吳四川

(招商局工業(yè)集團(tuán)有限公司,廣東 深圳 518000)

國(guó)際海事組織(IMO)的目標(biāo)是到2030年將航運(yùn)業(yè)的碳強(qiáng)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約70%[1]。為了實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo),IMO先后實(shí)施了一系列措施來(lái)引導(dǎo)行業(yè)實(shí)現(xiàn)減少溫室氣體排放的目標(biāo),如引入新造船能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI),氮氧化物(NOx)及硫氧化物(SOx)的相關(guān)規(guī)定。考慮到具大的現(xiàn)有船舶數(shù)量及每年龐大的碳排放量,國(guó)際海事組織于2012年又增加了現(xiàn)有船舶能效指數(shù)(energy efficiency existing ship index, EEXI)和碳排放指數(shù)(carbon intensity indicator, CII)用于對(duì)現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)船舶的碳排放量進(jìn)行有效的控制。其中,EEXI是對(duì)現(xiàn)有船舶需要達(dá)到的能效設(shè)計(jì)指數(shù)進(jìn)行要求,而CII則是對(duì)船舶實(shí)際的運(yùn)營(yíng)能效進(jìn)行評(píng)價(jià)[2-3]。

EEXI指數(shù)的要求適用于《MARPOL公約》附則VI規(guī)定的除去鉆井平臺(tái)、非動(dòng)力船舶及破冰船等特殊船型外所有總噸超過(guò)400的船舶于2023年的第一個(gè)年度檢驗(yàn)、中間檢驗(yàn)或換證檢驗(yàn)時(shí)(基于IAPP證書(shū)時(shí)間調(diào)整并以最早發(fā)生者為準(zhǔn)),其EEXI指數(shù)必須達(dá)到2022年4月1日的設(shè)計(jì)能效指數(shù)(EEDI)水平,對(duì)部分種類(lèi)和尺寸的船舶略有所放寬。根據(jù)Vessels Value的最新報(bào)告[4],截止2023年1月,全球有超過(guò)75%以上的油船、散貨船和集裝箱船無(wú)法達(dá)到該指標(biāo)的要求。目前有諸多技術(shù)改進(jìn)方法可以滿(mǎn)足現(xiàn)有船舶達(dá)到EEXI指數(shù)需求的目的,但是從實(shí)船,特別是眾多10～20年以上船齡的實(shí)船項(xiàng)目而言,能夠采用的高性?xún)r(jià)比方案其實(shí)并不多。為此,考慮以船齡達(dá)到16年的某5 300 TEU項(xiàng)目改裝為例,對(duì)適用于高船齡實(shí)船項(xiàng)目滿(mǎn)足EEXI指數(shù)改裝方案的可行性進(jìn)行討論。

1 現(xiàn)有船舶的EEXI

1.1 EEXI簡(jiǎn)介

EEXI適用于2023年1月1日之前交付或有重大改建、總噸在400及以上的散貨、液貨或集裝箱船等。適用EEXI指數(shù)的船舶需按照規(guī)定進(jìn)行“達(dá)到EEXI(Attained EEXI)”計(jì)算并提供相關(guān)技術(shù)分析報(bào)告以便檢驗(yàn)。

EEXI本質(zhì)上參照了EEDI的思想,根據(jù)船舶固有技術(shù)參數(shù)并考慮主機(jī)限定功率后進(jìn)行評(píng)估得到的能效指數(shù)。達(dá)到EEXI與達(dá)到EEDI的計(jì)算公式基本類(lèi)似,參數(shù)選取也無(wú)很大差別,僅部分參數(shù)有所變化。

EEXIreq=(1-Y/100)EEDIref

(1)

式中:Y為折減系數(shù),根據(jù)MEPC.328(76)的要求,Y基本等同于2022年4月1日生效的對(duì)新造船的要求(EEDI第二或第三階段,根據(jù)船型而定),對(duì)于部分船型有所放寬。

1.2 通用應(yīng)對(duì)措施分析

就本質(zhì)上EEXI與EEDI極為類(lèi)似,原則上是對(duì)單位貨物載重噸和單位英里的二氧化碳排放量的計(jì)算,主要目的是明確與裝機(jī)主機(jī)功率、貨運(yùn)量和航速相關(guān)的二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)排放量,屬于一種設(shè)計(jì)指標(biāo)而不是操作指標(biāo)。

Attained_EEXI=

/(fifcflCapacity·fwVreffm)

(2)

基于式(2)的EEXI指數(shù)計(jì)算公式[5],可以看到對(duì)于EEXI指數(shù)影響最為重要的是船舶功率、參考航速、運(yùn)載能力,以及創(chuàng)新機(jī)械能效這4個(gè)方面。因此,對(duì)于現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)船舶而言,可以通過(guò)技術(shù)改造[6-7]對(duì)這4個(gè)方面的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整從而提升現(xiàn)有船舶EEXI指數(shù)的表現(xiàn)。

1)最為直接的方法是更換新能源主機(jī),如改用甲醇、LNG或氨能源主機(jī)等。此類(lèi)方法見(jiàn)效快、一勞永逸,但前期的時(shí)間和資金成本較高。

2)通過(guò)技術(shù)手段優(yōu)化船舶的快速性能從而實(shí)現(xiàn)在相同推進(jìn)功率下優(yōu)化船舶的參考航速,提高EEXI表現(xiàn)。例如,采用低阻涂料、進(jìn)行船體型線(xiàn)或附體優(yōu)化、采用高效螺旋槳。此類(lèi)方法需對(duì)船舶進(jìn)行改造,必要時(shí)還需進(jìn)行再次試航或水池試驗(yàn),所需成本因?qū)嵤┓桨覆煌兴顒e。

3)通過(guò)技術(shù)手段產(chǎn)生電力從而減少輔助功率,提升EEXI表現(xiàn)。如加入廢熱回收裝置或太陽(yáng)能電池光伏系統(tǒng)等。這種方法前期投入資金較大且受船型制約較大。

4)采用節(jié)能手段對(duì)創(chuàng)新機(jī)械能效技術(shù)功率進(jìn)行扣除,從而提高船舶EEXI表現(xiàn)。如采用空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)、加裝節(jié)能附體或風(fēng)力助航設(shè)備等,這類(lèi)方法前期投入資金較高。

5)通過(guò)限制主機(jī)或軸功率的方式直接調(diào)整主機(jī)功率和參考航速等關(guān)鍵參數(shù),從根本上提升EEXI指數(shù),如安裝EPL和ShaPoLi等裝置,此類(lèi)方法適用性較廣,時(shí)間和資金成本也可控。

6)通過(guò)改造船體結(jié)構(gòu)的方式,重新核算船舶載重噸和總噸。這種方法需要對(duì)船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行大面積的改造或改裝,適用范圍很小,資金和時(shí)間成本也十分可觀(guān)。

2 高船齡船舶EEXI適用方法實(shí)例

目標(biāo)船為1艘2006年交付的中型集裝箱船,由日本某船廠(chǎng)制造,主要船型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要船型參數(shù)一覽

2.1 高船齡船舶進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)的難點(diǎn)

船舶作為一種運(yùn)輸類(lèi)產(chǎn)品,其設(shè)計(jì)具有很明顯的時(shí)代性,特別是以2008年為一個(gè)明顯的區(qū)分點(diǎn)。在2008年以前由于油價(jià)處于低位,對(duì)于船舶環(huán)保的要求也尚不規(guī)范,因此船型設(shè)計(jì),特別是集裝箱船的船型設(shè)計(jì)普遍以高航速、高油耗、高載貨量為主,而自2008年原油價(jià)格大漲及2010年開(kāi)始EEDI指數(shù)階段性實(shí)施,船型設(shè)計(jì)明顯呈現(xiàn)出低油耗、親環(huán)境等趨勢(shì)。

對(duì)于船齡在15年以上的船舶,服役時(shí)間幾乎過(guò)半,從船東或運(yùn)營(yíng)方的角度來(lái)看,盡管通過(guò)一定的技術(shù)改造,滿(mǎn)足EEXI要求,保證船舶運(yùn)營(yíng)的可持續(xù)性固然是必須做到的,但考慮到投資回報(bào)率,一般不會(huì)接受較大的資金成本的投入。同時(shí),受制于租約或運(yùn)營(yíng)合同等限制,他們對(duì)需要長(zhǎng)期進(jìn)塢或技術(shù)改造后運(yùn)營(yíng)狀態(tài)發(fā)生較大改變的措施,也表現(xiàn)出明顯的猶疑。

與船東方討論并經(jīng)初步詢(xún)價(jià)后得到的主要可行方案對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn),不同技術(shù)改造方案的資金和時(shí)間成本有較大區(qū)別,而且后續(xù)可能存在的潛在問(wèn)題也有很大差異。

表2 主要可行實(shí)施方案對(duì)比

從投資回報(bào)率和資金回收周期的角度考慮,在本次的船舶改裝項(xiàng)目中,船東僅能接受加裝EPL裝置進(jìn)行功率限制、降低航速并對(duì)球鼻艏進(jìn)行改裝的組合方案。

2.2 主機(jī)或軸功率限制方案

根據(jù)MEPC.335(76)(《為符合EEXI要求的軸/發(fā)動(dòng)機(jī)功率限制系統(tǒng)及使用儲(chǔ)備動(dòng)力指南(2021)》),可以采取軸功率/主機(jī)功率限制措施來(lái)改善“達(dá)到EEXI”的方式以滿(mǎn)足船舶“規(guī)定EEXI指數(shù)”。

這也是目前性?xún)r(jià)比最高的技術(shù)改善措施。

限制功率與降功率是兩種不同的技術(shù)方法。降低功率一般是要經(jīng)過(guò)技術(shù)改造升級(jí),如調(diào)節(jié)壓縮比、優(yōu)化噴油技術(shù)或優(yōu)化排氣結(jié)構(gòu)等,需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)證書(shū)進(jìn)行修改;而限制功率則是不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本身進(jìn)行任何技術(shù)革新,僅是安裝EPL等設(shè)備暫時(shí)限制發(fā)動(dòng)機(jī)的能力,將一部分功率作為儲(chǔ)備功率,在緊急情況下仍可使用100%MCR的主機(jī)功率。

根據(jù)EEXI計(jì)算導(dǎo)則[8],簡(jiǎn)化模型,裝機(jī)功率大于10 000 kW,無(wú)冰區(qū)加強(qiáng)、無(wú)軸帶發(fā)電機(jī)和軸帶馬達(dá)的船型計(jì)算,目標(biāo)船舶需將主機(jī)功率限制在72.75% MCR(75% MCR·(1%～3%))方能通過(guò)改善“達(dá)到EEXI”的方式滿(mǎn)足“規(guī)定EEXI指數(shù)”,即在考慮船速降低(進(jìn)速系數(shù)降低)的情況下,要求球鼻艏改裝至少要達(dá)到3.3%以上的減阻效果。

2.3 基于實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況的球鼻艏優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于中高速船舶而言,球鼻艏減阻機(jī)理的核心是造成有利的波系干擾[9-10],因此對(duì)于吃水和航速十分敏感。

1)根據(jù)對(duì)主機(jī)功率限制后的航速計(jì)算,目標(biāo)船舶降速將達(dá)到8 kn以上,原有的球鼻艏設(shè)計(jì)明顯與降速后的運(yùn)營(yíng)情況不匹配,需要進(jìn)行再優(yōu)化設(shè)計(jì)和改裝。

2)目標(biāo)船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況繁雜,球鼻艏的改裝需是基于船東提供的實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況(見(jiàn)表3)進(jìn)行加權(quán)綜合優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案。

表3 目標(biāo)船實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況 %

為了確保能夠兼顧船舶的實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況,對(duì)于球鼻艏的改裝需要進(jìn)行多目標(biāo)多工況加權(quán)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一般來(lái)說(shuō),對(duì)于船齡較短的船舶項(xiàng)目,船東在改裝時(shí)均可提供型線(xiàn)圖或三維船殼模型等用于優(yōu)

化設(shè)計(jì),而對(duì)于類(lèi)似本目標(biāo)對(duì)象這種高船齡船舶項(xiàng)目,大多數(shù)的船東僅能提供結(jié)構(gòu)圖等有限的圖紙,因此在進(jìn)行全參數(shù)化的模型復(fù)原時(shí),較難保證模型復(fù)原的精度。為了解決這一難題,在應(yīng)用商用軟件CAESES進(jìn)行參數(shù)化建模復(fù)原的基礎(chǔ)上,采用三維掃描技術(shù)對(duì)船艏,特別是球鼻艏部分的船體外形進(jìn)行掃描,在提升建模效率的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步保證對(duì)船艏部模型復(fù)原的精度,確保后續(xù)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)出圖的可靠性,見(jiàn)圖1。

圖1 三維掃描得到的球鼻艏模型

為了保證模型的復(fù)原精度,對(duì)比修復(fù)后模型與原船在各吃水的排水量,見(jiàn)表4。

表4 排水量對(duì)比一覽(浮態(tài):正浮)

應(yīng)用商用軟件HEEDS搭建多目標(biāo)綜合優(yōu)化平臺(tái),聯(lián)合CAESES和STAR-CCM+軟件進(jìn)行計(jì)算,基于船東提供的實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況進(jìn)行綜合加權(quán)優(yōu)化。對(duì)比優(yōu)化前后球鼻艏模型見(jiàn)圖2,主要幾何參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表5。

圖2 優(yōu)化前后球鼻艏模型對(duì)比

表5 球鼻艏主要幾何參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

3 球鼻艏優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

3.1 EEXI對(duì)應(yīng)工況優(yōu)化結(jié)果

目標(biāo)船舶EEXI的考核吃水12 m航速17 kn的阻力。采用基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為1/40倍船長(zhǎng)的計(jì)算網(wǎng)格仿真計(jì)算優(yōu)化前后的靜水阻力。見(jiàn)圖3、表6。

圖3 吃水12 m、航速17 kn工況下的船行波

表6 12 m吃水17 kn航速靜水阻力計(jì)算結(jié)果

3.2 實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況優(yōu)化結(jié)果

為了保證船舶的實(shí)際運(yùn)營(yíng)能力,基于船東提供的實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況仿真分析優(yōu)化前后船舶在各吃水及航速下的靜水阻力,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行整理,優(yōu)化效果見(jiàn)表7。不同航速下船舶吃水-阻力關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 不同航速下船舶吃水-阻力關(guān)系

表7 實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況靜水阻力優(yōu)化結(jié)果一覽

由表7可見(jiàn),盡管在實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況的加權(quán)優(yōu)化結(jié)果較EEXI考核工況的優(yōu)化百分比略小,但仍達(dá)到3.8%以上,能夠很好地保證不會(huì)影響船舶的實(shí)際運(yùn)營(yíng)。

4 結(jié)論

1)EEXI與EEDI類(lèi)似,屬于一種設(shè)計(jì)指標(biāo),需要通過(guò)技術(shù)改造或改裝方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2)盡管存在諸多可行的技術(shù)改裝方案,但是對(duì)于船齡較大,特別是超過(guò)15年以上的現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)船舶而言,存在較多限制,比較容易實(shí)施且性?xún)r(jià)比較高的僅有主機(jī)/軸功率限制、球鼻艏等局部船型改裝以及加裝節(jié)能附體等有限的幾種方案。

3)以某集裝箱船實(shí)船改裝項(xiàng)目為例,驗(yàn)證了采用限制主機(jī)功率加上球鼻艏局部改裝的組合方案保證船舶滿(mǎn)足EEXI指數(shù)需求的可行性。