新巴拿马型散货船满足EEDI第3阶段方案分析

2021-10-28张丁标卢园园丘妙银

造船技术 2021年5期

张丁标，张迪，卢园园，丘妙银

(1.中船黄埔文冲船舶有限公司，广东广州 510715；2.广船国际有限公司，广东广州 511462)

0 引言

国际海事组织(IMO)的海上环境保护委员会(MEPC)第62届会议在2011年7月11日～15日召开，审议并通过能效设计指数(Energy Efficiency Design Index，EEDI)文本，会议以MEPC.203(62)决议通过《MARPOL 附则Ⅵ修正案》(引入EEDI条款)及船舶能效管理计划(Ship Energy Efficiency Management Plan，SEEMP)要求，该修正案于2013年1月1日生效。EEDI是船舶消耗的能量换算为CO2排量和船舶有效能量换算为CO2排量的比例指数，其适用于400 t及以上国际航行的所有新船和重大改建的现有船。EEDI计算方法详见中国船级社关于实施《2018年新船达到的能效设计指数(EEDI)计算方法指南》(MEPC.308(73))的技术通告。《MAPROL附则Ⅵ》对新建船舶不同能效削减阶段要求的具体时间如表1所示。

表1 《MAPROL附则Ⅵ》对新建船舶不同能效削减阶段要求的具体时间

由表1可看出：2025年1月1日及以后签订造船合同的散货船须满足EEDI第3阶段的要求。

1 新巴拿马型散货船现状

2016年新巴拿马运河正式开通运营，针对其设计的新型散货船船宽由32.3 m增加至48.2 m，其运输经济性得到很大提高，大量旧式巴拿马散货船将逐步被新巴拿马型散货船替代。目前，市场上成功开发的适用于新巴拿马运河的船型不多，可供船舶所有人选择的较少，满足EEDI第3阶段要求的船型目前市场鲜有，因此结合EEDI公式、综合节能方法、轴带发电机、轴带发电机加节能装置、主机选型等技术展开分析，以期达到满足EEDI第3阶段的要求。

2 基于EEDI第3阶段技术手段分析

目前，通过对设计过程进行优化，可达到EEDI第2阶段要求[1]，通过对行业内比较流行的工艺如采用废热回收节能技术(包括线型设计、高效螺旋桨、节能装置)的研究，发现仍然难以出现质的提升，各减排措施预期效果如表2所示。

由表2可看出：当选用替代燃料，如使用液化天然气燃料时，可大幅降低碳排放，因此选用替代燃料被认为是未来最具有潜力满足EEDI第3阶段要求的技术方案。然而，新巴拿马型散货船的平均造价约2 600万美元，而1套适用于新巴拿马型散货船的液化天然气双燃料系统包括双燃料发电机组、双燃料主机、双燃料组合锅炉、液化天然气供气系统、C形独立罐等设备，其报价在800万美元以上，并且考虑全球船舶液化天然气加气站仍较少且并非主流船型、船舶所有人对采用液化天然气燃料系统意愿较低等情况，选用液化天然气燃料不适合项目研发。

表2 各减排措施预期效果 %

根据EEDI公式，在不采用液化天然气燃料和新能源的情况下，单独优化其他任意一个参数都很难满足EEDI第3阶段要求。以项目航速为例，在其他参数不变的前提下，航速由14.00 kn提高至15.20 kn才能满足EEDI第3阶段要求，而新巴拿马型散货船无法达到。这就意味着需要采取综合节能技术措施进一步降低EEDI指数。

3 综合节能方法

综合节能方法主要包括：(1)线型优化，即在总体条件如载重、总布置等基本不变的前提下，通过船体线型优化降低船体阻力，包括静水中的阻力和波浪增阻，船体线型特别是艉部线型的优化可提升船身效率和相对旋转效率；(2)螺旋桨优化设计，主要对螺旋桨盘面比、直径、负荷分布等 3 个方面进行优化，提升螺旋桨效率；(3)加装水动力节能装置，即在船体艉部增设附加装置，如前置预旋导轮、前置定子、伴流补偿导管、消涡鳍等，目的是降低船尾流动能量损失，提高推进效率[2]。然而，目前线型优化、高效螺旋桨设计及节能装置优化已达到较高水平，这几项技术的进一步提升将越来越困难。通过与世界知名水池实验室合作，对该船的船体线型进行多次优化，并委托水池实验室进行螺旋桨设计，根据专家评估，即便增加节能装置，航速也仅能提高0.10～0.20 kn，节能效果有限。

4 轴带发电机方案

根据EEDI计算公式，船舶配置轴带发电机能明显起到降低EEDI数值的作用。

根据新巴拿马型散货船为定距桨，主机采用MAN B&W 6S60ME，其持续常用功率的转速为76.3 r/min，航速为13.83 kn，选用1台800 kW轴发，轴发转速为700.0～1 500.0 r/min，轴发恒定输出功率点的主机转速为60.0～84.0 r/min，主机在60.0 r/min以下不考虑使用轴发。在航行工况下，可使用轴带发电机向船上设备供电。轴发的选型方案分为主机自由端安装形式和主机输出端安装形式。

根据EEDI公式对方案进行计算后得到：(1)EEDI理论计算值为2.994 003 441；(2)EEDI第3阶段基线值为2.998 095 55；(3)EEDI理论计算值低于基线值约30.095 543 18%。

通过上述计算，采用轴带发电机方案理论上能满足EEDI第3阶段要求，但通过布置后发现，还需要综合考虑船体结构、轴带发电机组、变压器、齿轮箱、短轴、弹性联轴器等设备的布置情况。

5 轴带发电机+节能装置方案

节能装置主要通过改善螺旋桨进流，使其更加均匀，有效减少船尾的水流分离现象；使桨前流预旋，把原来尾流中损失的旋转能转化为推力功；产生附加推力等方式提高整个推进系统的能量利用效果。目前，取得较显著节能效果的装置包括：舵球、补偿导管、前置导管、桨前整流鳍、舵附推力鳍、桨后固定叶轮等。

方案结合轴带发电机并加装桨前后节能装置，对应航速增加至13.89 kn，对其进行相应计算。

根据EEDI公式对方案进行计算后得到：(1)EEDI理论计算值为2.981 070 381；(2)EEDI第3阶段基线值为2.998 095 55；(3)EEDI理论计算值低于基线值约30.397 506 27%，满足EEDI第3阶段的要求。

通过上述计算，采用轴带发电机+节能装置方案理论上能满足EEDI第3阶段要求。

6 主机选型方案

对于同一种船型，在满足其设计要求的航速和功率时，可选择不同型号的主机，而不同的主机选型对应不同的有效功率、燃油消耗率及螺旋桨参数，这势必会引起EEDI指标的变化[3]。

主机功率的大小与EEDI 指标密切相关，由于功率和航速的三次方成正比，功率增加，航速增大，但功率增大的比例远大于航速，因此功率选择应适当，否则功率选取过大，EEDI 指标难以满足，且造成不必要的浪费。

以新巴拿马型散货船为研究对象，通过选取较恰当的额定最大持续功率点，以便选取与船舶性能匹配度较好的机型，对不同型号的主机给EEDI值造成的影响进行研究[4]。选取常用的主机MAN 6S60ME-C10.5与MAN 5G60ME-C10.5进行计算比较,两者的参数对比如表3所示。

表3 新巴拿马型散货船常用主机参数对比

分别采用EEDI公式对MAN 6S60ME-C10.5与MAN 5G60ME-C10.5主机进行计算。对MAN 6S60ME-C10.5进行计算后得到：(1)EEDI理论计算值为3.216 454 662；(2)EEDI第3阶段基线值为2.998 096；(3)EEDI理论计算值低于基线值约24.901 653 7%，不满足EEDI第3阶段的要求。对MAN 5G60ME-C10.5进行计算后得到：(1)EEDI理论计算值为2.966 134 833；(2)EEDI第3阶段基线值为2.998 096；(3)EEDI理论计算值低于基线值约30.746 164 88%。

综上所述，采用MAN 5G60ME-C10.5机型，主机持续常用功率日油耗比MAN 6S60ME-10.5机型低0.15 t/d，在持续常用功率工况下航速保持约13.70 kn，75%主机最大持续功率的EEDI理论计算值满足第3阶段的要求。

所进行的计算属于理论值计算，在实船项目中，根据IMO的规范要求，建造完毕的船舶需要进行试航试验，以便得到基于实船表现的 EEDI 指数[5-6]。在特别需要考虑试航时，存在主机的吃水、海况、环境等方面的变化，在实际航行中各种工况也易使实测值与相对理论值存在一定的偏差，导致无法满足EEDI 第3阶段的要求。因此，建议在理论计算过程中， EEDI要求的30%减排值须留有一定计算裕量。