000 DWT沥青船EEDI和最小推进功率的研究与分析

孙海晓

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

2011年7月，国际海事组织（IMO）在英国伦敦召开了海上环境保护委员会MEPC第62届会议，并以MEPC.203（62）决议的形式通过了国际防止船舶污染海洋公约（MARPOL）附则VI有关船舶能效规则的修正法案，即增加关于新船能效设计指数（EEDI）和船舶能效管理计划（SEEMP）的要求，并于2013年1月1日正式生效。

近年来设计的船舶，纷纷通过降低主机功率和航速来满足EEDI的要求。但是主机装机功率过低会造成船舶在恶劣海况下无法保持航向稳定性甚至无法逃离危险区域，从而引发安全事故。因此，2013年5月份在英国伦敦召开的国际海事组织海上环境保护委员会MEPC第65届会议，通过并以MEPC.232（65）决议的形式发布了“2013恶劣海况下维持船舶操纵性的最小推进功率临时导则”。目的是防止在船舶设计中为满足EEDI的要求而过分降低装机功率，从而引起船舶在恶劣海况中无法维持其操纵性，并提供了两层评估方法，即Assessment Level 1和 Assessment Level 2。MEPC.232（65）决议附则中规定该决议适用于20 000 DWT及以上的船舶。

2015年5月，海上环境保护委员会MEPC第68次会议对MEPC.232（65）中的第一层评估方法（Assessment Level 1）进行了修订，并以MEPC.262（68）决议的形式发布。本文通过对MEPC.232（65）和MEPC.262（68）中主机最小推进功率的第一层评估方法进行对比，结合最小推进功率的最低要求，对某37 000 DWT沥青船EEDI进行计算分析，并利用第二层评估方法对该船的最小装机功率进行验证，对MEPC.262（68）决议修订的合理性提出了部分质疑，以期为此类决议的修订和部分类似船型的推进方案设计提供一定的参考。

1 最小推进功率第一层评估方法

MEPC.232（65）和 MEPC.262（68）中关于最小推进功率的第一层评估方法公式相同 ［见式（1）］，仅系数不同，均基于对现有船型的统计分析。

最小推进功率：

式中：a、b 为系数。

表1为MEPC.232（65）中的系数，表2为MEPC.262（68）中的系数。对比表1和表2，不难发现，散货船按照载重量分成了两个阶段，相对于MEPC.232（65），MEPC.262（68）的要求有一定的提高，见图1。对于载重量等于20 000 t的散货船，最小推进功率增加最多，约为14%，见图2。

表1 MEPC.232（65）第一层评估方法参数

表2 MEPC.262（68）第一层评估方法参数

图1 散货船最小推进功率对比

图2 散货船差异百分比

图3 油船最小推进功率对比

图4 油船差异百分比

图3 和图4为第一层评估方法中对油船最小推进功率的要求对比，可见MEPC.262（68）相对于MEPC.232（65），最小推进功率对油船的要求有着大幅度的提高，尤其对于载重量较小的油船，对于载重量等于20 000 t的油船，最小推进功率增加约56.8%。

2 最小推进功率下EEDI航速要求

对于某一型船，其达到的EEDI指数由式（2）进行计算：

为方便研究，假定某一船为单机单桨、无轴带发电机、无冰区要求、无CSR附加标志的常规油船，则上述达到的EEDI指数公式可由式（3）表示：

式中：PME=0.75 MCR；

当MCR≥10 000 kW时，PAE=0.025MCR+250

当 MCR＜10 000 kW 时，PAE=0.05MCR

要求达到的EEDI参考基线见式（4）：

式中：对于油船，a、b、c 系数取值见表 3。

表3 油船EEDI参考线计算参数

对于各阶段的折减系数见表4。

表4 油船EEDI各阶段折减系数

EEDI各阶段最低要求与载重量的关系见图5。

图5 EEDI最低要求与载重量关系

由于燃油消耗率相对于载重量对EEDI影响较小，且大多数低速主机实际台架试验测得的燃油消耗率多集中在同一水平，因此假定SFCME=170 g/kW·h，SFCAE=220 g/kW·h，则可以得到在EEDI最低要求下的载重量与航速的函数关系曲线，见图6～图8。可见在同时满足第一层评估方法的最小推进功率和EEDI的条件下，MEPC.262（68）对航速的要求相对于MEPC.232（65）有着明显的提高，即使在航速要求的最低点，载重量约等于100 000 t的油船，其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段的航速要求也分别达到了13.8 kn、15.5 kn、17.7 kn，显然对于一般的常规油船设计是难以实现的。对于载重量略大于20 000 t的油船，其航速指标根本无法达到。

图6 第I阶段EEDI航速要求

图7 第Ⅱ阶段EEDI航速要求

图8 第Ⅲ阶段EEDI航速要求

3 37 000 DWT沥青船主机最小功率EEDI核算

37 000 DWT沥青船是由上海船舶研究设计院独立自主研发设计的世界上最大的沥青船。首制船由中航鼎衡造船有限公司2015年完成建造。EEDI计算属油船范畴，首制船满足EEDI第II阶段的要求，因其良好的性能颇受船东好评，加之近些年沥青船市场升温，因此有意向建造此船的船东越来越多。

37000DWT沥青船主机型号为YMD－WARTSILA 5RT－flex50D，MCR 为 6 400 kW， 满足 MEPC.232（65）第一层评估方法的最小推进功率要求。但是根据MEPC.262（68）的要求，其主机最小推进功率需要达到0.065 2×37 000+5 960.2=8 372.6 kW，远远超过了 MEPC.232（65）的要求。

根据37 000 DWT沥青船的船模试验报告，拟合主机0.75MCR与航速的航速功率曲线，近似取SFCME=170 g/kW·h，SFCAE=220 g/kW·h，绘制主机功率MCR与EEDI的函数曲线，见图9。

图9 37 000 DWT沥青船主机功率与EEDI关系曲线

由图9可见，EEDI随着主机MCR的降低而递减，降低主机功率可有效降低EEDI。当满足EEDI第1阶段（图中双点划线）时，主机功率需要满足小于 8 170 kW，而此时利用 MEPC.262（68）第一层评估方法计算的主机最小功率至少需要8 372.6 kW，中间没有任何交集，也就是说，按照MEPC.262（68）的要求，无论如何都需要进行第二层方法的评估。

4 37 000 DWT沥青船第二层评估方法MCR核算

第二层评估方法流程如图10［1］所示。

图10 主机最小功率第二层评估方法校核流程

其中：vs为船舶结构吃水下，恶劣海况下的最小航行速度，取4 kn和vck中较大值。vck为保持航向的最小速度，根据舵面积、船体水线以上正投影面积，侧向投影面积计算。Rcw为静水阻力，对于散货船、油船和兼装船可忽略兴波阻力，由图10中经验公式计算。Rair为空气阻力，由图10中经验公式计算。Raw为波浪增阻， 可由 ITTC 7.5－02 07－02.1 和 7.5－02 07－02.2推荐的耐波性试验程序进行试验得到，或者由主管机关认可的理论方法计算。Rapp为附体阻力，可由经验公式计算。

对于 37 000 DWT 沥青船，Rcw、Rair、Rapp均可由船模试验报告数据进行插值计算。Raw由三维势流理论HydroSTAR软件进行计算。推力减额因子t可由船模试验或经验公式保守估算，t=0.7w。w为伴流分数，可从船模试验或根据推荐表格计算。T为螺旋桨推力。根据螺旋桨敞水性能试验，确定螺旋桨的进速系数J。n为螺旋桨转速，KQ为螺旋桨扭矩系数，根据J在螺旋桨敞水特征曲线上插值计算。PD为螺旋桨收到功率，Q 为螺旋桨扭矩，Qmax（n）为主机最大扭矩。 如果 Q＜Qmax（n），则满足最小推进功率评估要求，否则不满足要求。

将恶劣海况定义的有义波高4 m（L＜200 m），谱峰周期 7.0～15.0 s的波浪谱应用于 37 000 DWT沥青船波浪增阻计算。计算结果如表5所示。其中Qmax（n）在低功率点处的数值由主机特性曲线得到，见图11。

表5 37 000 DWT沥青船主机最小功率第二层评估方法核算

图11 37 000 DWT沥青船主机特性曲线

5 结语

在环境状况日益恶化的今天，EEDI的相关法案的生效是应对海洋环境污染的一个有效手段，同时满足最小推进功率又是保证船舶海上航行安全的重要措施，两者互相矛盾，又相辅相成。本文通过对比 MEPC.232（65）和 MEPC.262（68）中最小推进功率的第一层评估方法，并结合EEDI简化计算，对37 000 DWT沥青船进行了EEDI评估，和最小推进功率的第二层方法的核算，可得出以下的结论：

1） MEPC.262（68）对 MEPC.232（65）中最小推进功率第一层评估方法的修订，对散货船的设计影响较小，而对油船影响较大，尤其对20000～50000DWT的油船，主机功率需增加40%～50%。MEPC.262（68）于2015年11月份正式生效，因此此后签订建造合同的油船，在初期报价设计采用第一层评估方法确定最小推进功率时，在主机选型上需要格外谨慎。

2）对于常规油船的设计，在同时满足第一层评估方法对最小推进功率的要求和EEDI要求的情况下，航速需要达到一个很高的水平，显然对于一般的常规油船设计是难以实现的，侧面也反映出MEPC.262（68）修订对于油船的要求过于苛刻，存在其不合理的地方。

3）37 000 DWT沥青船属油船的范畴，根据船模试验数据，通过绘制主机功率和EEDI的关系曲线，可以发现满足EEDI第1阶段要求的主机功率和满足第一层评估方法要求的最小功率完全没有任何交集，无任何型号的主机可用，也即是说，第一层评估方法不适用于此级别油船的最小推进功率的评估。

4）37 000 DWT沥青船通过第二层评估方法计算，船舶在恶劣海况中达到最小航行速度时，主机所发出的推进功率仅2 186 kW，但此时螺旋桨转速较低，主机还要受自身扭矩限界线的限制。采用第二层评估方法可以有效降低对主机装机功率的要求，但第二层评估方法需要的参数众多，虽然部分给出了经验公式的计算方法，仍有部分参数需要试验来进行验证，例如船舶的波浪增阻、螺旋桨的特性曲线等。在市场化竞争日益激烈的今天，报价迅速化程度无疑成为设计院所争取订单的有利手段，然而最小推进功率评估的第一层评估方法的不合理性和第二层评估方法中评估参数的滞后性无疑给船舶报价埋下了巨大的隐患，应引起设计者足够的重视。