全压式液化石油气船EEDI验证实践与分析

曾志刚 宋 磊 孙海莎

(1.武汉长江船舶设计院有限公司 武汉 430062； 2.船舶数据技术与支撑软件湖北省工程研究中心 武汉 430074；3.华中科技大学船舶与海洋工程学院 武汉 430074)

温室气体排放造成的全球气候变暖问题越来越突出，船舶航运排放受到越来越严格的限制，国际海事组织IMO于2018年通过的《减少船舶温室气体排放初步战略》[1]指出，以2008年排放量为参照，国际航运单位运输排放二氧化碳量至2030年减小40%，至2050年争取减小70%。为实现航运业的二氧化碳排放的控制，自2015年起新建的400 t以上的船舶将强制遵循二氧化碳排放标准，用能效设计指数(enery efficiency design index，EEDI)衡量其碳排放量，将船型按照散货船、气体运输船、液货船、集装箱船、杂货船、LNG船等分成16类，对不同类型船舶基于大量船舶数据统计由最小二乘法拟合出船舶排放参考值[2]。近年来船市低迷，而随着美国页岩气的发展，液化石油气(liquefied petroleum gas，LPG)运输船逆势上扬[3-4]，对此类船舶碳排放的研究也更加受到重视。

在对EEDI研究方面，孙海晓[5]以某油船为研究对象，基于最小功率对其完成了EEDI值计算，并指出EEDI值对于此吨位油船十分苛刻，在选择主机时需格外慎重。沈春华等[6]结合船厂的实际操作经验，对64 000 DWT散货船EEDI实船验证进行了详细的介绍，包括日程选取、海域确定、试航准备、吃水读取、海况读取、测试过程管控等方面都做了详细说明，试验结果表明，该系列船型EEDI指数均在20%以上，可满足第二阶段要求。高景等[7]以某滚装船为研究对象，对该船进行了模型试验和实船试航，在75%功率下试航速度和预报航速基本吻合，以该航速完成EEDI计算，结果表明该船能效指数可达到内河绿色I的要求。Tu等[8]在总结大量数据的前提下基于海军系数法对EEDI计算中船舶参考值给出了一定修正，将修正后的公式用于船舶预报，效果较好。笔者在国内外学者研究的基础上，以2艘典型5 000 m3全压式LPG运输船为研究对象，以模型试验的方法对其EEDI计算展开研究与讨论。

1 研究对象

LPG运输船需完成气体的液化与储藏，一般有全压式、半冷半压式和全冷式3种，其中全压式即在常温条件下将气体加压至蒸发气压(45 ℃)以上使气体完成液化，通过储液罐运输。对于全压式LPG运输船[9]，由于其储液罐容量限制，一般可做到5 000 m3左右，其结构形式为2个2 500 m3储液罐。研究对象为2个舱容均为5 000 m3的全压式LPG运输船，其主要参数见表1。LPG运输船受储液罐尺寸影响，需要有较大的横向甲板面积，与同吨位的其他船型对比，LPG运输船长宽比较小，船宽吃水比较大，因此其航速较低。

表1 研究对象参数表

2艘船型线图对比见图1和图2，除尺度以外2种船型首部型线差别较大，其中船型(一)球鼻艏伸出长度较短，浸深较大，端部为平直型，船型(二)球鼻艏伸出长度较长，浸深较小，首部圆润。

图1 研究对象横剖面对比

图2 研究对象纵剖面对比

2 研究方法

根据IMO的规定及中国船级社的《绿色生态船舶规范(2020)》中关于温室气体排放控制的要求，EEDI前期验证需完成模型水池试验，包含阻力、敞水，以及自航试验，试验示意图见图3。以水池模型试验的数据预报船舶在功率参数P和载重能力Capacity下航速Vref，用于计算船舶at-tained EEDI值。计算方法见式(1)。

图3 模型试验示意图

(1)

式中：PME(i)和PAE分别为主机和辅机功率参数；CFME(i)和CFAE分别为主机和辅机的碳转换系数，将燃油消耗量基于其含碳量转换为碳排放量；SFCME和SFCAE分别为主机和辅机的单位燃油消耗，为柴油机或蒸汽轮机经核定的单位燃油消耗量；PPTI(i)为轴马达功率；PPTO为轴带发电机功率；Peff(i)为在75%主机功率下创新型能效技术用于推进的输出功率；PAEeff(i)为当船舶在PME状态下由于采用了创新型电力能效技术而减少的辅机功率；fj为船舶特殊设计因素的修正系数；fi为对载重吨的修正系数；fc为仓容量修正系数；fw为船舶在波高、浪频和风速的代表性海况下的航速降低的系数；fl为对设有起重机和其他装卸设备的杂货船的修正系数；feff为反映任何创新型能效技术的适用系数；fm为冰区加强修正系数。对于研究对象的2条船，PAEeff(i)和Peff(i)均为0，fj、fi、fc、fw和fm均为1。

3 研究结果

船型(一)缩尺比取25.178，船型(二)缩尺比取25，按照缩尺比加工模型并完成阻力、敞水及自航试验，2艘船模试验过程见图4和图5。

图4 船型(一)模型及试验过程

图5 船型(二)模型及试验过程

将阻力试验结果按照二因次法处理，总阻力系数Ct分为摩擦阻力Cf和剩余阻力系数Cr，以傅汝德数Fn为横坐标，剩余阻力系数Cr为纵坐标表示阻力结果见图6，可以看出剩余阻力系数船型(一)较船型(二)更优。

图6 阻力试验结果

按等推力法完成自航试验并插值，获得船舶在设计航速附近的船舶总推进效率QPC和自航因子，见图7。

图7 船舶总推进效率QPC和自航因子曲线

EEDI计算中预报航速Vref的功率参数P取75%MCR，如果安装了轴带发电机，则轴带发电机功率PPTO是每台轴带发电机额定功率的75%。考虑轴带发电机影响时，主机功率PME可按下式(最大允许扣除量不应超过PAE)处理。

0.75×∑PPTO(i)且0.75×PPTO≤PAE

(2)

船型(一)主机额定功率MCR1为2 942 kW，带有250 kW轴带发电机，船型(二)主机额定功率MCR2为2 427 kW，结合航速-功率曲线预报船型(一)航速Vref1=13.6 kn，船型(二)航速Vref2=12.3 kn。2艘船型航速预报曲线见图8。

图8 航速预报曲线

船舶基准线值RLV=a·DWT-c，对于气体运输船a=1 120，c=0.456，DWT为夏季载重吃水下船舶排水量与船舶空船之间的吨位差。2艘船型载重吨及计算中所涉及到的具体数值见表2。

表2 EEDI计算表

船舶CO2排放要求required EEDI在RLV基础上进行一定折减，根据指导要求，对于载重量在2 000～10 000 t之间的气体运输船，第一阶段(2015-01-01-2019-12-31)按照载重量在[2 000,10 000 t]之间进行[0,10%]的线性插值折减，第二阶段(2020-01-01-2024-12-31)按照载重量(t)在[2 000,10 000 t]之间进行[0,20%]的线性插值折减，第三阶段(2025-01-01之后)按照载重量在[2 000,10 000 t]之间进行[0,30%]的线性插值折减。2艘船不同阶段折减计算结果见图9。分析2艘船型的EEDI计算结果可以看出，船型(一)可满足第一阶段排放要求，无法满足后续阶段排放要求，船型(二)可以满足所有3个阶段排放要求。由剩余阻力系数比较结果知船型(一)阻力性能相对船型(二)更为优秀，造成其EEDI值反而不如船型(二)的主要原因是其船舶功率-航速曲线为微凹形曲线，主机功率增大的速度要小于航速提高的速度，船型(二)虽然主尺度和载重吨均大于船型(一)，但选用的主机功率小于船型(一)，所预报的航速也远小于船型(一)。

图9 不同阶段排放计算

4 结语

本文以2艘不同型线5 000 m3全压式液化气运输船为研究对象，分析了液化气船的船型特征，并分别选择合适缩尺比完成水池试验并进行航速预报，按照中国船级社《绿色生态船舶规范(2020)》计算attained EEDI值，将其与required EEDI值进行比较，有如下结论：

1) 船型(一)符合第一阶段排放要求，不符合第二和第三阶段要求，船型(二)符合3个阶段排放要求，研究过程对全压式LPG运输船EEDI验证有一定参考意义。

2) 全压式LPG运输船由于载货密度较小，载重吨DWT较小，在对参考值RLV进行折减计算时折减比例较低，因此不同阶段折减系数对其attained EEDI值影响相对其他船型较小。

3) 仅对于EEDI排放要求而言，需权衡主机和对应航速的选择，大功率主机和较大航速对EEDI计算不利。