数字化船舶EEDI验证方法

王志芳 阳子轩 陈庆任

1.中国船级社武汉规范研究所，武汉，4300222.湖北大学知行学院计算机与信息工程学院，武汉，430011

0 引言

船舶能效设计指数(energy efficiency design index，EEDI)是衡量船舶单位距离内运输单位质量货物CO2排放量的指标。国际海事组织(international maritime organization，IMO)在2011年7月召开的MEPC62会议上以MEPC.203(62)决议通过了MARPOL附则Ⅵ修正案，引入船舶能效规定，使EEDI的相关要求成为强制性要求，该修正案于2013年1月1日生效实施[1]。为降低我国船舶CO2排放量，提高船舶能效水平，2012年交通运输部发布了13号令《内河运输船舶标准船型指标体系》，其中CO2排放指数是强制性指标，规定2012年7月1日后建造的新船必须满足CO2排放指数限值的要求。中国船级社自2013年开始制定并发布了《内河绿色船舶规范》(2013/2018/2020版)，对航行在中国内河水域、400总吨及以上的干散货船、集装箱船、液货船、客船、客滚船及滚装船提出了EEDI的要求，其中规定船舶需进行EEDI前期验证和最终验证，在设计阶段需要进行水池试验等前期验证，在最终验证阶段需要进行实船测试[2]。

由于内河航运附加值低、内河船舶设计费用少，在设计阶段进行船模水池试验的船舶很少，故前期验证很难实施。另外，内河航道适应大型船舶试验的顺直深水航道不多，实船测试工况大多为空载工况，测试环境条件和实船工况都受到很大的限制。在没有船模水池试验的情况下，最终验证需要采取满载工况实船测试的方式，在现实中也很难实施[3]。上述难题导致2012年以来内河绿色船舶发展缓慢，EEDI指标难以得到有效落实。因此，利用现代数字化技术建立内河船舶快速准确的EEDI数字化验证方法非常有必要，以解决EEDI验证的船模试验成本高、实船测试要求高，测试环境受限等重要问题，快速方便地实现对我国内河船舶EEDI的评估验证，提升我国内河船舶能效水平。

1 EEDI计算方法

EEDI的内在含义是指，根据船舶在最大装载量时以一定航速航行船舶所需推进动力以及船舶所需相关辅机功率消耗的燃油来估算CO2的排放量。EEDI值越大，表明船舶单位距离运输单位质量货物排放的CO2量越大、能耗越高。EEDI值计算公式如下[4]：

(1)

式中，nME、nAE分别为主机、辅机台数；PME、PAE分别为主机75%额定功率和辅机50%标定功率值，kW；SYME(i)、SQME(i)分别为与PME相对应的燃油、气体消耗率；SYAE(i)、SQAE(i)分别为与PAE(i)相对应的燃油、气体消耗率；SME(t)为主机燃料消耗率；CFME(i)为主机燃料碳转化系数；CFAE为燃料的CO2转化系数；neff、feff(i)、Peff(i)、PAEeff(i)为能效技术的相关参数；vref为在无风无浪的平静水域，船舶在满载工况及主机按75%额定功率推进的情况下在深水中的航速，kn；C为载运能力；fj、fi、fc为与船型有关的修正系数[5-6]。

根据《内河绿色船舶规范》2020版中对EEDI的验证要求，与EEDI计算结果息息相关的主辅机台数、主辅机功率、载运能力C的取值均依据船舶设计图纸，燃油/气体消耗率均来自发动机厂家提供的发动机排放测试文件或证书，只有船舶航速vref需要通过船模实验及实船测试来确定，为此只需确定船舶航速vref的准确预报即可完成对船舶EEDI计算和评估验证[7-8]。

2 基于改进艾尔法的船舶有效功率计算

艾尔(Ayre)在分析大量船模和实船实验结果的基础上绘制了用于阻力计算的曲线图表，其适用范围较广[9]，一般对中、低速船比较适用，但对于近代高速船和大型丰满船型，此法可能偏差较大[10]。

由于受内河航道水深限制，内河船舶大多是浅吃水的宽扁船型，方形系数较大且为双机双桨，为此需根据内河船型特点对艾尔法阻力计算方法进行改进，以便较准确地预报内河船舶阻力曲线。

2.1 艾尔法的基本思想

艾尔法首先针对标准船型直接估算有效功率，然后根据设计船与标准船型之间的差异逐一修正，最后得到设计船的有效功率值[11-12]。艾尔法标准船型的相应参数如下：

(1)标准方形系数Cbc的计算公式为

(2)

式中，Fr为傅汝德数。

(2)标准宽度吃水比B/T=2.0。

(3)标准水线长Lwl=1.025Lbp，Lbp为垂线间长。

(4)标准浮心纵向位置xc由标准方形系数Cbc及xc对应表获取。

2.2 艾尔法计算阻力步骤

艾尔法计算阻力的步骤[13]如下。

(3)对实船进行修正。与标准船型做比较，做出以下4项修正[14]：

①方形系数Cb的修正。若设计船方形系数Cb小于或大于标准船型的方形系数Cbc，则对标准船型的C0值增加或减小一个修正值Δ1：

(3)

其中，C0所增加的百分比Kbc通过查实际Cb较小时对C0所增加的百分比Kbc表得到。经方形系数修正后的系数C1=C0+Δ1。

②修正宽度吃水比B/T：

Δ2=-10Cb(B/T-2)C1

(4)

C2=C1+Δ2=C0+Δ1+Δ2

(5)

③浮心纵向位置xc的修正：若设计船的浮心纵向位置不在标准位置，则对系数C2减少一个修正量Δ3。为了确定Δ3，应先算出(Δ3)0：

(Δ3)0=C2Kxc

(6)

Kxc通过查实际xc位置在标准xc位置之前时对C2应减少的百分比Kxc表得到。

当Δ1>0时，Δ3=-(Δ3)0；当Δ1<0且|(Δ3)0|≤Δ3时，Δ3=0；当Δ1<0且|(Δ3)0|>Δ1时，Δ3=-|(Δ3)0|-Δ1。则有

C3=C2+Δ3=C0+Δ1+Δ2+Δ3

(7)

④水线长度的修正：

(8)

式中，LS为船舶水线长度。

C4=C3+Δ4=C0+Δ1+Δ2+Δ3+Δ4

(9)

实际设计船的有效功率为

(10)

式中，vs为实船航速。

2.3 基于艾尔法的改进分析

共收集内河货船船模试验资料59艘，其中29艘用于统计分析，其余30艘用于验证分析，以确保统计分析的有效性。

(1)基于艾尔法的阻力估算。选取用于统计分析的29艘船舶共168个计算速度点，进行艾尔法阻力估算，将计算结果与船舶试验数据进行比较分析，以此为基础进行改进分析；经计算统计分析得到 29艘船舶有效功率的艾尔法计算值与试验值之间的绝对误差ε平均值为11.2%。

(2)基于改进艾尔法的阻力评估分析。由上述三个步骤对29艘船舶共168个计算点的Δ1～Δ4四个修正值的统计分析可知：关于xc、Lwl的修正量Δ3、Δ4较小，对结果影响不大，而关于Cb、B/T的修正量Δ1、Δ2对结果影响很大。故艾尔法更适用于内河船阻力评估的改进研究中，只需对Cb与B/T的修正方法进行改进。通过多种修正方案的计算，比较其估算误差，最终确定修正系数如下：

①当Fr较大时，标准方形系数Cbc与Cb之差较大，使得Cb的修正量过大，从而影响了计算精度。当Cb>Cbc时，艾尔法的修正系数Kbc=-300Cb(Cb-Cbc)/Cbc，对此，将其修正为：当Kbc<-10时，Kbc=-10。

②艾尔法的标准船型B/T=2，原修正方法为-0.1CbD20C1，其中，D20=B/T-2。将D20修正为

(11)

对其余30艘船舶分别利用原版艾尔法和改进艾尔法对其进行有效功率估算，对比分析结果见表1。可知，原版艾尔法中误差小于5%的计算点只占27%，而改进艾尔法对应值则达到67%；原版误差平均值为9.4%，而改进艾尔法对应值为3.4%。由此可知，改进艾尔法的计算精度更高。

表1 其余30艘船舶试验数据计算结果统计Tab.1 The calculation results of the test data of the remaining 30 ships

3 基于改进艾尔法的航速预报方法

船舶航速的预报涉及船舶有效功率、主机功率、传递效率、推进因子、螺旋桨推进功率等众多参数[15]。对于船舶有效功率，选用改进艾尔法。对于推进因子，通过船模试验资料的对比分析后选用适合于内河船舶的推进因子估算公式。在螺旋桨的计算方面，由于内河船舶的螺旋桨大多为图谱桨，故可利用相应的图谱回归公式计算螺旋桨的推力系数Kt、扭矩系数Kq[16]，进而计算其有效推进功率。通过船舶有效功率和螺旋桨有效推进功率进行匹配确定船舶航速[17]。航速预报方法的研究路线图见图1。

图1 航速数字化预报方法研究路线Fig.1 Study route of ship speed digital forecast method

3.1 螺旋桨推进功率的计算

内河货船螺旋桨基本采用图谱桨，包括MAU型桨和B型桨，因此本软件采用MAU型桨和B型桨的推力系数Kt、扭矩系数Kq的图谱回归公式来计算螺旋桨推进性能[18-19]。MAU型桨的Kt、10Kq为螺距比、进速系数及盘面积比的函数，计算公式为

(12)

(13)

式中，Aijk为与i、j、k有关的回归系数；P为螺旋浆面螺距；D为螺旋浆直径；J为进速系数；AE为螺旋浆各叶伸张轮廓所包含面积之和；A0为螺旋桨盘面积。

B型桨的Kt、10Kq为螺距比、进速系数、盘面积比及桨叶数的函数，计算公式为[20]

(14)

式中，Cstuz为与s、t、u、v有关的回归系数；Z为螺旋桨桨叶数。

3.2 航速预报计算

利用改进的艾尔法求得船舶有效功率曲线，利用图谱回归公式求得不同主机转速(n1、n2、n3等)下螺旋桨有效推功率和对应的主机功率，进行船舶航行特性计算，得到给定工况下的航速，如图2所示。

图2 船桨匹配示意图Fig.2 Paddle matching schematic

3.3 航速预报结果的验证

采用本文航速预报方法对收集的32艘实船航速试验测试结果进行验证(表2)可知：93%以上的样本的误差均在5%以内，平均误差为2.678%，证明了本文方法在内河船舶航速预报上的有效性和可靠性。

4 船舶EEDI数字化验证软件

表2 航速验证结果分析Tab.2 Analysis of ships speed verification results

4.1 输入模块

输入模块主要由三个页面组成：“基本信息”页面、“主机辅机”页面、“螺旋桨及其他”页面，如图3所示。

图3 输入模块页面Fig.3 Input module page

图4 计算模块页面Fig.4 Calculation module page

4.2 计算模块

如图4所示，计算模块嵌套调用多个子函数，其中包括船舶有效功率计算、螺旋桨Kt与Kq计算、航速计算、EEDI基线值计算、Attained EEDI值计算等多个子函数。

4.3 结果显示模块

计算完成之后，在标题栏上点击“查看结果”，可查看EEDI计算结果，如图5所示。通过启动该软件，输入必要的参数和数据，点击相应的计算类别后，EEDI数字化验证软件计算结果输出模块即可方便快捷地给出精确度相对较高、可满足实际需要的船舶EEDI预报结果，为内河船舶智能、高效、经济地评估船舶EEDI提供了强有力的技术手段。

图5 计算结果效果Fig.5 Calculation results

5 结论

(1)本文基于艾尔法阻力估算及有效功率计算方法，基于收集的内河船舶水池试验数据，提出了改进的艾尔法，对船舶阻力进行评估和有效功率计算，结果表明，改进艾尔法可有效适用于内河船舶。

(2)通过采用改进艾尔法计算的有效功率，以及主机功率、传递效率、推进因子、螺旋桨推进功率等参数进行了船舶航速预报，经过实船航速测试数据验证分析可知预报结果平均误差较小，在可接受范围内。

(3)开发了内河船舶EEDI数字化预报验证软件，可对船舶EEDI计算进行快速、准确的预报，降低船东费用，促进内河船舶绿色高效发展。