大型LNG船能效设计指数提升研究

翁振勇，杨春华

(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

0 引言

目前,全球气候变暖问题日趋严峻,由此导致的各类问题正严重威胁着人类的生存环境，因此气候变暖已成为全世界共同关注的问题。为减少全球气候变暖对环境带来的影响，国际海事组织(IMO)制定了各类船型的能效设计指数(Energy Efficiercy Design Index，EEDI)计算方法。2011年7月15日，海洋环境保护委员会(MEPC)形成MEPC.203(62)决议，将船舶能效规则纳入MARPOL 附则 VI，并于2013年1月1日生效。之后，MARPOL 附则 VI经过了数次修订。

2020年11月，IMO召开MEPC 75会议，通过收集和分析满足EEDI要求的船舶能效的相关数据，将集装箱船、杂货船、LNG运输船、具有非传统推进系统的豪华邮轮和15 000载重吨以上的气体运输船的EEDI第3阶段执行日期由2025年1月1日提前至2022年4月1日，并对不同船型的EEDI进行了修正，要求也越来越高。同时，针对新造船的EEDI第4阶段要求也在制定当中。MEPC 74会后成立的EEDI第4阶段通信工作组向MEPC 75会议提交了工作报告，并就EEDI第4阶段要求如何助力实现减排初步战略2050进行了讨论。上述一系列EEDI相关决议及措施的发布都充分表明全球在控制温室气体排放最终实现零碳排放目标的决心，而在零碳燃料和新能源技术普及之前，LNG因具有燃烧后对空气污染小且放出的热量大等优点，被公认是一种较为理想的清洁能源。

为控制和减少二氧化碳的排放，更好地执行EEDI标准，本文以17万立方米级LNG船为研究对象，介绍EEDI发展历程，提出最新双燃料低速机直推型LNG船EEDI的具体计算方法，并结合不同节能装置给出提升大型LNG船EEDI的可行性方案，对其他同类型双燃料低速机直推型船EEDI计算有一定的借鉴意义。

1 EEDI通用数学模型

船舶能效设计指数EEDI是经过计算得出的一个无量纲数值，目的在于通过数值计算得出船舶运输每吨货物每海里所排放的CO数量。针对新造船，EEDI限值按照不同年限分成4个阶段(Phase 0、1、2、3)，要求新造船的能效水平达到相应阶段的能效限值,进而使得船舶能效得到持续有效的提高，以降低CO排放。

IMO对400总吨以上的不同船型的新造船都设定了EEDI能效限值，公式如下：

EEDI能效限值=

ab

(1)

式中：

a

、

c

为无量纲系数；

b

为载重量；

a

、

b

、

c

的值根据船型不同，取值也不相同。

根据MEPC.245(66)决议，单个具体新造船的EEDI能效设计指数按照以下通用公式(2)计算：

(2)

式中：

P

为EEDI工况下主机功率；

C

为主机燃料碳转换系数，根据不同类型燃料选取；

SFC

为EEDI工况下船舶主机的单位油耗；

P

为辅机功率；

C

为辅机燃料碳转换系数，根据不同类型燃料选取；

SFC

为EEDI工况下辅机的单位油耗；

f

为船舶特定设计要素的修正系数；

P

为轴马达功率；

f

为新技术及设备系数；

P

为减少的辅机功率；

P

为创新机械能效技术输出；

f

为装载量因数；

f

为舱容修正系数；

f

为对一般船舶因安装起重机或货物船东设备而引起载重量损失的修正系数；

Capacity

为不同船型的载重量或总吨；

f

为由浪流、风等不良海况引起的船舶减速影响系数；

V

为特定功率和负载条件下的船舶航速。

2 双燃料低速机直推大型LNG船EEDI计算方法

2.1 不同推进系统对大型LNG船EEDI计算值的影响

按照推进系统的不同，大型LNG船可分为蒸汽透平推进、低速柴油机推进、双燃料中速机电力推进、双燃料低速机直推等4种推进系统。不同的推进系统，IMO对其EEDI的计算方法也大不相同。某17万立方米级LNG船型采用不同推进系统得出的EEDI比较结果见表1。从表中可以看出：双燃料中速机及双燃料低速机直推型LNG船均可满足EEDI Phase III要求。然而，一旦IMO发布更严格的碳排放要求，双燃料中速机加减速齿轮箱的推进型式将很难满足，这主要是由于采用该推进方式的LNG船，整个推进链比较复杂，传动效率较低。而采用双燃料低速机直推LNG船以推进效率更高、油耗更低、能效设计指数更好等特点受到广大船东的青睐，成为近年来大型LNG船的主流推进系统。

表1 不同推进系统LNG船EEDI对照表

2.2 双燃料推进船型主燃料判定

实际运营过程中，双燃料低速机直推型LNG船有燃气模式及燃油模式可选。根据MEPC.308(73)要求，在进行该船型的EEDI计算之前，需要对哪种燃料作为船舶推进的主燃料进行判定，判定公式具体如下：

K

liquid()+

V

·

ρ

·

LCV

·

K

)

(3)

式中：

V

为各燃料舱的总舱容；

ρ

为各燃料密度；

LCV

为各燃料热值；

K

为各燃料的燃料舱装载率。上述公式的本质在于判定燃料舱装载至限制液位的情况下，LNG燃料占总燃料的比重，若计算得出

f

的值大于0.5，则可判定LNG作为推进主燃料；反之，可判定常规燃料作为主燃料。对于大型双燃料低速机直推型LNG船，其货舱舱容远大于普通燃料舱，而且一般该船型都会在2～3个货舱内配置燃气泵向主机输送天然气作为燃料，即货舱舱容可直接作为LNG燃料舱进行计算，因此大型双燃料低速机直推型LNG船的

f

值必然大于0.5。

综上所述，对于双燃料低速机直推型LNG船，可用LNG作为主燃料进行EEDI计算。

2.3 双燃料低速机推进LNG船的EEDI计算数学模型

对于采用双燃料低速机直推型LNG船，其双燃料主机及双燃料发电机在燃气模式下的油耗由2部分组成：主燃料天然气和点燃油MDO/MGO，需要分别计算碳排放。因此，MEPC.245(66)根据通用EEDI计算公式衍生出适用于双燃料船型的EEDI计算公式如下：

EEDI

=|[

P

·(

C

·

SFC

+

C

·

SFC

) ]+[

P

·(

C

·

SFC

+

C

·

SFC

)]|/(

V

·

Capacity

)

(4)

式中：

P

为主机EEDI功率点消耗功率，取最大持续输出功率(

P

)的75%；

P

为发电机消耗功率，计算公式为：

P

=0.025

P

+250+0.02

P

，或者按照实际电力负荷计算书取值；

C

为点燃油的碳转换系数，本船型采用MDO/MGO作为点燃油，因此该系数取3.206；

C

为天然气的碳转换系数，取2.75；

SFC

为燃气模式下主机及发电机燃气及点燃油的单位油耗，g/kWh；

V

为夏季载重线吃水、75%

P

工况下船舶对应航速，通过实船试航并使用ISO 15016:2015航速修正方法后得到，kn；

Capacity

为夏季载重线吃水下船舶载重量，t。

从上面公式计算得出，当前采用双燃料低速机直推的大型LNG船型，EEDI低于基线值50%以上，低于2022年液化天然气船舶EEDI第3阶段30%的要求。

3 节能装置对大型LNG船EEDI提升效果评估

近年来，随着人们环保意识的增强及越来越严苛的碳排放法规标准相继出台，越来越多的船东、船厂及相关研究机构开始着手研究进一步提升船舶EEDI的可能性。大型LNG船作为清洁能源的运输船，其EEDI指数降低更具先锋作用。

从式(3)、式(4)中看出，降低主/辅机油耗、降低主/辅机功率、提升船舶推进性能、降低空船重量、增加载重量等措施都有利于降低EEDI。本节将着重阐述节能装置对大型LNG船EEDI的提升效果。

3.1 轴带发电机对LNG船EEDI影响

轴带发电机工作的基本原理是船舶主机充分利用其自身的功率储备余量直接或通过变速机构驱动发电机系统。轴带发电机可有效提升船舶运营经济性、改善机舱环境、减少后期维修成本。

根据MEPC.245(66)规定，对安装轴带发电机的船型，

P

计算公式如下：

(5)

式中：

P

为每台主机的额定装机功率(MCR)减去轴带发电机功率(

P

PTO())后的75%；

P

PTO()为每一台轴带发电机的75%输出功率除以该轴带发电机的转换效率。上述公式表明，在计算带有PTO的主推进功率时，要将PTO部分减去，即

MCR

-

P

，该部分功率的75%去重新计算相对应的航速

V

，而

P

的降低必然会引起

V

的同步减少，因此需要通过计算确认PTO是否对EEDI值有正面作用。

以某双燃料低速机直推型LNG船为例，根据式(3)、式(4)，考虑配置PTO的影响，计算得出配置轴带发电机可以使该船型EEDI能效设计指数在50%～60%的基础上再有2%～3%的提升。

由此可见，在确定主机选型，即保持SMCR不变的前提下，配置PTO会直接减少

P

的值，虽然

V

也会相应降低，但总体来讲

P

的降低对EEDI的贡献值更大，因此安装PTO对EEDI能效设计指数有非常显著的正面作用。

3.2 安装空气润滑系统对LNG船EEDI影响

降低船舶航行过程中的阻力、提高船舶航速也能提升EEDI。在不改变船体线型的前提下，船舶的兴波阻力和压差阻力不会变化，要减少阻力唯有通过减少摩擦阻力来实现。

空气润滑技术近年来在23 000 TEU集装箱船、17.4万mLNG船上应用过。空气润滑系统(Air Lubrication System，ALS)就是利用空气与水在密度和黏度上的差异，向船体底部注入适量气体，在船舶底部形成并保持气液混合层或气层，可以减少船舶的实际浸湿面积和减小船舶摩擦阻力。

对于安装空气润滑系统的船，其EEDI变化需根据式(2)中的新技术能效设计指数部分体现。EEDI计算公式分解见图1。

图1 EEDI计算公式分解

对于安装空气润滑系统的船舶，需要根据节能效果对

P

进行相应折减。但由于空气润滑系统运行时，其系统本身消耗的功率会大大增加发电机负荷，这部分功率也必须进行相应考虑。同样地，以某LNG船船型为例，对安装ALS的LNG船船型EEDI计算发现，安装ALS对该船型的EEDI贡献值仅有0.2%～0.3%的提升。由此可见，安装ALS会降低

P

,但同时会增加

P

，而且由于规范规定对于安装ALS的船舶，

V

的提升不得计入EEDI计算公式，因此安装ALS对EEDI虽有贡献但效果不明显。

4 结论

(1)采用传统二冲程低速柴油机作为推进方式的大型LNG船，EEDI已经无法满足第3阶段的要求；双燃料中速机+减速齿轮箱的推进方案， EEDI能效设计指数也能满足第3阶段的要求。但如果往后有更加苛刻的要求出现的话，就无法满足EEDI的要求。目前最佳的EEDI是采用双燃料低速机直推的方案。EEDI指数远远低于第3阶段的要求，而且有着相当大的余量，即使未来提出更为苛刻的要求，也能很容易满足。

(2)在不改变船型SMCR的前提下，利用螺旋桨转速裕度配置轴带发电机可有效提升EEDI。

(3)对于配置ALS的LNG船型，需要综合考虑ALS工作时主机功率降低及辅机功率增加因素，而且由于航速提升不能计入公式进行计算，因此对EEDI能效设计指数贡献非常有限。