30 000 m3LNG运输船能效设计指数研究

杜鹏飞 陆 晟

（上海船舶研究设计院，上海201203）

船舶总舾

30 000 m3LNG运输船能效设计指数研究

杜鹏飞 陆 晟

（上海船舶研究设计院，上海201203）

30 000 m3LNG运输船是上海船舶研究设计院（SDARI）自主研发的国内首艘小型LNG运输船。实船能效设计指数（EEDI）低于IMO基准值38.1%，达到授予CCS附加标志EEDI（III）的要求，具备了先进的能效性能。设计中采用了航速优化、载重量优化以及主机燃料选取了3种方法来降低该船的EEDI。研究了上述方法对LNG运输船的影响程度。

LNG运输船；能效设计指数；双燃料

Abstract:Independently developed by SDARI，the 30 000 m3LNG carrier is the first domestic-made small scale vessel whose Energy Efficiency Design Index（EEDI） is 38.1%lower than IMO required level，satisfying the requests from CCS classnotation EEDI（III）.EEDI wasimproved by various methods such asspeed and deadweight optimization and fuel choice of main engine during design process. The influence of these methods on reducing EEDI of LNG carriers was analyzed.

Keywords:LNG carrier；EEDI；dual fuel

0 前言

现代船舶设计，对节能减排以及环境保护的要求越来越高。国际海事组织（IMO）海上环境保护委员会（MEPC）第62次会议第203号决议将散货船、气体运输船、液货船、集装箱船等7类船型的能效设计指数（EEDI）要求列入了海上防污染公约，强制执行对上述船型的EEDI要求。LNG运输船因其装载货物的特殊性，难以归入其他气体船来评估EEDI。因此，MEPC第66次会议第251号决议将LNG运输船单独列为一类船型，提出了LNG运输船的基准线以及折减系数要求，并在第66次会议第245号决议（MEPC.245（66））中明确了 LNG 运输船的 EEDI计算方法。本文从航速、载重量和主机燃料选取等3个方面研究了降低LNG运输船EEDI的方法［1］。

1 LNG运输船EEDI计算方法及要求

1.1 LNG运输船EEDI计算方法

IMO海上环境保护委员会在MEPC.245（66）中给出了新船的EEDI计算方法。计算公式如式（1）所示。

式中：PME（i）——对于常规推进的船舶是指每台主机额定安装功率（MCR）的75%，对于电力推进的船舶为0.83×推进电机功率（MPPMotor（i））/主机到推进电机间的传输效率（ηi）；

CFME（i）——主机碳转化系数。无量纲系数，将燃油消耗量基于其含碳量转换为CO2排放量，用t CO2/t fuel表示。LNG燃料的碳转化系数是2.75，柴油的碳转化系数是3.206；

SFCME（i）——主机燃料消耗量，g/kW·h；

PAE——保障船舶在正常最大海况下以船速（vref）和最大设计载运能力（Capacity）营运时所需的辅机功率。包括推进机械/系统和船上生活（如主机泵、导航系统和设备及船上起居）所需的功率，但不包括不用于推进机械/系统（如侧推、货泵、起货设备、压载泵、货物维护如冷藏和货物处所通风机等）的功率；

CFAE——辅机碳转化系数；

SFCAE——辅机燃料消耗量，g/kW·h；

fj——补偿船舶特殊设计因素的修正系数；

PPTI（i）——每台轴马达的额定功率消耗的75%除以发电机的加权平均效率；

feff（i）——反映任何创新型能效技术的适用系数；

PAEeff（i）——指船舶采用了创新型电力能效技术而减少的辅机功率，kW；

Peff（i）——75%主机功率下创新型能效技术用于推进的输出功率，kW；

fi——对载重量的修正系数，指船舶因技术或规定要求而造成载重量的限制；

fc——指舱容量修正系数；

fl——指起重机或是货物传动装置的修正系数，是对普通货船因配置了起重机或是货物传动装置而造成的载重量损失的修正；

Capacity——指载运能力，DWT；

vref——指船舶航速，该航速是指在规范要求的主机轴功率以及载运能力下深水中的航速，kn；

fw——表示船舶在某个代表性海况下的航速降低的无量纲系数

1.2 LNG运输船的基准线以及EEDI要求

LNG货品密度低，约为0.45 t/m3，密度在液化气体中属于轻质液化气体，IMO给出了LNG运输船特定的 EEDI基准线：基准线 RLV=a×b-c，其中 a＝2 253.7，b 为船舶载重量，c＝0.474。 达到 EEDI≤要求EEDI＝（1-X/100）×基准线 RLV。 其中 X 为折减系数，X的取值如表1所示。

表1 折减系数X的值

其中，第0阶段折减系数适用范围为满足下列条件之一的新船：1）在第0阶段签订建造合同并在2019年1月1日之前交付；2）在第0阶段之前签订建造合同，在2015年7月1日至2019年1月1日之间交付；3）在2013年7月1日至2015年7月1日之间铺设龙骨或处于相同建造阶段，并在2019年1月1日之前交付；4）在2013年7月1日之前铺设龙骨或处于相同建造阶段，并在2015年7月1日至2019年1月1日之间交付。

第1阶段折减系数适用范围为满足下列条件之一的新船：1） 在第1阶段签订建造合同并在2024年1月1日之前交付；2）在第1阶段之前签订建造合同，在2019年1月1日至2024年1月1日之间交付；3）在2015年7月1日至2020年7月1日之间铺设龙骨或处于相同建造阶段，并在2024年1月1日之前交付；4）在2015年7月1日之前铺设龙骨或处于相同建造阶段，并在2019年1月1日至2024年1月1日之间交付。

第2阶段折减系数适用范围为满足下列条件之一的新船：1） 在第2阶段签订建造合同并在2029年1月1日之前交付；2）在第2阶段之前签订建造合同，在2024年1月1日至2029年1月1日之间交付；3）在2020年7月1日至2025年7月1日之间铺设龙骨或处于相同建造阶段，并在2029年1月1日之前交付；4）在2020年7月1日之前铺设龙骨或处于相同建造阶段，并在2024年1月1日至2029年1月1日之间交付。

第3阶段折减系数适用范围为满足下列条件之一的新船：1）在第3阶段签订建造合同；2）没有建造合同，在2025年7月1日之后铺设龙骨或处于相同建造阶段；3）在2029年1月1日之后交付。

2 30 000 m3LNG运输船的EEDI研究

2.1 初始EEDI

该船初始方案采用了常规燃料柴油机电力推进方案。依据式（1），该船EEDI主要计算参数如表2所示。

表2 初始方案EEDI主要计算参数列表

依据式 （1）得到常规柴油机电力推进方案的EEDI为 18.817 g/t·nm，基准线值为 23.05 g/t·nm，比基准线值低了18.4%，满足了第1阶段的折减要求。

2.2 航速的优化

航速是决定EEDI的关键因素之一，因此该船也在航速上进行了多轮优化。在主推进方案确定采用全回转推进器后，根据某尺度相近的全回转推进船舶进行了初步的线型设计和CFD计算优化。经过优化的线型在MARIN水池进行了库存桨的船模水池试验。第一次船模试验的结果显示该船服务航速达到16.5 kn，最大航速17.17 kn。船体线型的综合评价为“Very Good”。线型优化前后的CFD计算结果对比如图1和图2所示。

CFD计算结果显示：该船在线型优化后，阻力性能得到改善。最终总阻力系数Ct较原线型下降5%左右。

图1 优化前后波高对比图

图2 优化前后波形对比图

在确定采用R-R的AZP150推进器后，MARIN水池又对该船线型进行了优化，并对推进器和吊舱上方与船体连接部分（Head Box）的安装角度进行了优化，在MARIN水池又进行了第二轮船模试验。表3是推进器和Head Box的不同安装角度对螺旋桨收到功率的影响。最后该船推进器和Head Box的安装角度定为2°。

表3 安装角度对螺旋桨收到功率的影响

通过线型的优化，减小设计吃水，推进器及Head Box安装角度的优化，最终设计桨试验结果证明，航速得到了进一步提高，最后服务航速达到了16.83 kn，最大航速达到了17.45 kn。依据式（1），PME对应的航速vref由16.25 kn提升到了16.6 kn，其余参数保持不变。得到航速优化后的EEDI为18.421 g/t·nm，基准线值为 23.05 g/t·nm，比基准线值低了20.1%，EEDI优化了1.7%，满足了第2阶段的要求。该船通过多种手段对快速性进行了优化，优化幅度超过0.3 kn，是相当大的优化量，反应到EEDI的优化上仅优化了1.7%，因此航速优化对EEDI 的贡献有限［2］。

2.3 载重量优化

载重量（Capacity）也是影响船舶EEDI的重要因素。在其他因素不变的情况下，增加载重量有利于降低EEDI。载重量是排水量与空船重量之差。在线型与吃水等主尺度确定以后，影响载重量的因素就是空船重量［2］。该船的结构重量占到全船重量的50%以上，因此对结构重量的优化就成为影响EEDI的关键因素。优化措施如下：1）该船在详细设计中通过配载研究，努力降低船体设计的总纵弯矩，在结构设计的源头上控制结构重量。2）结构减重的关键部位为横舱壁，因此对单一骨架形式和混合骨架形式的平面横舱壁做出定量的比较分析，选出最优方案，在结构的关键部位控制结构重量。3）研究鞍座区域加强方式，采用有限元方法，结合温度场分析，在结构细节设计上优化，避免大范围的加强。

总体布置上也进行了减重的优化，取消了尾楼，使整个上建降低了一层，大大减轻了整船的空船重量。通过减重优化，最终空船重量较初始方案优化了450 t，载重量相应增加了450 t。该船通过机舱优化布置，机舱长度压缩了4档肋位，货舱舱容由30 000 m3增加到了约31 000 m3，增加了约450 t的载货量，增加的载重量全部用于装载货物。

与初始方案相比，通过航速优化，PME对应航速vref由16.25 kn提升到了16.6 kn；通过载重量优化，载重量由15 800 t提升到了16 250 t，其余参数保持不变。依据式 （1）得到优化航速及载重量以后的EEDI为 17.911 g/t·nm， 基准线值为 22.75 g/t·nm，比基准线值低了21.3%，在航速优化后的基础上又优化了1.2%。因为结构强度需要，船上必要设备的配置需要，空船重量的优化也有一定的极限。该船的空船重量优化了近450 t，约占全船重量4%，是一个较大幅度的优化量，反应到EEDI的优化上仅优化了1.2%，因此载重量优化对EEDI的贡献有限。

2.4 降低航速

降低航速是提高EEDI的一个方法。要达到第3阶段的要求，靠优化航速和载重量已经无法实现。经计算，降低航速后EEDI主要参数取值如表4所示。

表4 降低航速方案EEDI主要计算参数列表

从表 4 可以得到，电机最大功率 MPPMotor（i）降低20%，依据船模试验报告，对应航速为15.4 kn，下降了 1.2 kn。依据式（1）得到 EEDI为 15.867 g/t·nm，基准线值为22.75 g/t·nm，比基准线值低了30.3%，可以满足第3阶段的折减要求。降功率带来的不利影响是降低了船舶在风浪中的安全性。IMO最小功率临时导则中给出了3种船型最小装机功率的要求，分别是散货船、液货船和兼用船。自最小功率的临时导则通过后，希腊不断向MSC和MEPC会议提出提高最小功率标准的建议，认为EEDI的要求导致船舶安全性的降低。虽然目前没有规范对LNG运输船的最小装机功率提出要求，但随着对船舶安全性要求的提高，未来规范也将会对LNG运输船的最小装机功率加以限制。因此降低航速的方法并不是提高EEDI的长期有效的方法，而且还会制约船舶的安全性能以及降低航速指标。该船最终没有降低装机功率和航速指标。

2.5 主机燃料的选取

LNG船的主机配置主要有两种选择：常规柴油机和双燃料机。常规柴油机的燃料是重油或柴油。双燃料机有两种模式：一种是燃气模式，以货舱蒸发气（BOG）作为燃料；另一种是燃油模式，以重油或柴油作为燃料。LNG运输船在正常载货营运工况中，货舱内有源源不断的BOG产生，因此对于采用双燃料机的LNG运输船，正常的营运模式是燃气模式。选用LNG作为燃料在EEDI计算上有两个优势：

1）LNG的碳转化系数比较低，重油的碳转化系数为3.11，柴油的碳转化系数为3.20，天然气的碳转化系数为2.75。

2）LNG单位质量的热值比较高，重油的低热值为40 200 kJ/kg，柴油的低热值为42 700 kJ/kg，LNG的低热值为48 000 kJ/kg，因此LNG的燃料消耗量会比重油和柴油低［3］。

该船最终选用了双燃料主机和辅机，主要营运模式为燃气模式。在燃气模式下，天然气碳转化系数CFME和CFAE为2.75，天然气主机燃料消耗量SFCME和辅机燃料消耗量SFCAE为168.06 g/kW·h，点火油碳转化系数CFME和CFAE为3.206，点火油主机燃料消耗量SFCME和辅机燃料消耗量SFCAE为2.8 g/kW·h，其余参数较载重量优化后的方案保持不变。依据式（1）以及MEPC.245（66）决议附则4对双燃料主机的计算方法，得到的EEDI为14.26 g/t·nm，基准值为22.75 g/t·nm，比基准值低了37.3%，轻松满足了第3阶段要求。从上述对比可以看到在同样水平的航速和载重量下，双燃料机方案比常规柴油机方案的EEDI要低16%，LNG燃料的优势非常明显。从EEDI的性能上也可以预见在未来LNG运输船上双燃料机将成为主流趋势。因此30 000 m3LNG运输船最终选取了双燃料主机。

3 实船EEDI性能介绍

实船获得了中国船级社Green Ship I的船级符号。在能效设计指数EEDI方面，实船主推进功率为8 000 kW，载重量为16 250 t。实船在满载吃水下的实测航速vref为 16.804 kn。EEDI计算值为14.09 g/t·nm，基准线值为 22.75 g/t·nm。 实船 EEDI比基准线值低了38.1%，达到了中国船级社附加标志 EEDI（III）的要求（如图 3所示），设计能效指标非常优秀。

4 结语

图3 30 000 m3LNG运输船EEDI与基准线

优化LNG运输船EEDI的因素有很多，常规方法有航速优化以及载重量优化。该船通过航速优化的方法EEDI降低了1.7%，通过载重量优化的方法EEDI降低了1.2%。通过常规优化的方法满足了第2阶段的要求，但要满足第3阶段要求是较为困难的。降低航速能较大幅度降低EEDI，通过计算，30 000 m3LNG运输船通过降低20%的推进功率EEDI可以降低10%，满足第3阶段要求。但是随着IMO对于船舶在风浪中安全性的日益重视，对LNG运输船也会有最小功率的限制，而且降低功率意味着航速指标的下降，也未必能符合船东的使用需求，因此通过降低航速来降低EEDI的方法也存在着诸多不利因素。主机燃料的选择对于EEDI有着决定性影响，LNG的碳转化系数以及燃料消耗量与重油和柴油相比占有优势，因此EEDI会更低。该船通过选用双燃料主机EEDI降低了16%，达到了IMO对LNG运输船EEDI第3阶段的要求。LNG运输船因其具有自然蒸发气这一特性，很好地解决了LNG燃料的问题，因此双燃料机在LNG运输船上将得到越来越广泛的应用。希望本文对后续类似LNG运输船能提供一定参考。

［1］程红蓉，李百齐.关于 EEDI衡准方法的比较研究［J］.中国造船，2012，53（3）：103-109.

［2］胡琼，陈凯，孙权.新船能效设计指数及应对策略分析［J］.中国造船，2011，52（A1）：27-31.

［3］柳梦源，柳卫东，郭峰，等.使用双燃料推进系统船舶的EEDI计算探讨［J］.船舶与海洋工程，2015，31（6）：52-55.

Research on EEDI Performance of the 30 000 m3LNG Carrier

DU Peng-fei LU sheng

（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

U674.13+3

A

1001－4624（2017）01－0001－05

2017-02-07；

2017-07-09

杜鹏飞（1984—），男，工程师，从事船舶及海洋工程总体设计工作。

陆 晟（1972—），男，高级工程师，长期从事船舶及海洋工程设计和管理工作。