高船龄船舶应对现有船舶能效指数案例分析

2023-08-18吴四川

船海工程 2023年4期

吴四川

(招商局工业集团有限公司,广东深圳 518000)

国际海事组织(IMO)的目标是到2030年将航运业的碳强度至少降低40%,并希望到2050年可以比2008年的碳排放水平降低约70%[1]。为了实现这一战略目标,IMO先后实施了一系列措施来引导行业实现减少温室气体排放的目标,如引入新造船能效设计指数(EEDI),氮氧化物(NOx)及硫氧化物(SOx)的相关规定。考虑到具大的现有船舶数量及每年庞大的碳排放量,国际海事组织于2012年又增加了现有船舶能效指数(energy efficiency existing ship index, EEXI)和碳排放指数(carbon intensity indicator, CII)用于对现有运营船舶的碳排放量进行有效的控制。其中,EEXI是对现有船舶需要达到的能效设计指数进行要求,而CII则是对船舶实际的运营能效进行评价[2-3]。

EEXI指数的要求适用于《MARPOL公约》附则VI规定的除去钻井平台、非动力船舶及破冰船等特殊船型外所有总吨超过400的船舶于2023年的第一个年度检验、中间检验或换证检验时(基于IAPP证书时间调整并以最早发生者为准),其EEXI指数必须达到2022年4月1日的设计能效指数(EEDI)水平,对部分种类和尺寸的船舶略有所放宽。根据Vessels Value的最新报告[4],截止2023年1月,全球有超过75%以上的油船、散货船和集装箱船无法达到该指标的要求。目前有诸多技术改进方法可以满足现有船舶达到EEXI指数需求的目的,但是从实船,特别是众多10～20年以上船龄的实船项目而言,能够采用的高性价比方案其实并不多。为此,考虑以船龄达到16年的某5 300 TEU项目改装为例,对适用于高船龄实船项目满足EEXI指数改装方案的可行性进行讨论。

1 现有船舶的EEXI

1.1 EEXI简介

EEXI适用于2023年1月1日之前交付或有重大改建、总吨在400及以上的散货、液货或集装箱船等。适用EEXI指数的船舶需按照规定进行“达到EEXI(Attained EEXI)”计算并提供相关技术分析报告以便检验。

EEXI本质上参照了EEDI的思想,根据船舶固有技术参数并考虑主机限定功率后进行评估得到的能效指数。达到EEXI与达到EEDI的计算公式基本类似,参数选取也无很大差别,仅部分参数有所变化。

EEXIreq=(1-Y/100)EEDIref

(1)

式中:Y为折减系数,根据MEPC.328(76)的要求,Y基本等同于2022年4月1日生效的对新造船的要求(EEDI第二或第三阶段,根据船型而定),对于部分船型有所放宽。

1.2 通用应对措施分析

就本质上EEXI与EEDI极为类似,原则上是对单位货物载重吨和单位英里的二氧化碳排放量的计算,主要目的是明确与装机主机功率、货运量和航速相关的二氧化碳标准排放量,属于一种设计指标而不是操作指标。

Attained_EEXI=

/(fifcflCapacity·fwVreffm)

(2)

基于式(2)的EEXI指数计算公式[5],可以看到对于EEXI指数影响最为重要的是船舶功率、参考航速、运载能力,以及创新机械能效这4个方面。因此,对于现有运营船舶而言,可以通过技术改造[6-7]对这4个方面的参数进行调整从而提升现有船舶EEXI指数的表现。

1)最为直接的方法是更换新能源主机,如改用甲醇、LNG或氨能源主机等。此类方法见效快、一劳永逸,但前期的时间和资金成本较高。

2)通过技术手段优化船舶的快速性能从而实现在相同推进功率下优化船舶的参考航速,提高EEXI表现。例如,采用低阻涂料、进行船体型线或附体优化、采用高效螺旋桨。此类方法需对船舶进行改造,必要时还需进行再次试航或水池试验,所需成本因实施方案不同而有所差别。

3)通过技术手段产生电力从而减少辅助功率,提升EEXI表现。如加入废热回收装置或太阳能电池光伏系统等。这种方法前期投入资金较大且受船型制约较大。

4)采用节能手段对创新机械能效技术功率进行扣除,从而提高船舶EEXI表现。如采用空气润滑系统、加装节能附体或风力助航设备等,这类方法前期投入资金较高。

5)通过限制主机或轴功率的方式直接调整主机功率和参考航速等关键参数,从根本上提升EEXI指数,如安装EPL和ShaPoLi等装置,此类方法适用性较广,时间和资金成本也可控。

6)通过改造船体结构的方式,重新核算船舶载重吨和总吨。这种方法需要对船舶结构进行大面积的改造或改装,适用范围很小,资金和时间成本也十分可观。

2 高船龄船舶EEXI适用方法实例

目标船为1艘2006年交付的中型集装箱船,由日本某船厂制造,主要船型参数见表1。

表1 主要船型参数一览

2.1 高船龄船舶进行技术改进的难点

船舶作为一种运输类产品,其设计具有很明显的时代性,特别是以2008年为一个明显的区分点。在2008年以前由于油价处于低位,对于船舶环保的要求也尚不规范,因此船型设计,特别是集装箱船的船型设计普遍以高航速、高油耗、高载货量为主,而自2008年原油价格大涨及2010年开始EEDI指数阶段性实施,船型设计明显呈现出低油耗、亲环境等趋势。

对于船龄在15年以上的船舶,服役时间几乎过半,从船东或运营方的角度来看,尽管通过一定的技术改造,满足EEXI要求,保证船舶运营的可持续性固然是必须做到的,但考虑到投资回报率,一般不会接受较大的资金成本的投入。同时,受制于租约或运营合同等限制,他们对需要长期进坞或技术改造后运营状态发生较大改变的措施,也表现出明显的犹疑。

与船东方讨论并经初步询价后得到的主要可行方案对比见表2。由表2可见,不同技术改造方案的资金和时间成本有较大区别,而且后续可能存在的潜在问题也有很大差异。

表2 主要可行实施方案对比

从投资回报率和资金回收周期的角度考虑,在本次的船舶改装项目中,船东仅能接受加装EPL装置进行功率限制、降低航速并对球鼻艏进行改装的组合方案。

2.2 主机或轴功率限制方案

根据MEPC.335(76)(《为符合EEXI要求的轴/发动机功率限制系统及使用储备动力指南(2021)》),可以采取轴功率/主机功率限制措施来改善“达到EEXI”的方式以满足船舶“规定EEXI指数”。

这也是目前性价比最高的技术改善措施。

限制功率与降功率是两种不同的技术方法。降低功率一般是要经过技术改造升级,如调节压缩比、优化喷油技术或优化排气结构等,需要对发动机证书进行修改;而限制功率则是不对发动机本身进行任何技术革新,仅是安装EPL等设备暂时限制发动机的能力,将一部分功率作为储备功率,在紧急情况下仍可使用100%MCR的主机功率。

根据EEXI计算导则[8],简化模型,装机功率大于10 000 kW,无冰区加强、无轴带发电机和轴带马达的船型计算,目标船舶需将主机功率限制在72.75% MCR(75% MCR·(1%～3%))方能通过改善“达到EEXI”的方式满足“规定EEXI指数”,即在考虑船速降低(进速系数降低)的情况下,要求球鼻艏改装至少要达到3.3%以上的减阻效果。

2.3 基于实际运营工况的球鼻艏优化设计

对于中高速船舶而言,球鼻艏减阻机理的核心是造成有利的波系干扰[9-10],因此对于吃水和航速十分敏感。

1)根据对主机功率限制后的航速计算,目标船舶降速将达到8 kn以上,原有的球鼻艏设计明显与降速后的运营情况不匹配,需要进行再优化设计和改装。

2)目标船舶实际运营工况繁杂,球鼻艏的改装需是基于船东提供的实际运营工况(见表3)进行加权综合优化后的设计方案。

表3 目标船实际运营工况 %

为了确保能够兼顾船舶的实际运营工况,对于球鼻艏的改装需要进行多目标多工况加权的最优化设计。

一般来说,对于船龄较短的船舶项目,船东在改装时均可提供型线图或三维船壳模型等用于优

化设计,而对于类似本目标对象这种高船龄船舶项目,大多数的船东仅能提供结构图等有限的图纸,因此在进行全参数化的模型复原时,较难保证模型复原的精度。为了解决这一难题,在应用商用软件CAESES进行参数化建模复原的基础上,采用三维扫描技术对船艏,特别是球鼻艏部分的船体外形进行扫描,在提升建模效率的基础上,进一步保证对船艏部模型复原的精度,确保后续的生产设计出图的可靠性,见图1。