船舶主机选型对EEDI的影响

大连海事大学轮机工程学院 张跃文 达 勇 邹永久 王德春

船舶主机选型对EEDI的影响

大连海事大学轮机工程学院 张跃文 达 勇 邹永久 王德春

船舶能效设计指数（EEDI）是衡量船舶CO2排放水平的指标，其实施后对船舶设计、建造提出了更高的要求。以82 000 DWT散货船为例，从船舶动力装置设计的角度，计算分析柴油机“功率储备”、“减额输出”、“电控技术”及“螺旋桨直径”等选型因素对船舶EEDI指数产生的影响，为船舶动力装置设计、选型提供参考和指导。

船舶柴油机；船舶能效设计指数；船舶设计；主机选型；EEDI

航运业在贸易全球化的进程中扮演着重要的角色，就单位载货CO2排放量来说，船舶运输较航空、铁路的运输方式有较大的优势，但船舶承载着全球90%的运输量，数量众多，且单船功率较大，因此其产生的CO2排放量和所消耗能源总量不容小觑。[1，2]2011年7月11日至15日，国际海事组织（IMO）召开海上环境保护委员会（MEPC）第62届会议通过了MARPOL公约附则VI有关船舶能效规则的修正案。这是第一个专门针对国际海运温室气体减排的强制性法律文件。修正案对船舶能效设计指数（EEDI）值作出了具体规定，还要求船舶经营人在船上配备船舶能效管理计划（SEEMP）。修正案已于2013年1月1日生效。EEDI的强制性执行，对船舶设计和建造提出了更高要求。本文从占整个船舶能耗80%以上的动力装置设计的角度出发，分析船舶主机选型过程中各种因素对EEDI指数所造成的影响，为船舶设计、动力装置选型提供参考。

一、船舶能效设计指数（EEDI）计算

船舶能效设计指数（EEDI）可以简单理解为船舶设计单位载货每海里的CO2排放量。该CO2排放量是船舶在最大载货和规定功率下的航速运行时，扣除因各种节能创新技术而节约的燃料后，由船舶各机电设备所消耗的燃油量转化而来的，与船舶燃料消耗率、主机功率、船舶航速和载重量等四个因素直接相关。图1表示船舶机舱功率的分配布置，其中虚线表示的部分为EEDI计算时所需要的功率，主要分为推进功率（轴功率）和副机功率两大部分。推进功率部分包括主机功率PME、轴马达（柴油机-电力推进）功率PPTI，及消耗轴功率的轴带发电机功率PPTO。[3]

根据MEPC第63届会议颁布的新造船能效设计指数计算方法，EEDI计算公式如下：

其中：CF为CO2无量纲转化系数；Vref为船舶航速，单位Kn；Capacity为船舶最大载重吨；P为功率，单位kW；SFC为发动机核定的燃油消耗率；fj为修正船舶特殊性设计的无量纲系数；fw为船舶失速系数；feff(i)为新型节能技术可用性的无量纲系数；fi为考虑船舶因技术或法规对Capacity有所限制的无量纲修正系数。利用该计算方法，对目前市场上比较热门的绿色Dolphin系列散货船型（38.8K、64K和82K）进行EEDI计算分析，[4-6]如图2所示。

图1 船舶能效设计指数所涉及的功率图

图2 三种散货船型EEDI指数

三种绿色Dolphin系列散货船（38.8K、64K和82K）均能满足现阶段EEDI基线的要求，而且载重量越大的船舶，其EEDI指数越小；载重量越小的船舶越容易满足要求，如64K散货船刚刚满足Phase3要求，而82K散货船仅满足Phase2。因此随着船舶大型化的发展趋势，如果想要满足越来越严格的EEDI基线要求，仍然需要更多的优化设计应用于船舶上。本文仅从动力装置设计、选型的角度讨论提高船舶能效水平的方法。

二、船舶主机选型对EEDI的影响

对于同一种船型，在满足其设计要求的航速和功率时，可以选择不同型号的主机，而不同的主机选型对应着不同的有效功率、燃油消耗率（SFOC）及螺旋桨参数，这势必会引起EEDI值的变化。本文以82 000 DWT散货船为研究对象，其在设计吃水（d=12.2 m）下，主机常用服务功率CSR点功率转速为7 472 kW×83.2 r/min，海况储备保留15%，服务航速14.3 kn。针对该功率输出点，选取市场上82 000 DWT散货船常用的4种机型，利用MAN B&W和瓦锡兰公司所给的主机选型区域，并根据等航速线公式，[6，7]做常用主机选型区域图，如图3所示。图中四个梯形（或四边形）区域分别为6S60MC-C8.2、5S60MC-C8.2、5RT-flex58T-D、7S50MC-C8.2等机型的选型区域，两条直线分别为满足10%和25%海况功率储备的主机约定最大持续功率SMCR或CMCR的等航速线。从中可以看出，以上四种机型都能满足设计船舶的主机功率的需要。根据所选择的功率点，在调整相应的螺旋桨参数的前提下，研究了不同的主机选型对船舶能效设计指数EEDI产生的影响情况，其具体计算结果如表1所示。

由表1计算结果可以看出，不同的主机选型对最终整艘船舶的能效设计指数EEDI产生的影响程度不同，如选5S60MC-C8.2和7S50MC-C8.2，由于较小缸径的主机在维持相同航速的情况下，转速较高，螺旋桨直径较小，推进效率较低，需要的主机功率较高，导致EEDI值相比于5S60MC-C8.2机型要高6.61%左右；如选5S60MC-C8.2和5RT-flex58TD，其额定功率SMCR点相同，但由于5RT-flex58TD为电控柴油机，有较低的稳定转速和燃油消耗率，因而EEDI值要比5S60MC-C8.2低1.80%左右。而不同的主机功率储备对EEDI造成的影响更大，具体分析如下。

图3 82 000 DWT散货船常用主机型号选型区域

表1 主机选型对EEDI值的影响

1.“功率储备”对EEDI的影响

随着船舶使用年限增加，船体污损、海生物附着及螺旋桨污损等情况会使船舶阻力较设计初始有所增加，为了使船舶在该种情况下仍能保持设定航速，设计阶段对主机要留有一定的功率储备。从表1的计算结果可以看出，5S60MC-C8.2和6S60MCC8.2二者的持续运行功率点CSR相同，但5S60MCC8.2主机功率储备为10%，6S60MC主机功率储备为25%，由表中计算数据可以看出，“功率储备”相差15%时，其EEDI值要比功率储备小的主机高18.02%左右，这主要是因为主机的闲置功率过大，在EEDI工况下的功率值较大所致。

2. 主机“减额输出”对EEDI的影响

“减额输出”是目前较实用的柴油机节能降耗有效措施之一，各大柴油机生产厂家均推出这种实用的节能技术，即通过降低SMCR点的平均有效压力，使最大爆发压力与平均有效压力比值升高，增大比值以提高柴油机的热效率，降低燃油消耗率。表2是82 000 DWT散货船在25%主机功率储备下的主机选型，二者主机“减额输出”不同。

由表2计算结果可以看出，“减额输出”大的主机，即6S60MC-C8.2，其EEDI值要比“减额输出”小的主机5S60MC-C8.2低2.63%左右，这是因为“减额输出”减少了主机燃油消耗率，从而使EEDI值降低。

表2 主机减额输出对EEDI值的影响

3. 电控柴油机对EEDI的影响

电控柴油机通过电子控制燃油喷射、滑油注射及废气排放，取代了传统的机械式控制，简化了柴油机结构并提高可靠性。虽然电控柴油机和机械柴油机在MCR点有相同的燃油消耗率，但电控柴油机由于可以电子控制燃油喷射和废气排放，可以在部分负荷下调整喷油规律至最佳，因而在全功率范围内有更低的燃油和滑油消耗量。

图4是S60机MC与ME机型燃油消耗率对比曲线，可见ME机型在低负荷区域内性能更优越。

表3为64 000 DWT和82 000 DWT两种船型分别选取的MC和ME机型时EEDI计算结果。由该表计算结果可以看出，ME机型相对于传统的MC机型，由于其在EEDI工况下有更低的燃油消耗率，故其EEDI值平均提高了2.45%左右。

图4 MAN B&W S60机MC与ME机型燃油消耗率对比曲线

表3 电控柴油机对EEDI指数的影响研究

4. 螺旋桨直径对EEDI的影响

通常情况下，在设计航速一定和螺旋桨的螺距比同为最优的前提下，增大螺旋桨的直径，可降低螺旋桨的转速，提高其效率，进而可减少主机功率的消耗。根据文献[8]可知，船舶螺旋桨直径可由下列公式近似估算：

其中：nM为SMCR点转速，r/min；Dprop为螺旋桨直径，m；PM为SMCR点功率，kW；C为常数，取决于螺旋桨叶数。

根据上述公式，定量分析不同螺旋桨直径对主机SMCR点的影响，如图5所示。计算出不同螺旋桨直径对船舶EEDI值的影响，见表4。

图5 82 000 DWT散货船不同桨径随对应的主机功率输出

表4 螺旋桨直径对EEDI的影响

由表4计算结果可以看出，在船舶航速相同的前提下，随着螺旋桨直径的增大，主机SMCR点的功率随之减小，螺旋桨的直径平均每增加0.2 m，船舶的EEDI值降低1.05%。

三、结论

船舶动力装置作为船舶的“心脏”，其性能的好坏将直接影响整艘船舶。本文以82 000 DWT散货船为例，对船舶动力主机选型过程中的各个影响因素对船舶EEDI产生的影响进行计算分析，结果表明，柴油机“功率储备” “减额输出”“电控技术”及“螺旋桨直径”等四个因素对EEDI值分别产生18.02%、2.63%、2.45%和1.05%左右的影响，“功率储备”增大、“减额输出”降低、“螺旋桨直径”减小均会增加船舶EEDI值。但考虑船舶安全性、初始投资及技术限制等因素，上述各参数在设计时均受到一定约束，所以船舶主动力装置设计选型应在综合考虑各种约束的基础上，适当调整上述参数，以提高整船的能效水平。

[1]诸琳.对新造船能效设计指数的思考[J].船舶工程,2012(1): 29-31.

[2]杨昺崧,孙培廷,黄连中,等.风翼助航船舶的能效设计指数[J].大连海事大学学报,2011(4):39-40.

[3]2012 Guidelines on the method of calculation of the attained energy efficiency design index (EEDI) for new ships [R].Resolution MEPC 212(63),2 March 2012.

[4]Resolution MEPC.212(63).2012 Guidelines on The Method of Calculation of The Attained Energy Efficiency Design Index (EEDI) for New Ships[S].London:IMO,2012.

[5]杨世知,范强,周逸民.船舶能效设计指数解读及温室气体减排措施分析[J].船海工程,2012(6):1-5.

[6]胡琼,徐杰,陈文炜.某散货船的EEDI试航验证评估[J].中国造船,2013(2):69-76.

[7]彭传圣,李庆祥.船舶能效设计指数及其影响[J].航海技术, 2010(5):46-48.

[8]John Larkin(M).Influence of Design Parameters on the Energy Efficiency Design Index (EEDI) [S].February,2010.

10.16176/j.cnki.21-1284.2015.11.009