大型LNG船能效設計指數提升研究

翁振勇，楊春華

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

0 引言

目前,全球氣候變暖問題日趨嚴峻,由此導致的各類問題正嚴重威脅著人類的生存環境，因此氣候變暖已成為全世界共同關注的問題。為減少全球氣候變暖對環境帶來的影響，國際海事組織(IMO)制定了各類船型的能效設計指數(Energy Efficiercy Design Index，EEDI)計算方法。2011年7月15日，海洋環境保護委員會(MEPC)形成MEPC.203(62)決議，將船舶能效規則納入MARPOL 附則 VI，并于2013年1月1日生效。之后，MARPOL 附則 VI經過了數次修訂。

2020年11月，IMO召開MEPC 75會議，通過收集和分析滿足EEDI要求的船舶能效的相關數據，將集裝箱船、雜貨船、LNG運輸船、具有非傳統推進系統的豪華郵輪和15 000載重噸以上的氣體運輸船的EEDI第3階段執行日期由2025年1月1日提前至2022年4月1日，并對不同船型的EEDI進行了修正，要求也越來越高。同時，針對新造船的EEDI第4階段要求也在制定當中。MEPC 74會后成立的EEDI第4階段通信工作組向MEPC 75會議提交了工作報告，并就EEDI第4階段要求如何助力實現減排初步戰略2050進行了討論。上述一系列EEDI相關決議及措施的發布都充分表明全球在控制溫室氣體排放最終實現零碳排放目標的決心，而在零碳燃料和新能源技術普及之前，LNG因具有燃燒后對空氣污染小且放出的熱量大等優點，被公認是一種較為理想的清潔能源。

為控制和減少二氧化碳的排放，更好地執行EEDI標準，本文以17萬立方米級LNG船為研究對象，介紹EEDI發展歷程，提出最新雙燃料低速機直推型LNG船EEDI的具體計算方法，并結合不同節能裝置給出提升大型LNG船EEDI的可行性方案，對其他同類型雙燃料低速機直推型船EEDI計算有一定的借鑒意義。

1 EEDI通用數學模型

船舶能效設計指數EEDI是經過計算得出的一個無量綱數值，目的在于通過數值計算得出船舶運輸每噸貨物每海里所排放的CO數量。針對新造船，EEDI限值按照不同年限分成4個階段(Phase 0、1、2、3)，要求新造船的能效水平達到相應階段的能效限值,進而使得船舶能效得到持續有效的提高，以降低CO排放。

IMO對400總噸以上的不同船型的新造船都設定了EEDI能效限值，公式如下：

EEDI能效限值=

ab

(1)

式中：

a

、

c

為無量綱系數；

b

為載重量；

a

、

b

、

c

的值根據船型不同，取值也不相同。

根據MEPC.245(66)決議，單個具體新造船的EEDI能效設計指數按照以下通用公式(2)計算：

(2)

式中：

P

為EEDI工況下主機功率；

C

為主機燃料碳轉換系數，根據不同類型燃料選??；

SFC

為EEDI工況下船舶主機的單位油耗；

P

為輔機功率；

C

為輔機燃料碳轉換系數，根據不同類型燃料選?。?p>SFC

為EEDI工況下輔機的單位油耗；

f

為船舶特定設計要素的修正系數；

P

為軸馬達功率；

f

為新技術及設備系數；

P

為減少的輔機功率；

P

為創新機械能效技術輸出；

f

為裝載量因數；

f

為艙容修正系數；

f

為對一般船舶因安裝起重機或貨物船東設備而引起載重量損失的修正系數；

Capacity

為不同船型的載重量或總噸；

f

為由浪流、風等不良海況引起的船舶減速影響系數；

V

為特定功率和負載條件下的船舶航速。

2 雙燃料低速機直推大型LNG船EEDI計算方法

2.1 不同推進系統對大型LNG船EEDI計算值的影響

按照推進系統的不同，大型LNG船可分為蒸汽透平推進、低速柴油機推進、雙燃料中速機電力推進、雙燃料低速機直推等4種推進系統。不同的推進系統，IMO對其EEDI的計算方法也大不相同。某17萬立方米級LNG船型采用不同推進系統得出的EEDI比較結果見表1。從表中可以看出：雙燃料中速機及雙燃料低速機直推型LNG船均可滿足EEDI Phase III要求。然而，一旦IMO發布更嚴格的碳排放要求，雙燃料中速機加減速齒輪箱的推進型式將很難滿足，這主要是由于采用該推進方式的LNG船，整個推進鏈比較復雜，傳動效率較低。而采用雙燃料低速機直推LNG船以推進效率更高、油耗更低、能效設計指數更好等特點受到廣大船東的青睞，成為近年來大型LNG船的主流推進系統。

表1 不同推進系統LNG船EEDI對照表

2.2 雙燃料推進船型主燃料判定

實際運營過程中，雙燃料低速機直推型LNG船有燃氣模式及燃油模式可選。根據MEPC.308(73)要求，在進行該船型的EEDI計算之前，需要對哪種燃料作為船舶推進的主燃料進行判定，判定公式具體如下：

K

liquid()+

V

·

ρ

·

LCV

·

K

)

(3)

式中：

V

為各燃料艙的總艙容；

ρ

為各燃料密度；

LCV

為各燃料熱值；

K

為各燃料的燃料艙裝載率。上述公式的本質在于判定燃料艙裝載至限制液位的情況下，LNG燃料占總燃料的比重，若計算得出

f

的值大于0.5，則可判定LNG作為推進主燃料；反之，可判定常規燃料作為主燃料。對于大型雙燃料低速機直推型LNG船，其貨艙艙容遠大于普通燃料艙，而且一般該船型都會在2～3個貨艙內配置燃氣泵向主機輸送天然氣作為燃料，即貨艙艙容可直接作為LNG燃料艙進行計算，因此大型雙燃料低速機直推型LNG船的

f

值必然大于0.5。

綜上所述，對于雙燃料低速機直推型LNG船，可用LNG作為主燃料進行EEDI計算。

2.3 雙燃料低速機推進LNG船的EEDI計算數學模型

對于采用雙燃料低速機直推型LNG船，其雙燃料主機及雙燃料發電機在燃氣模式下的油耗由2部分組成：主燃料天然氣和點燃油MDO/MGO，需要分別計算碳排放。因此，MEPC.245(66)根據通用EEDI計算公式衍生出適用于雙燃料船型的EEDI計算公式如下：

EEDI

=|[

P

·(

C

·

SFC

+

C

·

SFC

) ]+[

P

·(

C

·

SFC

+

C

·

SFC

)]|/(

V

·

Capacity

)

(4)

式中：

P

為主機EEDI功率點消耗功率，取最大持續輸出功率(

P

)的75%；

P

為發電機消耗功率，計算公式為：

P

=0.025

P

+250+0.02

P

，或者按照實際電力負荷計算書取值；

C

為點燃油的碳轉換系數，本船型采用MDO/MGO作為點燃油，因此該系數取3.206；

C

為天然氣的碳轉換系數，取2.75；

SFC

為燃氣模式下主機及發電機燃氣及點燃油的單位油耗，g/kWh；

V

為夏季載重線吃水、75%

P

工況下船舶對應航速，通過實船試航并使用ISO 15016:2015航速修正方法后得到，kn；

Capacity

為夏季載重線吃水下船舶載重量，t。

從上面公式計算得出，當前采用雙燃料低速機直推的大型LNG船型，EEDI低于基線值50%以上，低于2022年液化天然氣船舶EEDI第3階段30%的要求。

3 節能裝置對大型LNG船EEDI提升效果評估

近年來，隨著人們環保意識的增強及越來越嚴苛的碳排放法規標準相繼出臺，越來越多的船東、船廠及相關研究機構開始著手研究進一步提升船舶EEDI的可能性。大型LNG船作為清潔能源的運輸船，其EEDI指數降低更具先鋒作用。

從式(3)、式(4)中看出，降低主/輔機油耗、降低主/輔機功率、提升船舶推進性能、降低空船重量、增加載重量等措施都有利于降低EEDI。本節將著重闡述節能裝置對大型LNG船EEDI的提升效果。

3.1 軸帶發電機對LNG船EEDI影響

軸帶發電機工作的基本原理是船舶主機充分利用其自身的功率儲備余量直接或通過變速機構驅動發電機系統。軸帶發電機可有效提升船舶運營經濟性、改善機艙環境、減少后期維修成本。

根據MEPC.245(66)規定，對安裝軸帶發電機的船型，

P

計算公式如下：

(5)

式中：

P

為每臺主機的額定裝機功率(MCR)減去軸帶發電機功率(

P

PTO())后的75%；

P

PTO()為每一臺軸帶發電機的75%輸出功率除以該軸帶發電機的轉換效率。上述公式表明，在計算帶有PTO的主推進功率時，要將PTO部分減去，即

MCR

-

P

，該部分功率的75%去重新計算相對應的航速

V

，而

P

的降低必然會引起

V

的同步減少，因此需要通過計算確認PTO是否對EEDI值有正面作用。

以某雙燃料低速機直推型LNG船為例，根據式(3)、式(4)，考慮配置PTO的影響，計算得出配置軸帶發電機可以使該船型EEDI能效設計指數在50%～60%的基礎上再有2%～3%的提升。

由此可見，在確定主機選型，即保持SMCR不變的前提下，配置PTO會直接減少

P

的值，雖然

V

也會相應降低，但總體來講

P

的降低對EEDI的貢獻值更大，因此安裝PTO對EEDI能效設計指數有非常顯著的正面作用。

3.2 安裝空氣潤滑系統對LNG船EEDI影響

降低船舶航行過程中的阻力、提高船舶航速也能提升EEDI。在不改變船體線型的前提下，船舶的興波阻力和壓差阻力不會變化，要減少阻力唯有通過減少摩擦阻力來實現。

空氣潤滑技術近年來在23 000 TEU集裝箱船、17.4萬mLNG船上應用過。空氣潤滑系統(Air Lubrication System，ALS)就是利用空氣與水在密度和黏度上的差異，向船體底部注入適量氣體，在船舶底部形成并保持氣液混合層或氣層，可以減少船舶的實際浸濕面積和減小船舶摩擦阻力。

對于安裝空氣潤滑系統的船，其EEDI變化需根據式(2)中的新技術能效設計指數部分體現。EEDI計算公式分解見圖1。

圖1 EEDI計算公式分解

對于安裝空氣潤滑系統的船舶，需要根據節能效果對

P

進行相應折減。但由于空氣潤滑系統運行時，其系統本身消耗的功率會大大增加發電機負荷，這部分功率也必須進行相應考慮。同樣地，以某LNG船船型為例，對安裝ALS的LNG船船型EEDI計算發現，安裝ALS對該船型的EEDI貢獻值僅有0.2%～0.3%的提升。由此可見，安裝ALS會降低

P

,但同時會增加

P

，而且由于規范規定對于安裝ALS的船舶，

V

的提升不得計入EEDI計算公式，因此安裝ALS對EEDI雖有貢獻但效果不明顯。

4 結論

(1)采用傳統二沖程低速柴油機作為推進方式的大型LNG船，EEDI已經無法滿足第3階段的要求；雙燃料中速機+減速齒輪箱的推進方案， EEDI能效設計指數也能滿足第3階段的要求。但如果往后有更加苛刻的要求出現的話，就無法滿足EEDI的要求。目前最佳的EEDI是采用雙燃料低速機直推的方案。EEDI指數遠遠低于第3階段的要求，而且有著相當大的余量，即使未來提出更為苛刻的要求，也能很容易滿足。

(2)在不改變船型SMCR的前提下，利用螺旋槳轉速裕度配置軸帶發電機可有效提升EEDI。

(3)對于配置ALS的LNG船型，需要綜合考慮ALS工作時主機功率降低及輔機功率增加因素，而且由于航速提升不能計入公式進行計算，因此對EEDI能效設計指數貢獻非常有限。