全壓式液化石油氣船EEDI驗證實踐與分析

曾志剛 宋 磊 孫海莎

(1.武漢長江船舶設計院有限公司 武漢 430062； 2.船舶數據技術與支撐軟件湖北省工程研究中心 武漢 430074；3.華中科技大學船舶與海洋工程學院 武漢 430074)

溫室氣體排放造成的全球氣候變暖問題越來越突出，船舶航運排放受到越來越嚴格的限制，國際海事組織IMO于2018年通過的《減少船舶溫室氣體排放初步戰略》[1]指出，以2008年排放量為參照，國際航運單位運輸排放二氧化碳量至2030年減小40%，至2050年爭取減小70%。為實現航運業的二氧化碳排放的控制，自2015年起新建的400 t以上的船舶將強制遵循二氧化碳排放標準，用能效設計指數(enery efficiency design index，EEDI)衡量其碳排放量，將船型按照散貨船、氣體運輸船、液貨船、集裝箱船、雜貨船、LNG船等分成16類，對不同類型船舶基于大量船舶數據統計由最小二乘法擬合出船舶排放參考值[2]。近年來船市低迷，而隨著美國頁巖氣的發展，液化石油氣(liquefied petroleum gas，LPG)運輸船逆勢上揚[3-4]，對此類船舶碳排放的研究也更加受到重視。

在對EEDI研究方面，孫海曉[5]以某油船為研究對象，基于最小功率對其完成了EEDI值計算，并指出EEDI值對于此噸位油船十分苛刻，在選擇主機時需格外慎重。沈春華等[6]結合船廠的實際操作經驗，對64 000 DWT散貨船EEDI實船驗證進行了詳細的介紹，包括日程選取、海域確定、試航準備、吃水讀取、海況讀取、測試過程管控等方面都做了詳細說明，試驗結果表明，該系列船型EEDI指數均在20%以上，可滿足第二階段要求。高景等[7]以某滾裝船為研究對象，對該船進行了模型試驗和實船試航，在75%功率下試航速度和預報航速基本吻合，以該航速完成EEDI計算，結果表明該船能效指數可達到內河綠色I的要求。Tu等[8]在總結大量數據的前提下基于海軍系數法對EEDI計算中船舶參考值給出了一定修正，將修正后的公式用于船舶預報，效果較好。筆者在國內外學者研究的基礎上，以2艘典型5 000 m3全壓式LPG運輸船為研究對象，以模型試驗的方法對其EEDI計算展開研究與討論。

1 研究對象

LPG運輸船需完成氣體的液化與儲藏，一般有全壓式、半冷半壓式和全冷式3種，其中全壓式即在常溫條件下將氣體加壓至蒸發氣壓(45 ℃)以上使氣體完成液化，通過儲液罐運輸。對于全壓式LPG運輸船[9]，由于其儲液罐容量限制，一般可做到5 000 m3左右，其結構形式為2個2 500 m3儲液罐。研究對象為2個艙容均為5 000 m3的全壓式LPG運輸船，其主要參數見表1。LPG運輸船受儲液罐尺寸影響，需要有較大的橫向甲板面積，與同噸位的其他船型對比，LPG運輸船長寬比較小，船寬吃水比較大，因此其航速較低。

表1 研究對象參數表

2艘船型線圖對比見圖1和圖2，除尺度以外2種船型首部型線差別較大，其中船型(一)球鼻艏伸出長度較短，浸深較大，端部為平直型，船型(二)球鼻艏伸出長度較長，浸深較小，首部圓潤。

圖1 研究對象橫剖面對比

圖2 研究對象縱剖面對比

2 研究方法

根據IMO的規定及中國船級社的《綠色生態船舶規范(2020)》中關于溫室氣體排放控制的要求，EEDI前期驗證需完成模型水池試驗，包含阻力、敞水，以及自航試驗，試驗示意圖見圖3。以水池模型試驗的數據預報船舶在功率參數P和載重能力Capacity下航速Vref，用于計算船舶at-tained EEDI值。計算方法見式(1)。

圖3 模型試驗示意圖

(1)

式中：PME(i)和PAE分別為主機和輔機功率參數；CFME(i)和CFAE分別為主機和輔機的碳轉換系數，將燃油消耗量基于其含碳量轉換為碳排放量；SFCME和SFCAE分別為主機和輔機的單位燃油消耗，為柴油機或蒸汽輪機經核定的單位燃油消耗量；PPTI(i)為軸馬達功率；PPTO為軸帶發電機功率；Peff(i)為在75%主機功率下創新型能效技術用于推進的輸出功率；PAEeff(i)為當船舶在PME狀態下由于采用了創新型電力能效技術而減少的輔機功率；fj為船舶特殊設計因素的修正系數；fi為對載重噸的修正系數；fc為倉容量修正系數；fw為船舶在波高、浪頻和風速的代表性海況下的航速降低的系數；fl為對設有起重機和其他裝卸設備的雜貨船的修正系數；feff為反映任何創新型能效技術的適用系數；fm為冰區加強修正系數。對于研究對象的2條船，PAEeff(i)和Peff(i)均為0，fj、fi、fc、fw和fm均為1。

3 研究結果

船型(一)縮尺比取25.178，船型(二)縮尺比取25，按照縮尺比加工模型并完成阻力、敞水及自航試驗，2艘船模試驗過程見圖4和圖5。

圖4 船型(一)模型及試驗過程

圖5 船型(二)模型及試驗過程

將阻力試驗結果按照二因次法處理，總阻力系數Ct分為摩擦阻力Cf和剩余阻力系數Cr，以傅汝德數Fn為橫坐標，剩余阻力系數Cr為縱坐標表示阻力結果見圖6，可以看出剩余阻力系數船型(一)較船型(二)更優。

圖6 阻力試驗結果

按等推力法完成自航試驗并插值，獲得船舶在設計航速附近的船舶總推進效率QPC和自航因子，見圖7。

圖7 船舶總推進效率QPC和自航因子曲線

EEDI計算中預報航速Vref的功率參數P取75%MCR，如果安裝了軸帶發電機，則軸帶發電機功率PPTO是每臺軸帶發電機額定功率的75%?？紤]軸帶發電機影響時，主機功率PME可按下式(最大允許扣除量不應超過PAE)處理。

0.75×∑PPTO(i)且0.75×PPTO≤PAE

(2)

船型(一)主機額定功率MCR1為2 942 kW，帶有250 kW軸帶發電機，船型(二)主機額定功率MCR2為2 427 kW，結合航速-功率曲線預報船型(一)航速Vref1=13.6 kn，船型(二)航速Vref2=12.3 kn。2艘船型航速預報曲線見圖8。

圖8 航速預報曲線

船舶基準線值RLV=a·DWT-c，對于氣體運輸船a=1 120，c=0.456，DWT為夏季載重吃水下船舶排水量與船舶空船之間的噸位差。2艘船型載重噸及計算中所涉及到的具體數值見表2。

表2 EEDI計算表

船舶CO2排放要求required EEDI在RLV基礎上進行一定折減，根據指導要求，對于載重量在2 000～10 000 t之間的氣體運輸船，第一階段(2015-01-01-2019-12-31)按照載重量在[2 000,10 000 t]之間進行[0,10%]的線性插值折減，第二階段(2020-01-01-2024-12-31)按照載重量(t)在[2 000,10 000 t]之間進行[0,20%]的線性插值折減，第三階段(2025-01-01之后)按照載重量在[2 000,10 000 t]之間進行[0,30%]的線性插值折減。2艘船不同階段折減計算結果見圖9。分析2艘船型的EEDI計算結果可以看出，船型(一)可滿足第一階段排放要求，無法滿足后續階段排放要求，船型(二)可以滿足所有3個階段排放要求。由剩余阻力系數比較結果知船型(一)阻力性能相對船型(二)更為優秀，造成其EEDI值反而不如船型(二)的主要原因是其船舶功率-航速曲線為微凹形曲線，主機功率增大的速度要小于航速提高的速度，船型(二)雖然主尺度和載重噸均大于船型(一)，但選用的主機功率小于船型(一)，所預報的航速也遠小于船型(一)。

圖9 不同階段排放計算

4 結語

本文以2艘不同型線5 000 m3全壓式液化氣運輸船為研究對象，分析了液化氣船的船型特征，并分別選擇合適縮尺比完成水池試驗并進行航速預報，按照中國船級社《綠色生態船舶規范(2020)》計算attained EEDI值，將其與required EEDI值進行比較，有如下結論：

1) 船型(一)符合第一階段排放要求，不符合第二和第三階段要求，船型(二)符合3個階段排放要求，研究過程對全壓式LPG運輸船EEDI驗證有一定參考意義。

2) 全壓式LPG運輸船由于載貨密度較小，載重噸DWT較小，在對參考值RLV進行折減計算時折減比例較低，因此不同階段折減系數對其attained EEDI值影響相對其他船型較小。

3) 僅對于EEDI排放要求而言，需權衡主機和對應航速的選擇，大功率主機和較大航速對EEDI計算不利。