中小型船舶EEDI 影響因素及對策分析

譚祖勝，王曉東，沈漢峰

(1.武漢理工大學產業集團有限公司，武漢 430063;2.武漢南華黃岡江北造船有限公司，武漢 438000)

0 引言

2011 年7 月15 日，國際海事組織海上環境保護委員會(IMO MEPC)第62 次會議通過國際防止船舶造成污染公約(MARPOL 73/78)附則VI 修正案決議MEPC.203(62)船舶能效要求，確定“新船能效設計指數(Energy Efficiency Design Index，EEDI)”和“船舶能效管理計劃(SEEMP)”兩項船舶能效標準，根據默認生效程序，該決議于2013 年1 月1 日生效［1］，并在2012 年3 月2 日第63 次會議通過的決議MEPC.212(63)和MEPC.214(63)中進行修訂和生效重申［2-3］.

EEDI 適用于所有400 總噸及以上船舶，并分4個階段逐步達到在基線基礎上降低碳排放30%的目標，即2013 年1 月1 日—2014 年12 月31 日可保持基線要求，2015 年1 月1 日—2019 年12 月31 日降低10%，2020 年1 月1 日—2024 年12 月31 日降低20%，2025 年1 月1 日及以后降低30%［1，3］.對于中小型船舶，如載質量為2 萬t 以下的散貨船和液貨船、1 萬t 以下的氣體運輸船等注明可以在0 到相應降低指標之間根據噸位插值執行，且船型越小，允許要求的降低指標越低［1］.

對中小型船舶降低標準要求，并不是因為其本身相對較小的排放，而是因為其本身執行標準的難度.然而，考慮到不達標船舶可能被限制貿易機會，如拒絕進入港口、招租或轉賣困難等，船舶所有人可能并不愿意接受標準對降低要求的規定，這就意味著中小型船舶仍須嚴格執行EEDI 標準.

1 不同噸級船舶EEDI 的趨勢分析

根據文獻［3］，EEDI 的計算公式如下:

式中:Ccapacity代表船型的大小，即載質量或總噸;其他變量說明參閱文獻［3］.

按規定要求，船舶設計所能達到的EEDI 不得大于標準要求的EEDI(即Required EEDI)［1，3］，即

式中:AAttainedEEDI即船舶設計所能達到的EEDI;RRequiredEEDI即標準要求的EEDI;X 即分階段的相應降低指標;RReferenceLineValue即行業中所稱的基線，基線與船型和其噸位大小直接相關［1，3］，即

式中:a，c為統計分析獲得的船型系數，Ccapacity對下文論及的液貨船和氣體運輸船而言即船舶的載質量(deadweight of the ship)［1，3］.

圖1為載質量50 萬噸級以下液貨船回歸線——基線［4］.

圖1 液貨船EEDI 基線

圖2為按式(2)計算繪制的載質量1 000～1 萬噸級液貨船［1，3］的標準要求的EEDI 趨勢曲線.DNV船級社計算所得的油船基線及R2值(R2表示與基線的吻合度)也顯示出這種趨勢［5-8］.

圖2 載質量為1 000～1 萬噸級液貨船標準要求的EEDI 趨勢曲線

雖然從全系列噸級船型標準要求的EEDI 基線看，有分析認為載質量大的船舶相對載質量小的船舶更難達到EEDI 要求［9］，但從圖1和2 的趨勢不難看出，載質量為1 萬噸級以下的船型，其噸位變化對曲線曲率的影響很大，接近1 萬t 時這種變化趨勢趨緩，說明在設計中小型船舶時，EEDI 各影響因素對EEDI 計算結果影響的敏感性更大.

EEDI 標準的強制實施，意味著國際航運市場從此開始快速步入“大船低碳”時代.船舶大型化，既可以更好地滿足EEDI 標準規定的要求，也能在一定程度上降低營運成本.但是，作為內河、沿海、近海或中短途航運市場的主力，中小型船舶市場需求仍然很大.由于中小型船舶長期航行于大陸架以內或附近，且相對更頻繁地進出港口，各排放監管機構對其關注頻率也相對更高.所以，即使允許中小型船舶放寬EEDI 要求［1，3］，但船舶所有人為實際利益所驅，以及排放監管機構為嚴格執法所驅，都將趨向于要求嚴格執行EEDI，中小型船舶滿足EEDI 標準將面臨嚴峻挑戰.

2 中小型船舶EEDI 計算實例

表1為在建和在航的幾類中小型液貨船［1，3］(載質量為4 700 t 的油船/瀝青船、5 500 t 的成品油/IMO 2 類化學品船和6 000 t 的油船/瀝青船)EEDI 計算實例，該3 種類型船舶均按未采用創新能效技術進行計算.他們的船級符號分別為

4 700 t 油船/瀝青船:BV I +HULL，Oil Tanker-ESP/Asphalt Carrier Max.temperature 250 ℃，Unrestricted Navigation，Finnish-Swedish Ice Class1A，+MACH，+ AUT-IMS，SYS-NEQ，MON-SHAFT，+VeriSTAR-Hull，VeriSTAR-Machinery.

5 500 t 成品油/IMO 2 類化學品船:BV I +HULL，Product Tanker/Chemical Tanker IMO TYPEⅡESP，F.P.＜60 ℃，+MACH，AUT-CCS，IWS.

6 000 t 油船/瀝青船:★CSA，Asphalt Carrier(Independent tank，Maximum cargo temperature ≤200 ℃)/Oil Tanker，F.P.＞60 ℃，ESP，Ice Class B，Ballast Water Management Plan，★CSM.

從計算結果看，載質量為4 700 t 的船和5 500 t船距第1 階段的要求還有差距，6 000 t 的船能滿足第3 階段的要求，距離第4 階段的要求還有差距.

在表1中，對比各船主要參數可以看出，載質量為6 000 t 船為了獲得較好的RRequiredEEDI指標，在航速上作出犧牲，從而大幅度降低主機的功率，才將AAttainedEEDI值控制在第3 階段的RRequiredEEDI指標要求以內.但是，船舶航速作為船舶主要性能指標和營運指標，是船舶所有人關注的重要指標之一，其左右著該船舶的營運經濟性，所以采取降低船舶航速控制AAttainedEEDI值的方法，應綜合考慮各種因素，慎重對待，并不適合所有船舶.

表1 中小型液貨船EEDI 計算實例

3 中小型船舶EEDI 影響因素及對策分析

EEDI是一種技術手段，它能夠表達船舶滿載正常航行中單位載質量、單位航程的主機和輔機排放CO2的指標.國際海事組織海上環境保護委員會(IMO MEPC)實施EEDI 標準的目的是有效利用能源，降低CO2的排放.EEDI 公式中各參數不同程度地影響著AAttainedEEDI值，無論是船舶所有人還是船舶設計方，都應針對這些參數權衡利弊、綜合分析，并通過采取相應對策滿足標準要求.

3.1 合理定位船舶性能參數

從式(1)看，對其影響最大或是起決定性作用的主要參數有航速Vref，船舶載質量或總噸Ccapacity及為達到該目的所需要安裝的功率PME和PAE［3］.

中小型船舶是根據其航行水域和實際營運需要定位的，想通過大型化即加大船舶載質量或總噸Ccapacity來顯著降低AAttainedEEDI值與其本身定位并不相符.

圖3為載質量4 700 t 船的有效功率曲線，具有排水量型船舶有效功率曲線的典型特征.

圖3 4 700 t 船有效功率曲線

從圖3可以看出，4 700 t 船將航速從14.0 kn降低到13.5 kn，航速降低不到4%，而對主機功率的需求降低接近30%.當然，從表1可以看出，如果想控制其AAttainedEEDI達到第1 階段的要求，還必須進一步降低主機功率，或采取其他措施.

一般地，在實際營運經濟性和市場定位許可的前提下，特別是作為中短途航行的中小型船舶，采取降低船舶航速控制AAttainedEEDI值的方法仍然可以作為一種可選的方案.通過航線規劃和相應航行時間的估算，可以與船舶所有人協商，綜合權衡船舶各項性能指標、經濟指標和營運指標，通過適當降低對航速的追求，從而降低對主機功率的需求，并以此顯著降低AAttainedEEDI值，使船舶能達到要求的RRequiredEEDI指標.作為以節能環保型綠色船舶立項的載質量6 000 t 的船，就是通過該途徑，才使得AAttainedEEDI值滿足第3 階段RRequiredEEDI指標要求的.從表1 也可以看出，6 000 t 船相對5 500 t 船航速略有降低，主機功率相應更小，從而有較好的AAttainedEEDI值.這是控制EEDI 最簡單、最基本的一種對策，無須采取任何創新能效技術就能使現有設計的船舶達到EEDI標準.

目前，歐盟甚至在針對進入其港口的船舶考慮出臺相關標準實施強制限速以降低CO2排放在港口區域所造成的影響，對于中短途航行、頻繁進出港口的中小型船舶，在這種標準要求背景下，直接降低船舶設計航速及其相應的主機功率更符合其初期投資和營運經濟性.

3.2 降低船上生活設施對輔機功率的需求

船舶最低船員定額并不與船舶載質量或總噸有相應的比例關系，即中小型船舶與大型和超大型船舶的最低船員定額并不按船舶噸級有大幅度減少.按我國現行《船舶最低安全配員規則》和IMO《海員培訓、發證和值班標準國際公約》(STCW)規定的3 000 t，3 000 kW 以上一般船舶，以及按ILO《海上工資、工時和人員配置公約》規定的2 000 t 以上船舶，其最低安全配員要求一樣.這就意味著，中小型船舶的船上生活設施用電負荷與電站總負荷的比例相對大型和超大型船舶更高.

中小型船舶主機功率一般都在10 000 kW 以下，輔機功率PAE則按如下公式計算［3］:

表1中，按式(4)計算所得的輔機功率均不能滿足船上實際使用需要，航行于環境溫度較低航區的船舶差額更大.在這種情況下，輔機功率PAE必須按船舶在Vref航速時所消耗的電功率除以發電機加權 平 均 效 率 予 以 估 算［3］，這個 值 大 于PAE(MCRME＜10000kW)，所以AAttainedEEDI值將相應增大，這給中小型船舶滿足EEDI 標準帶來更大困難.

為保證船舶正常航行以及船上生活設施正常運行，并能降低對輔機功率的需求，運用廢熱利用技術，充分回收再利用主機冷卻水系統和廢氣系統的廢熱，比如在主機廢氣系統上安裝廢氣鍋爐，向船舶居住艙室和其他生活設施提供熱源和熱水、加熱燃油等;海水淡化裝置通過對主機高溫冷卻水處理后提供淡水等.雖然對于中小型船舶的可利用熱源很有限，但仍可以盡可能多地增大PAEeff(i)值，降低對PAE(MCRME＜10000kW)的需求，以降低AAttainedEEDI值.

適當增加初投資成本，在船上安裝一套軸帶發電機，供船舶在Vref航速時提供船上電力需求，降低AAttainedEEDI值.4 700 t 船安裝軸帶發電機后，調整表1計算，其AAttainedEEDI值降到15.928 8，可以滿足2019年12 月31 日之前的RRequiredEEDI要求.

3.3 開發、應用創新能效技術

式(1)中參數Peff(i)，PAEeff(i)和feff(i)分別代表因創新能效技術的應用而減少的主機功率、輔機功率和創新能效技術的可利用系數［3］，這意味著EEDI標準的最高宗旨是鞭策船舶設計、研究機構開發、應用創新能效技術.我國《十二五產業技術創新規劃》提出，船舶工業重點開發的關鍵技術第1 點即是主流船舶優化與換代技術，以快速實現產品的升級和轉型，提高企業核心競爭力和持續發展能力.

考慮到創新能效技術的知識產權，以下僅就典型的創新能效技術作簡單介紹.

對于船舶設計，目前正在開發或應用的較為成熟的創新能效技術有:(1)基于軟件的CFD(計算流體動力學)、模型試驗和理論分析優化船體線型降低阻力［10］;(2)深入船舶結構和舾裝件設計精細計算降低空船質量;(3)無壓載水或少壓載水船型設計保持足夠的吃水和航行安全;(4)X 船首設計;(5)廢熱回收利用技術和水源熱泵技術;……

對于船舶設備，目前正在開發或應用的較為成熟的創新能效技術有:(1)乙醇-柴油混合燃料發動機、LNG 發動機或LNG 及燃油雙燃料發動機［11］;(2)高效超低排放發動機;(3)節能減阻及尾流能量回收裝置;(4)螺旋槳前導流鰭或反應鰭;(5)螺旋槳后節能裝置;(6)助航風帆或風翼［12-13］;……

通過提高Peff(i)，PAEeff(i)和feff(i)，不僅可降低AAttainedEEDI值，更能提高單位尺度的載質量，有效利用資源引領行業技術的發展方向.

4 結束語

隨著2011 年7 月15 日國際海事組織海上環境保護委員會(IMO MEPC)第62 次會議通過修正案決議MEPC.203(62)，EEDI 標準就一直被行業廣泛關注，且不斷有分析認為，新造船EEDI 公式是不合理、不安全和低效率的，特別是國際海事組織海上環境保護委員會(IMO MEPC)在2012 年3 月2 日第63 次會議通過決議MEPC.212(63)和MEPC.214(63)以后，這種關注變得更為強烈［14］，但節能減排是大勢所趨，EEDI 生效勢在必行.2011 年10 月12日，我國交通運輸部通過“十二·五”水運節能減排實施方案，到2015 年，營運船舶單位運轉周轉量能耗要求比2005 年降低15% 以上，CO2排放降低16%以上，其要求并不低于EEDI.所以，無論實施該標準有多困難，也無論中小型船舶對全球CO2排放影響有多小，唯一的出路就是迎難而上，根據具體情況進行綜合分析，積極采取有效對策，特別是積極開發、應用創新能效技術，降低AAttainedEEDI值，滿足標準的要求，促使科學持續發展.

然而，關于EEDI 的計算以及基線值的定義，國際海事組織海上環境保護委員會(IMO MEPC)會議還一直在討論和完善中，我們將繼續對此進行跟蹤和更新.

［1］國際海事組織海上環境保護委員會.國際防止船舶造成污染公約附則VI 修正案決議MEPC.203(62)船舶能效要求［S］.2011-7-15.

［2］國際海事組織海上環境保護委員會.決議MEPC.214(63)能效設計指數(EEDI)驗證和發證指南2012［S］.2012-3-2.

［3］國際海事組織海上環境保護委員會.決議MEPC.212(63)新造船能效設計指數(EEDI)計算方法指南2012［S］.2012-3-2.

［4］國際海事組織海上環境保護委員會.MEPC 62/6/4 考慮和采納強制性文件修正案，確定EEDI 基線參數的計算［S］.2011-1-10.

［5］劉雅玲.新造船能效設計指數介紹及分析［J］.中國造船，2009，50(4):165-170.

［6］李百齊，程紅蓉.關于EEDI 衡準基線的研究［J］.中國造船，2010，51(4):51-57.

［7］李百齊，程紅蓉.關于EEDI 衡準基面的研究［J］.中國造船，2011，52(2):34-39.

［8］ZHOU Weixin，LI Baiqi，HU Qiong，et al.EEDI:an important factor of green ship studied in China Ship Scientific Research Center［J］.中國造船，2011，52(4):13-22.

［9］柳衛東，陳兵.新造船能效設計指數及其對船舶設計的影響［J］.船舶工程，2010，32(2):17-21.

［10］張寶吉，許樂平.考慮尾部黏性分離的全船線型優化［J］.上海海事大學學報，2010，31(4):32-35.

［11］朱建元，洪亮.乙醇-柴油混合燃料在柴油機上的應用［J］.上海海事大學學報，2010，31(4):45-48.

［12］曾向明，胡以懷，王友聰.不同形狀風帆的風洞試驗［J］.上海海事大學學報，2010，31(4):28-31.

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［14］顧偉紅，徐瑞華.海運溫室氣體減排市場機制的不確定性［J］.上海海事大學學報，2012，33(3):52-57.