基于 EEDI 的船舶主機(jī)選型研究

達(dá)　勇，張躍文，張　鵬，李國龍（. 大連海事大學(xué)，遼寧 大連 606；. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 6006）

基于 EEDI 的船舶主機(jī)選型研究

達(dá)勇1，張躍文1，張鵬1，李國龍2
（1. 大連海事大學(xué)，遼寧 大連 116026；2. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116006）

以船舶能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）為背景，上海船舶設(shè)計研究院設(shè)計的綠色船型 Dolphin 82 K 為研究對象，分析船舶主機(jī)選型設(shè)定對 EEDI 所產(chǎn)生的影響，并將 EEDI 作為主機(jī)選型的指標(biāo)之一，建立船舶主機(jī)選型綜合評價模型，實(shí)現(xiàn)對船舶主機(jī)選型的科學(xué)、客觀、合理評價。

EEDI；主機(jī)選型；模糊綜合評價

0　引　言

在國際貿(mào)易和世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動下，船舶CO2排放量也日益增大，船舶節(jié)能減排問題受到造船界和航運(yùn)界的普遍關(guān)注［1-3］。

多年來，IMO 一直致力于“節(jié)能減排”相關(guān)法律法規(guī)的制定，2013 年 1 月 1 日，船舶能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）和能效管理計劃（SEEMP）［4］正式實(shí)施，這是航運(yùn)“節(jié)能減排”領(lǐng)域的重大進(jìn)步，EEDI 和SEEMP 的強(qiáng)制性實(shí)施將對整個船舶行業(yè)帶來更大的挑戰(zhàn)，先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用必將導(dǎo)致造船成本升高，國際船舶準(zhǔn)入門檻提高。

本文從主動力裝置選型角度出發(fā)來研究提高 EEDI水平，介紹 EEDI 的相關(guān)要求，并將 EEDI 作為選型評價指標(biāo)之一，利用模糊綜合評價方法，以某 82 000 DWT 散貨船的主機(jī)選型為例，闡述模型的計算過程，并驗(yàn)證其正確性。

1　船舶能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）

EEDI 是用來衡量新造船舶能效水平高低的指標(biāo)，利用船舶在特定工況下的 CO2排放水平來表示。把EEDI 簡單理解為新造船單位航速、單位載重噸的CO2排放量，適用于除少數(shù)特種船舶外的大部分商船，根據(jù)第 63 次 MEPC 會議頒布的 EEDI 計算方法得知其公式如下［5］：

2　船舶主機(jī)選型對 EEDI 產(chǎn)生的影響

2.1Dolphin 82 K 散貨船主機(jī)選型

以 Dolphin 系列 82 000 DWT 散貨船為研究對象，其在設(shè)計吃水（d = 12.2 m）下，保留 15% 的海況儲備，服務(wù)航速為 14.3 kn，主機(jī)常用服務(wù)功率 CSR 點(diǎn)功率轉(zhuǎn)速為 7 472 kW × 83.2 rpm，以該功率輸出點(diǎn)為基礎(chǔ)，利用 MAN B & W 和瓦錫蘭公司所給的主機(jī)選型區(qū)域，選取市場上 82 000 DWT 散貨船常用的 4 種機(jī)型，并根據(jù)等航速線公式畫出常用主機(jī)選型區(qū)域圖，見圖1。

式中：P，P0為所需要的推進(jìn)功率；n、n0為相應(yīng)螺旋槳轉(zhuǎn)速；α 為等航速系數(shù)，大于 30 000 t 的散貨船，α = 0.25。

如圖1 所示，等航速線上任意一點(diǎn)均可以作為主機(jī)的約定最大持續(xù)功率 SMCR 或 CMCR，只需根據(jù)所選擇的功率點(diǎn)，調(diào)整相應(yīng)的螺旋槳參數(shù)。本節(jié)根據(jù)市場上，該型散貨船常用的幾種機(jī)型，選取合適的SMCR 點(diǎn)，來研究主機(jī)選型過程相關(guān)參數(shù)、技術(shù)的選取，對 EEDI 所帶來的影響，計算結(jié)果如表1 所示，其中 5S60MC-C8.2，7S50MC-C8.2 和 5RT-flex58T-D 三種機(jī)型均留有 10% 的主機(jī)功率儲備，6S60MC-C8.2 留有25% 的主機(jī)功率儲備。

由表1 計算結(jié)果可看出，不同的主機(jī)選型對最終整艘船舶的 EEDI 產(chǎn)生不同程度的影響，如選擇同一品牌、不同缸徑的主機(jī)（5S60MC-C8.2 和 7S50MCC8.2），由于較小缸徑的主機(jī)在維持相同航速的情況下，轉(zhuǎn)速更高、螺旋槳直徑減小、推進(jìn)效率下降，因而需要更高的主機(jī)功率，而且缸徑越小，其燃油消耗率相對越高，造成了 EEDI 值相比于 5S60MC-C8.2 機(jī)型要高 6.61% 左右；如果選不同品牌的柴油機(jī)（5S60MC-C8.2 和 5RT-flex58T-D），其額定功率SMCR 點(diǎn)相同，但由于 5RT-flex58T-D 為電控柴油機(jī)，有較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和燃油消耗率，因而 EEDI 值要比5S60MC-C8.2 低 1.80% 左右，而且不同的主機(jī)功率儲備也對 EEDI 造成了非常大的影響。

圖1　82000 DWT 散貨常用主機(jī)型號選型區(qū)域Fig. 1　Selection area of 82000 DWT common engine type

目前，EEDI 已經(jīng)開始用于衡量船舶的設(shè)計建造水平，并作為船舶建造標(biāo)準(zhǔn)之一寫進(jìn) MARPOL 公約，于2013 年 1 月 1 日開始強(qiáng)制性執(zhí)行，因此對 EEDI 的影響因素分析有著非常重要的意義。由 EEDI 計算公式分析得出：影響船舶能效設(shè)計指數(shù)的主要因素為載重量 Capacity，航速及相應(yīng)的主機(jī)功率。

表1　主機(jī)選型對 EEDI 的影響Tab. 1　Influence of engine selection on EEDI

表2　設(shè)計航速對 EEDI 的影響研究Tab. 2　Influence of design speed on EEDI

2.2設(shè)計航速

EEDI 對船舶設(shè)計航速非常敏感，由海軍常數(shù)公式（7）可知，船舶主機(jī)功率與航速的三次方成正比，當(dāng)船舶設(shè)計航速發(fā)生變化時將對 EEDI 產(chǎn)生非常大的影響，且設(shè)計航速變化直接影響船舶所選擇的主機(jī)型號。

假設(shè)船舶設(shè)計航速以 1 kn 步長變化，主機(jī)均選擇MAN B &W 公司的合適機(jī)型且均滿足 IMO Tier Ⅱ 排放標(biāo)準(zhǔn)（忽略因降低燃油消耗而引起的 NOx排放增加），并假設(shè)留有 15% 海況儲備、10% 主機(jī)功率儲備，計算研究船舶設(shè)計航速對 EEDI 的影響，嚴(yán)格參照《Guidelines on the Method of Calculation of EEDI for New Ships》中的規(guī)定［6］，計算 EEDI 值。

表2 計算結(jié)果顯示，船舶設(shè)計航速對 EEDI 值的影響非常大，航速增加 1 kn，EEDI 值增加 14.33%；而航速每降低 1 kn，EEDI 值平均降低 17.1% 左右。

2.3船舶載重量

由 EEDI 計算公式可以看出，隨著船舶載重量的增大，其 EEDI 值將逐漸降低，且相應(yīng)的基線要求也越來越嚴(yán)格，所以增加船舶裝載能力，可有效提高船舶設(shè)計能效水平，這也非常符合當(dāng)今船舶大型化的發(fā)展趨勢。

2.4船舶所需功率

降低船舶溫室氣體排放，實(shí)質(zhì)就是減少船舶油耗，降低船舶所需功率，包括推進(jìn)功率、輔助功率等一切消耗燃料的功率。由 EEDI 計算公式可看出，在船舶設(shè)計階段，對于相同載重噸船型，在相同設(shè)計航速時，所需主機(jī)功率越低，其 EEDI 值則越低。

3　基于 EEDI 的船舶主機(jī)選型綜合評價模型研究

3.1模糊綜合評價方法基本理論［7］

模糊綜合評價是指對多個被評價對象進(jìn)行公正、客觀、合理的全面評價，常用于評價因素較多、因素之間相互影響難以定量確定的情況，具有數(shù)學(xué)模型簡單、過程明晰、易于掌握等優(yōu)點(diǎn)，本文將采用模糊綜合評價的方法對船舶主機(jī)選型進(jìn)行綜合評價，其內(nèi)容主要包括建立評價因素集、確定評價方案集、確定模糊評判矩陣及綜合評價等。

3.2船舶主機(jī)選型綜合評價實(shí)例

3.2.1建立評價因素集

主機(jī)選型時要滿足以下要求［8］：

1）從功率和轉(zhuǎn)速的角度，應(yīng)選擇大功率、低轉(zhuǎn)速的主機(jī)，以得到較高的船舶動力性及推進(jìn)效率；

2）從主機(jī)初始投資，壽命及可靠性的角度，要求主機(jī)造價低，使用壽命長，可靠性高，且維修保養(yǎng)方便；

3）從燃油和滑油消耗的角度，應(yīng)選擇對燃油和滑油品質(zhì)要求低，且耗油率也低的主機(jī)，盡可能提高營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性；

4）從重量和尺寸的角度，應(yīng)選擇重量輕，尺寸小的主機(jī)，以提升船舶載重量，減小機(jī)艙容積、方便機(jī)艙布置；

5）所選主機(jī)振動噪聲應(yīng)盡量小，以提高機(jī)艙工作環(huán)境；還要考慮柴油機(jī)熱效率要高，技術(shù)先進(jìn)成熟，運(yùn)行可靠等。

因此選取對船舶技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及性能影響較大的7個指標(biāo)作為綜合評價的評價指標(biāo)集，即

式中：u1為 EEDI；u2為船舶動力性；u3為主機(jī)初始投資；u4為主機(jī)燃油消耗率；u5為主機(jī)可靠性；u6為主機(jī)單位有效功率的重量；u7為主機(jī)單位體積所分配的有效功率。

表3　“某專家”指標(biāo)權(quán)重打分調(diào)查表Tab. 3　Index weight scale questionnaire of “Some Expert”

利用層次分析法（AHP）確定各評價指標(biāo)權(quán)重。AHP 是將 n 個元素排成 n 階判斷矩陣，專家通過對指標(biāo)兩兩比較，根據(jù)各因素重要程度來確定矩陣中元素值的大小，然后利用矩陣?yán)碚搧泶_定各個指標(biāo)的重要程度系數(shù)，具有操作簡單、邏輯性強(qiáng)、可信度高等特點(diǎn)。本文向有豐富科研和實(shí)船工作經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室老師及從事動力裝置設(shè)計的工程師等進(jìn)行咨詢，采用 AHP確定主機(jī)選型過程中各影響因素的權(quán)重系數(shù)［9］，其中某專家的評分如表3 所示。

根據(jù)層次分析法權(quán)重計算方法，分別對各專家打分表進(jìn)行一致性檢驗(yàn)并最終計算獲得評價指標(biāo)權(quán)重矩陣，由于人的主觀性影響，及各專家所在領(lǐng)域的不同，因而打分的側(cè)重點(diǎn)會有所不同，采用算數(shù)平均法最終獲得權(quán)重矩陣值：

綜合評價的目的就是對若干個評價方案進(jìn)行比較，從而選出相對最佳方案，以 82 000 DWT 散貨船為例，選取其在市場上常用的幾種機(jī)型作為不同的評價方案，利用模糊綜合評價，選取性價比最優(yōu)的主機(jī)，如表4 所示。

由表4中的幾款主機(jī)，確定評價方案集 P，即

式中：p1為 5S60MC-C8.2；p2為 7S50MC-C8.2；p3為6S60MC-C8.2；p4為 5S60ME-C8.2；p5為 5RT-flex58T-D。

3.2.3評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化及構(gòu)建模糊綜合評價矩陣

確定了各評價方案指標(biāo)的特征值 X 后，由于各評價指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)量綱不同，需要對各個指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除量綱效應(yīng)。在所有評價指標(biāo)中，有的指標(biāo)值越小越好，如 EEDI 值、主機(jī)初投資等；有的指標(biāo)值越大越好，如主機(jī)可靠性、船舶動力性等，采用相對隸屬度的概念，即假設(shè)評價、優(yōu)選、決策等是在有限論域 U 中進(jìn)行，根據(jù)優(yōu)選的相對性，直接在論域 U 中選取評價指標(biāo) ui的上、下確界，作為某評價方案 pj對評價指標(biāo) ui隸屬度的相對標(biāo)準(zhǔn)，計算方法如下［10］：

對于越大越好的評價指標(biāo)

表4　82000 DWT 散貨船常用主機(jī)機(jī)型Tab. 4　Common used engine types of 82000 DWT bulk carrier

表5　標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果Tab. 5　Standardized results

由表5中的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，即可得到船舶主機(jī)選型綜合評價矩陣：

3.2.4主機(jī)選型綜合評價

根據(jù)以上計算所得評價指標(biāo)權(quán)重集 A 和綜合評價矩陣 R，選取廣義加權(quán)平均型模糊算子），由模糊變換，得到各方案的綜合評價值：

4　主機(jī)選型模糊綜合評價結(jié)果

由模型計算結(jié)果可知，根據(jù)最大隸屬度原則，各主機(jī)選型方案排序?yàn)椋?S60ME-C8.2 ＞ 5RT-flex58T-D ＞5S60MC-C8.2 ＞ 7S50MC-C8.2 ＞ 6S60MC-C8.2。通過對各備選機(jī)型的綜合評價，可知 5S60ME-C8.2 在各方面性能均表現(xiàn)優(yōu)異，定為最優(yōu)選擇，而 5RT-flex58T-D 和 5S60MC-C8.2 僅次之，7S50MC-C8.2 和 6S60MCC8.2 總體性能則較前幾種機(jī)型相差較大。

圖2　2009-2013 Dolphin 82 K 散貨船交付機(jī)型Fig. 2　Used engine of dolphin82K bulk carrier between 2009 and 2013

根據(jù) Clarkson 統(tǒng)計的從 2009 年至 2013 年所交付的54 艘 Dolphin 82 K 散貨船中，5S60ME 機(jī)占 15 艘，5S60MC 機(jī)占 28 艘，而 5RT-flex58T-D 機(jī)型可能因其品牌市場占有率等其他因素，僅占 4 艘，7S50MC 和6S60MC 機(jī)型分別為 1 艘和 3 艘，如圖2 所示。從這些交付船的統(tǒng)計來看，5S60ME 和 5S60MC 基本上為Dolphin 82 K 散貨船的最優(yōu)機(jī)型，這也基本和模型的計算結(jié)果相吻合。結(jié)果表明，該方法可以綜合考慮各因素影響，量化船舶主動力裝置選型，彌補(bǔ)以往僅憑經(jīng)驗(yàn)等定性方法的不足，實(shí)現(xiàn)對船舶主機(jī)選型的科學(xué)、客觀、合理評價。

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Research on marine engine selection based on ship energy efficiency design index

DA Yong1， ZHANG Yue-wen1， ZHANG Peng1， LI Guo-long2
（1. Dalian Maritime University， Dalian 116026， China；
2. Dalian Shipbuilding Industry Co. Ltd.， Dalian 116006， China）

In the background of EEDI， the paper focusing on the research on the EEDI during the process of main engine's selection based on green ship-Dolphin 82 K designed by SDARI.To achieve a scientific， objective and reasonable assessment on the engine's selection， using the EEDI as one of the indicators measuring the quality of engine selection and establishing the comprehensive evaluation model for marine engine selection.

EEDI；engine selection；fuzzy comprehensive evaluation

U671.91+1

A

1672-7619（2016）05-0096-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.021

2015-08-24；

2015-10-08

達(dá)勇（1990-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇皠恿ρb置節(jié)能減排。