基于EEDI,Ⅲ要求的某新巴拿马型散货船主机选型

黄 深，刘益平，杨泽滨，段仲兵，周崇冠

(中船黄埔文冲船舶有限公司，广东 广州 510715)

随着全球气候变暖日趋严重，进一步控制和缩减船舶CO2的排放已成为人类的普遍共识。国际海事组织(IMO)在《国际防止船舶造成污染公约》(MARPOL)附则Ⅵ中要求，至2025年新建的散货船应满足船舶能效设计指数(EEDI)Ⅲ的要求，即计算值应低于EEDI基线值约30%。迄今为止，随着绿色造船技术的革新，大多数85 000 t散货船均通过增加节能装置或采用环保新能源设计满足EEDI Ⅲ的要求，例如：通过增加轴带发电机、风帆、气泡减阻和采用液化天然气燃料新技术等，安装新系统和设备，但显著增加新建船舶的综合成本。从船舶的采购和运营管理分析，减少船舶CO2排放较好的办法是优选主机，通过降低船舶主机的装机功率和优选主机单位油耗，不仅可降低船舶初次投资成本和运营成本，而且可满足EEDI Ⅲ的排放要求[1]。

IMO海上环境保护委员会(MEPC)《2018年新船达到的能效设计指数(EEDI)计算方法指南》中的EEDI计算公式[2]可分为常规燃料的EEDI和采用减少碳排放措施的EEDI[3]。常规燃料的EEDI主要包括主机推进油耗、辅机日常航行油耗、辅机作为推进装置油耗、辅机节能折减和用于推进的节能折减等技术。主机推进油耗是船舶主辅机75%的装机功率和燃油消耗，辅机日常航行油耗是辅机功率50%负荷的燃油油耗。采用减少碳排放措施的EEDI主要包括辅机作为推进装置油耗、辅机节能折减和用于推进的节能折减等非传统推进系统的创新节能应用技术。

新巴拿马型85 000 t散货船在不考虑增加新节能技术和绿色能源的情况下，在满足IMO MEPC《2013年确定最小推进功率以在不利条件下保持船舶操纵性的暂行指南》的船舶最小装机功率要求下，现有主机选型仍具有相当潜力可挖掘，使85 000 t散货船采用常规推进系统设计即可满足EEDI Ⅲ的排放要求。参照原EEDI计算公式，不采用新节能措施和新能源燃料设计，简化如下：

(1)

式中：ME为主机；
PME为主机功率；
CFME为主机燃油消耗量与CO2排放量之间的转换因数，柴油取3.206；
SFCME为主机的单位燃油消耗量；
PAE为辅机功率，PAE=5%PME；
CFAE为辅机燃油消耗量与CO2排放量之间的转换因数，柴油取3.206；
SFCAE为辅机的单位燃油消耗量；
fi为用于对载运能力技术/规定限制的载运能力因数；
fc为舱容量修正因数；
fl为用于具有起重机和其他起货设备的杂货船因数；
Ca为载运能力；
fw为海上航速降低因数；
Vref为船舶航速。

由式(1)可知：EEDI最终要求PME和PAE选值越尽可能小，则EEDI结果就越好。

新巴拿马型85 000 t散货船的主要参数和船模试验报告数据如表1所示。

表1 新巴拿马型85 000 t散货船主要参数和船模试验报告

通过船模试验数据进行EEDI计算，该型船仅满足EEDI Ⅱ的碳排放要求。主机机型型号不同，其对应的有效功率、燃油消耗率(Specific Fuel Oil Consumption，SFOC)及螺旋桨设计参数不同，EEDI随之变化。新巴拿马型85 000 t散货船的初步设计，基于EEDI计算导则的上述要求，采用低转速主机、对SMCR进行优化[4]，降低主机功率储备[5]，开展主机选型研究。

根据IMO MEPC的指南要求，主机最小装机功率必须满足2个要求之一。

3.1 Level 1评估法

由文献[6]可知：最小装机功率的Level 1评估法计算公式为

Pmin=aDWT+b

(2)

式中：Pmin为最小装机功率，kW；
DWT为船舶载重量，t；
小于14.5万t的散货船，参数a取0.076 3，参数b取3 374.3。

85 000 t散货船按式(2)计算，Pmin=0.076 3×85 000+3 374.3=9 860 kW(取整)。

按式(1)计算，EEDI为3.474 g/(t·n mile)，该值大幅高于EEDI Ⅲ要求的基线值2.988 g/(t·n mile)。

因此，采用Level 1评估法不能满足EEDI Ⅲ的要求。

3.2 Level 2简化评估法

3.2.1 评估原则

根据文献[6]，Level 2简化评估法应采用如下原则:船舶应具有足够装机功率，在迎风顶浪条件下仍可保持一定前进航速，满足船舶在任意方向风浪下保持航向的要求。因此，在迎风顶浪条件下船舶可否达到所需要的最小前进航速，应重点考虑船舶主尺度、线型设计和主机最小装机功率的选择。

3.2.2 评估内容

该评估法包含如下4个方面：

(1)船舶按要求在恶劣海况条件下保持航向，保持在顶风顶浪条件下所要求的前进航速，设定最小前进航速Vnav为4.00 kn。

(2)船舶在任意方向风浪作用下保持航向的最小速度Vck，其计算公式为

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

(3)

式中：Vck,ref为参考保持航向速度，kn；
AR%为实际舵面积Ar与经船宽修正浸没舵面积ALS,cor的比值。

散货船的参考保持航向速度Vck,ref可根据迎风迎浪至艏斜风斜浪30°船体纵向最大阻力予以确认。

在计算结果Vck>Vnav时，船舶前进航速Vs取Vck值；
在Vck≤Vnav时，取Vnav值。

(3)装机功率评估程序。评估原则:

①按下式计算船舶总阻力T：

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

(4)

式中：Rcw为船体静水阻力；
Rair为空气阻力；
Raw为波浪增阻；
Rapp为附体阻力；
t为推力折减因数，取0.1。

②散货船、液货船和兼用船的静水阻力计算可不计波浪造成的阻力：

(5)

式中：k为形状因数，取0.256；
ρ为海水密度，取1 025.00 kg/m3；
S为船体湿表面积，约12 805 m2；
CF为摩擦阻力因数，可通过下式求得：

(6)

(7)

式(6)和式(7)中：Re为雷诺数；
LPP为垂线间长，m；
υ为水的运动黏度，m2/s。

③空气阻力Rair按下式计算：

(8)

式中：Cair为空气阻力因数；
ρa为空气密度，取1.26 kg/m3；
AF为船体和上层建筑正面受风面积，m2；
Vw,rel为相对风速，m/s。

④波浪增阻Raw按下式计算：

(9)

⑤螺旋桨敞水推力因数KT(J)按下式计算:

(10)

Ua=Vs(1-ωa)

(11)

⑥螺旋桨所需要的转速n由下式获得：

(12)

(4)在转速为n时，螺旋桨所需要的推进功率PD按下式界定：

(13)

式中：KQ(J)为螺旋桨敞水转矩因数曲线，相对旋转效率假定为1.0。

对于柴油机而言，发动机的转矩-速度受到限制，即Q≤Qmax(n)，其中：Q为螺旋桨转速为n时发动机输出的扭矩；
Qmax(n)为螺旋桨转速为n时发动机输出的最大扭矩。Q和Qmax可由下式计算：

(14)

(15)

式中：Pmax为螺旋桨转速为n时发动机输出的最大功率。

3.2.3 评估结果

根据船模试验结果，对主机5G60ME-C10.5选用最小装机功率8 150 kW、螺旋桨直径选用7.60 m进行验证和计算，满足文献[6]对最小装机功率的要求，最终结果如表2所示。

表2 Level 2简化评估法试验结果

现行的《船舶在恶劣海况下维持操纵性的最小推进功率导则》计算方法2中，静水阻力、空气阻力和波浪增阻是船舶总阻力的组成部分，其中波浪增阻对总阻力的影响最大。为降低螺旋桨的最小推进功率和最小转速，需要降低总阻力、增加螺旋桨直径以及提高螺旋桨敞水推力因数。在MEPC 76次会议对空气污染与船舶能效议题审议后，对《船舶在恶劣海况下维持操纵性的最小推进功率导则》进行修正，船舶最小装机功率受到一定影响，在新导则实施后需要进一步地研究和分析。

在船舶设计和主机选型时，主机所需要的推进功率会随螺旋桨转速的降低和螺旋桨直径的增大而相应减少[7]，主机功率和转速可通过公式进行粗略地换算，即给定航速。可通过如下近似公式计算得出主机的输出功率：

(16)

式中：P1为船模试验需要的推进功率；
P2为主机选型需要的SMCR；
n1为船模试验螺旋桨转速；
n2为主机选型需要的螺旋桨转速；
α为等航速因数，取决于航速、船舶主尺度和船型参数，取0.15～0.30。

新巴拿马型85 000 t散货船的设计吃水为11.80 m，在主机输出功率为6 750 kW、转速为76.40 r/min(含15.00%海况裕度)时，其含海况裕度因数的设计航速为14.30 kn，不含海况裕度因数结构吃水工况条件下的航速为14.21 kn。根据船模试验数据报告提供的航速和功率的初步结果，结合曼恩(MAN B&W)低速柴油机组选型手册和辅机容量计算表报告的主机功率范围选取区域的要求，选取6S60ME-C10.5、6S60ME-C10.6、5S60ME-C10.6、5G60ME-C10.5和7S50ME-C10.6作为该型船主机研究机型，其功率范围如表3所示。由表3可知：每型MAN B&W系列低速柴油机功率由L1、L2、L3、L4围成一个功率选型区域。L1为该型机的SMCR，即100%功率，L2、L3、L4为指定设计功率。

表3 主机功率范围 kW×(r·min-1)

在等航速条件下，主机转速越低，螺旋桨直径越大，需要的主机功率越小[7-8]。根据主机参数报告提供的主机选型功率范围，在考虑含15.00%海况裕度后，设定17.2%和25.0%两条主机功率储备的等航速线，在其区间附近作为常用主机选型区域[9]，如图1所示。

图1 新巴拿马型85 000 t散货船常用主机型号选型区域

由图1可知：5种主机型号均可满足船舶设计的主机功率储备25.0%的要求，5G60ME-C10.5、5S60ME-C10.6和7S50ME-C10.6可满足船舶设计的主机功率储备17.2%的要求。6S60ME-C10.5型主机的最小功率为9 000 kW，6S60ME-C10.6型主机的最小功率为8 820 kW，由于船舶SMCR不能小于主机最小功率以及超出机型功率曲线选型范围，因此该型船主机最终选型排除采用6S60ME-C10.5和6S60ME-C10.6机型。

根据主机厂家的辅机容量计算表选择SMCR与转速、母型船船模试验数据和等航速曲线的计算公式，对不同的主机选型判断和分析其对EEDI产生的影响情况，具体计算结果如表4所示。

由表4可知:主机功率储备对EEDI的影响较大，主机功率储备越多，EEDI折减率越小，越不能满足EEDI Ⅲ的碳排放要求。5S60ME-C10.6、5G60ME-C10.5和7S50ME-C10.6机型的选型降低主机功率储备，导致在结构吃水工况条件下航速降低。在主机储备功率和结构吃水航速同步降低时，结构吃水航速降低对EEDI的影响远没有降低主机储备功率的影响大。因此，除满足船舶最小装机功率要求和应对主机在长时间运营过程中功率衰减与船底污垢对航速的影响外，主机选型适当预留主机功率储备，船舶碳排放即可满足EEDI Ⅲ的设计要求，无须增加额外的节能设施或采用环保新能源的设计方案。

表4 新巴拿马型85 000 t散货船主机选型对EEDI的影响

主机“降功率输出”是目前船舶设计主机选型比较惯用的手段，是主机节能减排的有效措施之一，即降低主机SMCR的平均有效压力，通过主机最大爆发压力和平均有效压力比值的升高，提高主机热效率，降低主机单位SFOC。在5S60ME-C10.6、5G60ME-C10.5和7S50ME-C10.6主机中，其装机功率选取均在8 150 kW附近，均为降功率输出，其中：5S60ME-C10.6降功率输出值最小，为主机最大输出功率的65.48%；
5G60ME-C10.5降功率输出值最大，为主机最大输出功率的43.31%；
5S60ME-C10.6的热效率更高，其单位油耗大幅低于5G60ME-C10.5；
5S60ME-C10.6的EEDI Ⅲ的裕度为2.24%，超过5G60ME-C10.5的EEDI折减1.13%。因此，不同型号主机降功率输出的大小，对EEDI计算的影响不大。

新巴拿马型85 000 t散货船作为市场上运营较好的巴拿马型散货船之一，不仅可通过新巴拿马运河，而且拥有更大的载货量，运力强，航线广，受到船舶所有人的青睐。以该型船满足EEDI Ⅲ的排放要求为例，研究其主机选型方法，选取5个主机机型作为研究对象，通过计算船舶的总阻力和螺旋桨转速，确定主机最小装机功率，并从主机选型角度出发，挖掘现有可选主机机型性能的最大潜力。可通过降低船舶总阻力和提高螺旋桨的敞水推力因数，预留适当的主机功率裕度，在不配置额外的节能设施或采用环保新能源的设计方案措施下，使设计的新型巴拿马型散货船达到IMO为控制船舶CO2的排放而制定和生效的EEDI Ⅲ要求，不仅可降低船舶的建造成本，而且可减少船舶所有人的船舶管理成本，使该型船具有更大的运营优势。