黃 深，劉益平，楊澤濱，段仲兵，周崇冠

(中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

0 引 言

隨著全球氣候變暖日趨嚴(yán)重，進(jìn)一步控制和縮減船舶CO2的排放已成為人類的普遍共識。國際海事組織(IMO)在《國際防止船舶造成污染公約》(MARPOL)附則Ⅵ中要求，至2025年新建的散貨船應(yīng)滿足船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)Ⅲ的要求，即計(jì)算值應(yīng)低于EEDI基線值約30%。迄今為止，隨著綠色造船技術(shù)的革新，大多數(shù)85 000 t散貨船均通過增加節(jié)能裝置或采用環(huán)保新能源設(shè)計(jì)滿足EEDI Ⅲ的要求，例如：通過增加軸帶發(fā)電機(jī)、風(fēng)帆、氣泡減阻和采用液化天然氣燃料新技術(shù)等，安裝新系統(tǒng)和設(shè)備，但顯著增加新建船舶的綜合成本。從船舶的采購和運(yùn)營管理分析，減少船舶CO2排放較好的辦法是優(yōu)選主機(jī)，通過降低船舶主機(jī)的裝機(jī)功率和優(yōu)選主機(jī)單位油耗，不僅可降低船舶初次投資成本和運(yùn)營成本，而且可滿足EEDI Ⅲ的排放要求[1]。

1 EEDI

IMO海上環(huán)境保護(hù)委員會(MEPC)《2018年新船達(dá)到的能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)計(jì)算方法指南》中的EEDI計(jì)算公式[2]可分為常規(guī)燃料的EEDI和采用減少碳排放措施的EEDI[3]。常規(guī)燃料的EEDI主要包括主機(jī)推進(jìn)油耗、輔機(jī)日常航行油耗、輔機(jī)作為推進(jìn)裝置油耗、輔機(jī)節(jié)能折減和用于推進(jìn)的節(jié)能折減等技術(shù)。主機(jī)推進(jìn)油耗是船舶主輔機(jī)75%的裝機(jī)功率和燃油消耗，輔機(jī)日常航行油耗是輔機(jī)功率50%負(fù)荷的燃油油耗。采用減少碳排放措施的EEDI主要包括輔機(jī)作為推進(jìn)裝置油耗、輔機(jī)節(jié)能折減和用于推進(jìn)的節(jié)能折減等非傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)的創(chuàng)新節(jié)能應(yīng)用技術(shù)。

新巴拿馬型85 000 t散貨船在不考慮增加新節(jié)能技術(shù)和綠色能源的情況下，在滿足IMO MEPC《2013年確定最小推進(jìn)功率以在不利條件下保持船舶操縱性的暫行指南》的船舶最小裝機(jī)功率要求下，現(xiàn)有主機(jī)選型仍具有相當(dāng)潛力可挖掘，使85 000 t散貨船采用常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)即可滿足EEDI Ⅲ的排放要求。參照原EEDI計(jì)算公式，不采用新節(jié)能措施和新能源燃料設(shè)計(jì)，簡化如下：

(1)

式中：ME為主機(jī)；PME為主機(jī)功率；CFME為主機(jī)燃油消耗量與CO2排放量之間的轉(zhuǎn)換因數(shù)，柴油取3.206；SFCME為主機(jī)的單位燃油消耗量；PAE為輔機(jī)功率，PAE=5%PME；CFAE為輔機(jī)燃油消耗量與CO2排放量之間的轉(zhuǎn)換因數(shù)，柴油取3.206；SFCAE為輔機(jī)的單位燃油消耗量；fi為用于對載運(yùn)能力技術(shù)/規(guī)定限制的載運(yùn)能力因數(shù)；fc為艙容量修正因數(shù)；fl為用于具有起重機(jī)和其他起貨設(shè)備的雜貨船因數(shù)；Ca為載運(yùn)能力；fw為海上航速降低因數(shù)；Vref為船舶航速。

由式(1)可知：EEDI最終要求PME和PAE選值越盡可能小，則EEDI結(jié)果就越好。

2 船舶主要技術(shù)參數(shù)

新巴拿馬型85 000 t散貨船的主要參數(shù)和船模試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 新巴拿馬型85 000 t散貨船主要參數(shù)和船模試驗(yàn)報(bào)告

通過船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行EEDI計(jì)算，該型船僅滿足EEDI Ⅱ的碳排放要求。主機(jī)機(jī)型型號不同，其對應(yīng)的有效功率、燃油消耗率(Specific Fuel Oil Consumption，SFOC)及螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù)不同，EEDI隨之變化。新巴拿馬型85 000 t散貨船的初步設(shè)計(jì)，基于EEDI計(jì)算導(dǎo)則的上述要求，采用低轉(zhuǎn)速主機(jī)、對SMCR進(jìn)行優(yōu)化[4]，降低主機(jī)功率儲備[5]，開展主機(jī)選型研究。

3 主機(jī)最小裝機(jī)功率核算

根據(jù)IMO MEPC的指南要求，主機(jī)最小裝機(jī)功率必須滿足2個(gè)要求之一。

3.1 Level 1評估法

由文獻(xiàn)[6]可知：最小裝機(jī)功率的Level 1評估法計(jì)算公式為

Pmin=aDWT+b

(2)

式中：Pmin為最小裝機(jī)功率，kW；DWT為船舶載重量，t；小于14.5萬t的散貨船，參數(shù)a取0.076 3，參數(shù)b取3 374.3。

85 000 t散貨船按式(2)計(jì)算，Pmin=0.076 3×85 000+3 374.3=9 860 kW(取整)。

按式(1)計(jì)算，EEDI為3.474 g/(t·n mile)，該值大幅高于EEDI Ⅲ要求的基線值2.988 g/(t·n mile)。

因此，采用Level 1評估法不能滿足EEDI Ⅲ的要求。

3.2 Level 2簡化評估法

3.2.1 評估原則

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，Level 2簡化評估法應(yīng)采用如下原則:船舶應(yīng)具有足夠裝機(jī)功率，在迎風(fēng)頂浪條件下仍可保持一定前進(jìn)航速，滿足船舶在任意方向風(fēng)浪下保持航向的要求。因此，在迎風(fēng)頂浪條件下船舶可否達(dá)到所需要的最小前進(jìn)航速，應(yīng)重點(diǎn)考慮船舶主尺度、線型設(shè)計(jì)和主機(jī)最小裝機(jī)功率的選擇。

3.2.2 評估內(nèi)容

該評估法包含如下4個(gè)方面：

(1)船舶按要求在惡劣海況條件下保持航向，保持在頂風(fēng)頂浪條件下所要求的前進(jìn)航速，設(shè)定最小前進(jìn)航速Vnav為4.00 kn。

(2)船舶在任意方向風(fēng)浪作用下保持航向的最小速度Vck，其計(jì)算公式為

Vck=Vck,ref-10.0(AR%-0.9)

(3)

式中：Vck,ref為參考保持航向速度，kn；AR%為實(shí)際舵面積Ar與經(jīng)船寬修正浸沒舵面積ALS,cor的比值。

散貨船的參考保持航向速度Vck,ref可根據(jù)迎風(fēng)迎浪至艏斜風(fēng)斜浪30°船體縱向最大阻力予以確認(rèn)。

在計(jì)算結(jié)果Vck>Vnav時(shí)，船舶前進(jìn)航速Vs取Vck值；在Vck≤Vnav時(shí)，取Vnav值。

(3)裝機(jī)功率評估程序。評估原則:

①按下式計(jì)算船舶總阻力T：

T=(Rcw+Rair+Raw+Ropp)/(1-t)

(4)

式中：Rcw為船體靜水阻力；Rair為空氣阻力；Raw為波浪增阻；Rapp為附體阻力；t為推力折減因數(shù)，取0.1。

②散貨船、液貨船和兼用船的靜水阻力計(jì)算可不計(jì)波浪造成的阻力：

(5)

式中：k為形狀因數(shù)，取0.256；ρ為海水密度，取1 025.00 kg/m3；S為船體濕表面積，約12 805 m2；CF為摩擦阻力因數(shù)，可通過下式求得：

(6)

(7)

式(6)和式(7)中：Re為雷諾數(shù)；LPP為垂線間長，m；υ為水的運(yùn)動黏度，m2/s。

③空氣阻力Rair按下式計(jì)算：

(8)

式中：Cair為空氣阻力因數(shù)；ρa(bǔ)為空氣密度，取1.26 kg/m3；AF為船體和上層建筑正面受風(fēng)面積，m2；Vw,rel為相對風(fēng)速，m/s。

④波浪增阻Raw按下式計(jì)算：

(9)

⑤螺旋槳敞水推力因數(shù)KT(J)按下式計(jì)算:

(10)

Ua=Vs(1-ωa)

(11)

⑥螺旋槳所需要的轉(zhuǎn)速n由下式獲得：

(12)

(4)在轉(zhuǎn)速為n時(shí)，螺旋槳所需要的推進(jìn)功率PD按下式界定：

(13)

式中：KQ(J)為螺旋槳敞水轉(zhuǎn)矩因數(shù)曲線，相對旋轉(zhuǎn)效率假定為1.0。

對于柴油機(jī)而言，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩-速度受到限制，即Q≤Qmax(n)，其中：Q為螺旋槳轉(zhuǎn)速為n時(shí)發(fā)動機(jī)輸出的扭矩；Qmax(n)為螺旋槳轉(zhuǎn)速為n時(shí)發(fā)動機(jī)輸出的最大扭矩。Q和Qmax可由下式計(jì)算：

(14)

(15)

式中：Pmax為螺旋槳轉(zhuǎn)速為n時(shí)發(fā)動機(jī)輸出的最大功率。

3.2.3 評估結(jié)果

根據(jù)船模試驗(yàn)結(jié)果，對主機(jī)5G60ME-C10.5選用最小裝機(jī)功率8 150 kW、螺旋槳直徑選用7.60 m進(jìn)行驗(yàn)證和計(jì)算，滿足文獻(xiàn)[6]對最小裝機(jī)功率的要求，最終結(jié)果如表2所示。

表2 Level 2簡化評估法試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)行的《船舶在惡劣海況下維持操縱性的最小推進(jìn)功率導(dǎo)則》計(jì)算方法2中，靜水阻力、空氣阻力和波浪增阻是船舶總阻力的組成部分，其中波浪增阻對總阻力的影響最大。為降低螺旋槳的最小推進(jìn)功率和最小轉(zhuǎn)速，需要降低總阻力、增加螺旋槳直徑以及提高螺旋槳敞水推力因數(shù)。在MEPC 76次會議對空氣污染與船舶能效議題審議后，對《船舶在惡劣海況下維持操縱性的最小推進(jìn)功率導(dǎo)則》進(jìn)行修正，船舶最小裝機(jī)功率受到一定影響，在新導(dǎo)則實(shí)施后需要進(jìn)一步地研究和分析。

4 主機(jī)選型和裝機(jī)功率選取

在船舶設(shè)計(jì)和主機(jī)選型時(shí)，主機(jī)所需要的推進(jìn)功率會隨螺旋槳轉(zhuǎn)速的降低和螺旋槳直徑的增大而相應(yīng)減少[7]，主機(jī)功率和轉(zhuǎn)速可通過公式進(jìn)行粗略地?fù)Q算，即給定航速?？赏ㄟ^如下近似公式計(jì)算得出主機(jī)的輸出功率：

(16)

式中：P1為船模試驗(yàn)需要的推進(jìn)功率；P2為主機(jī)選型需要的SMCR；n1為船模試驗(yàn)螺旋槳轉(zhuǎn)速；n2為主機(jī)選型需要的螺旋槳轉(zhuǎn)速；α為等航速因數(shù)，取決于航速、船舶主尺度和船型參數(shù)，取0.15～0.30。

新巴拿馬型85 000 t散貨船的設(shè)計(jì)吃水為11.80 m，在主機(jī)輸出功率為6 750 kW、轉(zhuǎn)速為76.40 r/min(含15.00%海況裕度)時(shí)，其含海況裕度因數(shù)的設(shè)計(jì)航速為14.30 kn，不含海況裕度因數(shù)結(jié)構(gòu)吃水工況條件下的航速為14.21 kn。根據(jù)船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告提供的航速和功率的初步結(jié)果，結(jié)合曼恩(MAN B&W)低速柴油機(jī)組選型手冊和輔機(jī)容量計(jì)算表報(bào)告的主機(jī)功率范圍選取區(qū)域的要求，選取6S60ME-C10.5、6S60ME-C10.6、5S60ME-C10.6、5G60ME-C10.5和7S50ME-C10.6作為該型船主機(jī)研究機(jī)型，其功率范圍如表3所示。由表3可知：每型MAN B&W系列低速柴油機(jī)功率由L1、L2、L3、L4圍成一個(gè)功率選型區(qū)域。L1為該型機(jī)的SMCR，即100%功率，L2、L3、L4為指定設(shè)計(jì)功率。

表3 主機(jī)功率范圍 kW×(r·min-1)

在等航速條件下，主機(jī)轉(zhuǎn)速越低，螺旋槳直徑越大，需要的主機(jī)功率越小[7-8]。根據(jù)主機(jī)參數(shù)報(bào)告提供的主機(jī)選型功率范圍，在考慮含15.00%海況裕度后，設(shè)定17.2%和25.0%兩條主機(jī)功率儲備的等航速線，在其區(qū)間附近作為常用主機(jī)選型區(qū)域[9]，如圖1所示。

圖1 新巴拿馬型85 000 t散貨船常用主機(jī)型號選型區(qū)域

由圖1可知：5種主機(jī)型號均可滿足船舶設(shè)計(jì)的主機(jī)功率儲備25.0%的要求，5G60ME-C10.5、5S60ME-C10.6和7S50ME-C10.6可滿足船舶設(shè)計(jì)的主機(jī)功率儲備17.2%的要求。6S60ME-C10.5型主機(jī)的最小功率為9 000 kW，6S60ME-C10.6型主機(jī)的最小功率為8 820 kW，由于船舶SMCR不能小于主機(jī)最小功率以及超出機(jī)型功率曲線選型范圍，因此該型船主機(jī)最終選型排除采用6S60ME-C10.5和6S60ME-C10.6機(jī)型。

根據(jù)主機(jī)廠家的輔機(jī)容量計(jì)算表選擇SMCR與轉(zhuǎn)速、母型船船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)和等航速曲線的計(jì)算公式，對不同的主機(jī)選型判斷和分析其對EEDI產(chǎn)生的影響情況，具體計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表4可知:主機(jī)功率儲備對EEDI的影響較大，主機(jī)功率儲備越多，EEDI折減率越小，越不能滿足EEDI Ⅲ的碳排放要求。5S60ME-C10.6、5G60ME-C10.5和7S50ME-C10.6機(jī)型的選型降低主機(jī)功率儲備，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)吃水工況條件下航速降低。在主機(jī)儲備功率和結(jié)構(gòu)吃水航速同步降低時(shí)，結(jié)構(gòu)吃水航速降低對EEDI的影響遠(yuǎn)沒有降低主機(jī)儲備功率的影響大。因此，除滿足船舶最小裝機(jī)功率要求和應(yīng)對主機(jī)在長時(shí)間運(yùn)營過程中功率衰減與船底污垢對航速的影響外，主機(jī)選型適當(dāng)預(yù)留主機(jī)功率儲備，船舶碳排放即可滿足EEDI Ⅲ的設(shè)計(jì)要求，無須增加額外的節(jié)能設(shè)施或采用環(huán)保新能源的設(shè)計(jì)方案。

表4 新巴拿馬型85 000 t散貨船主機(jī)選型對EEDI的影響

主機(jī)“降功率輸出”是目前船舶設(shè)計(jì)主機(jī)選型比較慣用的手段，是主機(jī)節(jié)能減排的有效措施之一，即降低主機(jī)SMCR的平均有效壓力，通過主機(jī)最大爆發(fā)壓力和平均有效壓力比值的升高，提高主機(jī)熱效率，降低主機(jī)單位SFOC。在5S60ME-C10.6、5G60ME-C10.5和7S50ME-C10.6主機(jī)中，其裝機(jī)功率選取均在8 150 kW附近，均為降功率輸出，其中：5S60ME-C10.6降功率輸出值最小，為主機(jī)最大輸出功率的65.48%；5G60ME-C10.5降功率輸出值最大，為主機(jī)最大輸出功率的43.31%；5S60ME-C10.6的熱效率更高，其單位油耗大幅低于5G60ME-C10.5；5S60ME-C10.6的EEDI Ⅲ的裕度為2.24%，超過5G60ME-C10.5的EEDI折減1.13%。因此，不同型號主機(jī)降功率輸出的大小，對EEDI計(jì)算的影響不大。

5 結(jié) 語

新巴拿馬型85 000 t散貨船作為市場上運(yùn)營較好的巴拿馬型散貨船之一，不僅可通過新巴拿馬運(yùn)河，而且擁有更大的載貨量，運(yùn)力強(qiáng)，航線廣，受到船舶所有人的青睞。以該型船滿足EEDI Ⅲ的排放要求為例，研究其主機(jī)選型方法，選取5個(gè)主機(jī)機(jī)型作為研究對象，通過計(jì)算船舶的總阻力和螺旋槳轉(zhuǎn)速，確定主機(jī)最小裝機(jī)功率，并從主機(jī)選型角度出發(fā)，挖掘現(xiàn)有可選主機(jī)機(jī)型性能的最大潛力?？赏ㄟ^降低船舶總阻力和提高螺旋槳的敞水推力因數(shù)，預(yù)留適當(dāng)?shù)闹鳈C(jī)功率裕度，在不配置額外的節(jié)能設(shè)施或采用環(huán)保新能源的設(shè)計(jì)方案措施下，使設(shè)計(jì)的新型巴拿馬型散貨船達(dá)到IMO為控制船舶CO2的排放而制定和生效的EEDI Ⅲ要求，不僅可降低船舶的建造成本，而且可減少船舶所有人的船舶管理成本，使該型船具有更大的運(yùn)營優(yōu)勢。