基于節(jié)能減排目標(biāo)下高能效船舶設(shè)計(jì)方法研究

王小華，王昊天

(1.博格推進(jìn)器國際貿(mào)易(上海)有限公司，上海200050；2.上海世界外國語中學(xué) 國際部，上海 200233)

0 引言

船舶運(yùn)輸?shù)娜加徒?jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)超公路、鐵路或航空，特別是在大件運(yùn)輸上，船舶有著無以倫比的優(yōu)勢，因此全球大約90%的國際貿(mào)易是通過海運(yùn)的方式來實(shí)現(xiàn)的。這也是在過去的一個多世紀(jì)里，推動國際貿(mào)易大幅度持續(xù)提高的一個重要因素。

我國是一個航運(yùn)大國，更是造船大國，但是新冠疫情的暴發(fā)使得我國造船業(yè)面臨著很大的挑戰(zhàn)。原材料、燃料、有色金屬等價(jià)格持續(xù)上漲，特別是鋼材價(jià)格的一路飆升，給我國船廠帶來了很大的成本壓力。同時，我國新造船業(yè)還必須要面對為了滿足近年來新的國際規(guī)范、新標(biāo)準(zhǔn)而產(chǎn)生的巨大壓力。能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)自2013年實(shí)施以來，新船設(shè)計(jì)、動力系統(tǒng)和船舶涂裝優(yōu)化及航行規(guī)劃等都有了重大的改變。

高能效的船舶，在設(shè)計(jì)初期就需要針對不同船型、不同航線、原動機(jī)及推進(jìn)器等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文通過研究不同主尺度和航速下的各類船型的能效設(shè)計(jì)指數(shù)，探討高能效船舶設(shè)計(jì)的基本思路。

1 船舶減排目標(biāo)

1997年的MARPOL公約會議上，國際海事組織(IMO)通過決議，開始研究船舶減排問題。之后的多年間，IMO一直在尋求船舶溫室氣體減排的措施和方案。

在2018年IMO會議上，隨著全球減排壓力進(jìn)一步增大，專家組提出了在本世紀(jì)盡快實(shí)現(xiàn)“零排放”的目標(biāo)。以2008年作為新的排放基準(zhǔn)年, 希望在2050年底前能達(dá)到減少50%的溫室氣體排放的目標(biāo)，同時碳排放強(qiáng)度到2030年降低至少40%，到21世紀(jì)中葉降低70%。目前，氣體排放的目標(biāo)與IMO的“零排放”目標(biāo)之間有著很大的差距，這就需要新造船進(jìn)一步采取有效改進(jìn)措施，采用新能源動力技術(shù)。2021年6月中旬，IMO在MEPC第76屆線上會議上發(fā)布了成果簡報(bào)，針對EEDI的計(jì)算方法進(jìn)行了修訂，對新造船的EEDI第2和第3階段日期做出了統(tǒng)一解釋。

2 提高船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)的基本思路

目前，船舶節(jié)能減排的思路有以下5個方向：

(1)船舶航線的優(yōu)化和自動導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用。這里主要考慮航線上的天氣情況、洋流情況等。

(2)螺旋槳本身的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及保持螺旋槳表面清潔。

(3)主機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)的新技術(shù)和優(yōu)化。

(4)保持船體表面的清潔光滑。

(5)船體水動力性能優(yōu)化。

本文根據(jù)某水池的部分船型的船模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的部分船型CFD數(shù)據(jù)，從船體水動力性能優(yōu)化的角度進(jìn)行探討，對應(yīng)3大主力船型：散貨船、集裝箱船和油船，從典型船型設(shè)計(jì)角度分析其對船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)的影響。

3 主尺度優(yōu)化對EEDI的影響分析

本文基于載重噸/排水量=0.85，軸功率=有效功率/0.75的假定，研究3大船型不同的航速、水線間長、船寬和吃水對船舶EEDI的影響。EEDI基準(zhǔn)線是按IMO提供的2008年作為基準(zhǔn)年得出。

3.1 航速對船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)的影響

3個船型的具體主尺度見表1。

表1 航速對EEDI影響的3個船型主尺度

圖1～圖3分別顯示了3個船型在不同航速下的EEDI的變化。

從圖1～圖3的可以直觀地看出：

圖1 散貨船在不同航速下的EEDI

圖2 集裝箱船在不同航速下的EEDI

圖3 油船在不同航速下的EEDI

(1)航速越高，船舶目標(biāo)EEDI和船舶基準(zhǔn)EEDI的差值越小。散貨船、油船的差值零點(diǎn)出現(xiàn)在14 kn，集裝箱船的差值零點(diǎn)出現(xiàn)在21 kn。由此可以得到這3種船型的最大理想航速。

(2)船舶在低速時航速對船舶目標(biāo)EEDI值的影響相對較小。集裝箱船航速超過30 kn、油船航速超過20 kn后，影響快速增長。

(3)目標(biāo)EEDI和裝機(jī)功率/排水量比值，有著相似的走向。

綜上，這3種船型新船設(shè)計(jì)時可以考慮較低的設(shè)計(jì)航速，從而有效地提高船舶的EEDI。

3.2 水線間長(Lwl)對船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)的影響

本次分析對應(yīng)的船型主尺度見表2。

表2 水線間長對EEDI影響的3個船型主尺度

圖4～圖6分別顯示了3個船型的不同水線間長在12 kn航速下對EEDI的影響，結(jié)合3種船型在高航速時的EEDI表現(xiàn)，可以得出結(jié)論：

圖4 散貨船在12 kn時Lwl對EEDI的影響

圖5 集裝箱船在12 kn時Lwl對EEDI的影響

圖6 油船在12 kn時Lwl對EEDI的影響

(1)在12 kn航速下，水線間長增加時，船舶目標(biāo)EEDI和船舶基準(zhǔn)EEDI的差值在減小；但在高航速時，水線間長的增加卻使得船舶能效差值也在增加。這是因?yàn)椋咚俸叫袝r，興波阻力在增加。所以航速高時，較長的船舶的性能表現(xiàn)得更好。

(2)對于散貨船和集裝箱船，小型船舶的長度對目標(biāo)EEDI的影響大于大型船舶。

(3)船舶目標(biāo)EEDI和裝機(jī)功率/排水量比值，有著相似的走向。

綜上，航速低時，小型船舶的能效表現(xiàn)更好；航速高時，大型船舶的能效表現(xiàn)更好。

3.3 船寬對船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)的影響

本次分析對應(yīng)的船型主尺度見表3。

表3 船寬對EEDI影響的3個船型主尺度

圖7～圖9分別顯示了18 kn航速下3個船型的不同船寬對EEDI的影響。

圖7 散貨船在18 kn時船寬對EEDI的影響

圖8 集裝箱在24 kn時船寬對EEDI的影響

圖9 油船在18 kn航速時船寬對EEDI的影響

結(jié)合在12 kn航速下船寬對EEDI的影響,可以得出結(jié)論：

(1)在12 kn航速下，隨著船寬數(shù)值的加大，船舶目標(biāo)EEDI和船舶基準(zhǔn)EEDI的差值在減小。但在高航速(18 kn和24 kn)時，隨著船寬數(shù)值的增加船舶能效差值也在增加。

(2)船舶目標(biāo)EEDI和有效功率/排水量比值，有著相似的走向。

(3)船舶設(shè)計(jì)航速較低時應(yīng)采用較小的船寬，設(shè)計(jì)航速較高時應(yīng)采用較大的船寬值。

綜上，航速低時，較窄的船舶能效較高；航速高時，寬大的船舶能效表現(xiàn)更好。

3.4 吃水對船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)的影響

本次分析對應(yīng)的船型主尺度見表4。

表4 吃水對EEDI影響的3個船型主尺度

圖10～圖15分別顯示了3個船型在不同船寬不同航速下的EEDI的變化，可以得出結(jié)論：

圖10 散貨船在12 kn航速時吃水對EEDI的影響

圖11 集裝箱船在12 kn航速時吃水對EEDI的影響

圖12 油船在12 kn航速時吃水對EEDI的影響

圖13 散貨船在18 kn航速時吃水對EEDI的影響

圖14 集裝箱船在24 kn航速時吃水對EEDI的影響

圖15 油船在18 kn航速時吃水對EEDI的影響

(1)在12 kn航速下，隨著吃水的增加，船舶能效差值在減小。但在高航速(18 kn和24 kn)時，隨著吃水的增加，船舶能效差值也在增加。

(2)船舶目標(biāo)EEDI和裝機(jī)功率/排水量比值，有著相似的走向。

(3)設(shè)計(jì)吃水小的船在航速較低的情況下船舶的能效較高；而設(shè)計(jì)吃水大的船，在航速較高的情況小船舶能效較高。

綜上，設(shè)計(jì)吃水小的船舶應(yīng)選擇采用較低的設(shè)計(jì)航速，而設(shè)計(jì)吃水大的船舶可以采用較高航速。

4 結(jié)論

通過對這3大船型性能參數(shù)分析，在進(jìn)行船舶總體設(shè)計(jì)時，可以借鑒下面4點(diǎn)：

(1)采用相對較低的設(shè)計(jì)航速。當(dāng)降低航速到各船型的臨界航速點(diǎn)以下，可以有效提高船舶的能耗效率，如：集裝箱船設(shè)計(jì)航速可以考慮在21 kn以內(nèi)，散貨船和油船航速可以考慮在不高于14 kn的設(shè)計(jì)航速。

(2)設(shè)計(jì)航速較低(在12 kn左右)時，可以考慮小型船舶尺度(長度較短的船舶)。如果設(shè)計(jì)航速較高(超過18 kn)時，可以考慮較大的船舶尺度(長度較長的船舶)。

(3)如果設(shè)計(jì)航速較低(在12 kn左右時)，建議采用船寬較小的設(shè)計(jì)。反之亦然。

(4)設(shè)計(jì)航速較低時(在12 kn左右時)，設(shè)計(jì)吃水也要偏小。如設(shè)計(jì)航速較高時(18 kn以上時)，設(shè)計(jì)吃水可以選擇較大的吃水。

本文分析了根據(jù)不同的船型，在不同的航速和主尺度下，可以有著很大不同的EEDI表現(xiàn)這一特點(diǎn)，進(jìn)行新建船型的選擇，優(yōu)化船型設(shè)計(jì)。