基于EEDI绿色高能效沿海浅吃水散货船型优化

基于EEDI绿色高能效沿海浅吃水散货船型优化一、绪论1.1研究背景和目的随着国际贸易和世界经济的蓬勃发展，大型化乃至超大型船舶层出不穷，船舶功率节节攀升，由此而产生的CO2排放量接连上升。当下，环保理念逐渐深入人心，全球对于环境保护的重视程度也日益提高，船舶节能减排问题受到了造船界和航运界的普遍关注。IMO环境与保护委员会(MEPC)作为环保方面的国际权威组织也提出了一系列解决温室气体减排的措施方案，并针对于船舶领域开展了大量研究。2008年10月召开的MEPC第58次会议上提出将“新造船CO2设计指数”改为“新船能效设计指数(EEDI)”，EEDI便迅速成为国际海事界各方关注和争论的焦点。在MEPC第59次会议上，“新船EEDI计算方法临时导则”又以通函方式获得了通过，鼓励各国政府在自愿的基础上试用，以激励船东和船舶设计者通过技术改进和使用节能技术使新造船舶自设计和建造时就尽可能达到较高的能效标准。而在MEPC第60次会议上，IMO更是决定将EEDI作为强制性要求纳入MARPOL附则VI框架下，并制定了文本框架草案。在2010年9月召开的MEPC第61次会议上，IMOEEDI工作组进一步完善了强制性EEDI文本及导则，同时规定了适用于强制性EEDI要求的船舶类型、尺度以及四个阶段的目标年限和折减率。在世界经济大融合的背景下，实现大宗货物的高效、经济运输是我国乃至世界各国的航运部门面临的课题。将远洋运输而来的大宗货物通过内河水路运输网络既经济有高效地运送到我国中西部发展中地区是我国航运部门面临的一个重大课题。实行江海联运是解决这一问题的必有之路。江海联运可以釆用江海接驳分程转运和江海直达两种方式。江海直达运输是一种不需要进行江船和海船的换装，直接将货物送至目的港的运输方式。这种运输方式有缓解中转港的压力、加快货物送达速度、节约中转费用、提高货运质量和降低运输成本等诸多优点。采用江海直达运输方式可充分发挥浙江省区位优势，充分利用长江黄金水道资源优势，加快沿海和内地物流业的发展。浅吃水船舶应运而生。然而，过去几十年来，江海直达运输大多釆用江船出海或者海轮入江这种比较落后的方式来进行。由于江船难以适应海上风浪，江船出海运输方式安全性严重不足;至于海轮入江，由于我国内河航道大部分水域属于浅水航道，海轮吃水受到严格限制，其经济效益较差。多方面的研究结果表明，无论是江轮出海还是海轮入江都无法充分发挥江海联运的最大潜力。按照目前及今后IMO对CO2气体排放日益严格的要求，采用过去传统的江轮出海或者海轮入江的落后联运方式势必无法满足EEDI的要求。因此，加快开发出适应EEDI新规的绿色高能效浅吃水新型散货船型迫在眉睫。为了应对2013年实施的EEDI(EnergyEfficiencyDesignIndex)国际新规，本研究通过引进、集成与自主创新，将船型优化技术和动力节能技术结合起来，开发具有“先天”的高能效品质可用于江海直达运输的浅吃水高效节能散货船新船型。本研究的实施将大力提升我国的船舶制造工业和航运业的国际竞争力。1.2船舶能效设计的研究现状2010年4月，DNV(挪威船级社)依靠最新的DNV标准推出“节能减排型”鲲腾(Quantum)集装箱船新概念，主要目的是在让集装箱船舶运输更多集装箱的同时大幅减少燃油消耗，从而降低对环境的负面影响，并认为在3-5年后该船型将成为现实；2011年6月，德国劳氏船级社提出了北欧支线集装箱船设计概念，旨在减少船舶运输过程中二氧化碳排放的挑战。可见，环保型船型已成为业界未来的研发趋势，本文基于能效的船型研究即是顺应这一潮流，着眼于船舶能效设计指数加以展开。为提高船舶能效、减小船舶温室气体排放，国际上提出了大量措施和对策，主要集中在船舶的设计技术、营运和管理这三个方面，从而形成了三个具有针对性的能效指数：EEDI(船舶能效设计指数)、EEOK（船舶能效运营指数)、SEMP(船舶能效管理计划)。船舶能效设计指数(EEDI)的目的是从设计阶段刺激所有影响着船舶能效要素的革新和技术发展，并通过对现有船的统计分析设立排放基线，在基线的基础上对新造船能效进行控制；船舶能效运营指数(EEOI)并非强制性措施，它主要用来比较在一段时间内，一个船队中同类船舶的能源效率;船舶能效管理计划(SEMP)是通过将能效目标分解到每个可能提高燃油效率的操作当中，进而提高船舶能效的一个综合性管理措施[1]。自新船能效设计指数EEDI提出伊始，这一能效指标便受到了业界的追捧，国内众多船舶工作者针对这一问题开展了一系列深入研究，为国内船舶工业界应对EEDI的挑战提供了相应的技术支撑。魏锦芳等[2]针对EEDI能效设计指数计算公式中的船舶失速系数fW进行了研究并提出一个系统的fW计算方法，其计算结果与试验值和NMRI方法计算结果有着较好的吻合度。李百齐等[3][4]对EEDI的本质和影响因素进行了详细的分析研究，以船舶的装载量和船速为参考变量，按不同船舶类别分别建立了EEDI的衡准基线、衡准基面，试验的验证结果也证明了该方法具有较强的适用性。柳卫东等[5]据国际海事组织(IMO)海上环境保护委员会(MEPC)关于船舶能效设计指数(EEDI)的议题和结论，对目前市场上主流的三型散货船和三型油船进行了计算分析，指出随着运输船舶载重量的增大，其能效设计指数变得越来越难满足基线公式的要求。刘雅玲[6]对新造船能效设计指数EEDI进行了分析和研究，提出了指数基线的回归公式，并对减少二氧化碳排放可采取的措施进行了探讨。从目前来看，能效设计指数EEDI才面世不久，所引起的关注和争议很大，其计算公式中所包含的参数在定义和获取方式上都有不尽合理之处，因此EEDI并不能科学全面地反映出船舶真正的能效，要想大力推广使用，其可操作性还亟待加强。尽管如此，可以预料的是在2013年全球范围内强制执行EEDI指标己是不可逆转的，针对EEDI公式、基线和减排目标的理论研究工作需要进一歩加大努力和投入。二、EEDI概述2.1EEDI公式及含义EEDI是衡量船舶能效水平的一个指标，简单地说，EEDI公式是根据CO2排放量和货运能力的比值来表示船舶的能效。EEDI是衡量船舶能效水平的一个指标，简单地说，EEDI公式是根据CO2排放量和货运能力的比值来表示船舶的能效，其分母表示船舶在规定的船速(Vref)下与载货量(Capacity)之乘积，而分子可概括为两部分，第一部分为主辅机的功率与所消耗燃油之乘积，第二部份为釆用新的节能技术减少燃油消耗所带来的船舶能效的提高部分。新造船的能效设计指数EEDI的计算公式如下：()()j11()()()()()1111MnMEjFMEiMEiAEFAEAEMEiiMnPTIneffneffjPTIieffiAEeffiFAEAEeffieffiFMEMEjiiiifPCSFCPCSFCfPfPCSFCfPCSFCEEDIfCapacirefwtyVf对式中各个参数的含义简要解释如下：CF为燃油的无量纲碳转换系数，基于含碳量的多少将燃油消耗量转换为CO2排放量，用t-CO2/t-Fuel表示。燃油类型不同值也不同，例如重燃油(HFO)的CF=3.1144；P表示主机和辅机的计算功率；Capacity为载重吨或总吨；Vref为特定功率和装载条件下的船舶航速；SFC指柴油机经核定的特定燃油消耗量，g/kWh；fi系指对Capacity的修正系数；fj系指冰区加强修正系数；fw系指不同的风、浪流等不利海况下导致船舶航速降低的影响因素，可以理解为耐波性失速系数；feff系指反映了创新型能效技术的利用系数。2.2EEDI适用船型根据“新船能效设计指数计算方法的临时导则”，EEDI计算公式适用于：客船、散货船(包括散货船、矿砂船、运煤船和散货矿砂混装船等)、油船(包括原油船、成品油船、化学品船、沥青船及相应的混装船等)、气体运输船(包括LNG运输船、LPG运输船等)、集装箱船(包括集装箱船、敞口集装箱船等)、车辆运输船、容积型滚装船、载重型滚装船、杂货船、客滚船。其他船型如拖船、调查研究船、铺管船、海洋工程船等的EEDI计算方法还在研究中。另外，对于柴油机-电力推进系统、蒸汽轮机推进系统或混合推进系统EEDI计算公式尚不适用[7]。根据MEPC第60次会议相关文件，EEDI计算公式适用于400总吨及以上的全部新造船[8]。MEPC第62次会议通过的“决议MEPC.203(62)”在((MARPOL73/78公约》附则VI“防止船舶造成空气污染规则”中纳入船舶能效新规则的修正案，将新的修正案作为附则的第4章，包括第19条~第23条规定，第19条规定：EEDI能效规则适用于所有400总吨及以上的船舶；第20条获得的能效设计指数(AttainedEEDI)和第21条要求的能效设计指数(RequiredEEDI)不应适用于具有柴油-电力推进、涡轮推进或混合推进系统的船舶[9]。三、浅吃水散货船的总体性能改善3.1浅吃水散货船主尺度优选对船舶的主尺度在考虑航线、港口等条件的限制后，就是船舶主尺度的优选，一般船舶主尺度参数及其选择方法如下：L-而浅吃水肥大型船长L的选择，主要由船舶载重量和总布置决定，对该船主要任务、营运航线、航次及航过港口的具体情况予以综合经济分析论证，求出最合理的船舶吨位，营运航速，选取最佳船长。在主尺度选择中，船长是最重要的参数。选定船长首先应满足总布置要求，竭力使其紧凑。船长对阻力影响最大。摩擦阻力占船总阻力的60~70%，由于船浸湿面积正比子L，则摩擦阻力随船长增加而增加。当设计排水量一定情况下，应适当增大船宽，减小长宽比，以降低船浸湿面积和降低船壳表面粗糙度影响，从而降低摩擦阻力。缩短船长对改善船舶操纵回转机动性有利，还可相应减少船体结构自重量，当船长增加1%时，船体结构自重量要增加1.7%左右。同时，以经济性考虑，亦不宜选取较大的船长选取较短的船长，还可降低船在装卸货时停靠码头的支付费用。设计中还应考虑到船长与波长之比值，应避免在L/A=0.8~1.3范围内，否则，船产生剧烈的纵摇。一般确定此类型船长的经验算式归纳如下:H.Bellford算式Lbp=6WD1/3-17(m)根据以上综合计算一艘排量45000DWT的船长取190米以内。B-船宽是浅吃水肥大型船的最主要尺度。首先，根据船的营运航线航道，以及港口的具体情况确定船宽，如经过巴拿马运河水闹，船宽限制在32.3米以内。因此，相当一部分船宽就限制在上述范围内。其次，选择船宽取决于设计船的载货情况，增加船宽可使货舱容积增大，易于满足载货量要求，设计吨位愈大，载重效果愈好。增加船宽可相对加大货船的开口宽度，便于装卸货物，易于满足总布置要求，便于机船和锅炉枪布置，亦可改善船员工作及生活处所条件。以船舶稳性而言，增加船宽对满足船舶初稳性高度有利。增大船宽既不影响增加船舶重心高度，又不增加般侧受风面积，以利改善船舶稳性。船宽对阻力影响通常是通过L/B或1/3/L和B/d权衡研究，低速船增加船宽，对阻力影响不显著。但船宽过太，使上L/D值过小，导致兴波阻力及形状阻力显著增加，此外，将导致船舶初稳性高度h值过大，当船在大风浪中航行时产生剧烈摇荡，迫使增大船的横摇角和角加速度，影响主机正常运转，增加燃油消耗量，并使螺旋桨工作条件恶化(桨叶受水压负荷不均，并产生叶片局部出水现象)，从而降低航速。在综合权衡后，对浅水肥大型船宜取较大的船宽为佳[10]。对一般低速货船或油船的船宽经验估算式如下:13115.5bpDBLkBWC上组算式适用于WD=10000-50000吨的近海货船，其系数k1和C1，均可在0~0.5范围选取。通过综合分析，与类似船型比对通过支持向量机优选法确定船舶能无限航区航行并通过巴拿马运河，控制船宽为32.30米以内。D-船舶型深选取应着重满足船体总纵强度和扭转强度及局部结构强度等要求，以及满足机般布置和货船容