EEDI全名船舶能效设计指数(Energy Efficiency Design Index),是船舶消耗的能量换算成CO2排量和船舶

有效能量换算成CO2排量的比例指数。EEDI的设立是为船舶建立一个最低能源效率的标准,一般而言,EEDI指

数越高,能源效率越低。[1]鉴于能源效率与二氧化碳联系的紧密性,IMO设立EEDI标准后,通过设定最大允许

EEDI指数,然后规定在未来几年内逐步减小(2020年30%,2025年20%,一直到2025年后达到10%)。EEDI的形成

主要经历了以下过程:1997年,在MARPOL公约缔约国大会上,IMO通过一项研究船舶CO2排放问题的决议。2007

年,IMO环保委员会(MEPC)第56次会议确定在新造船的设计上可采取技术性措施进行节能减排。2008年,MEPC

第57次会议制定“强制性新造船CO2设计指数”,委员会同意会议按照“新造船CO2设计指数”“营运船CO2

排放指数”以及“市场机制”三个模块进行审议。MEPC第58次会议形成了“新造船EEDI计算方法临时导则

草案”;MEPC第59次会议对EEDI导则草案做了进一步修订,强制要求该指数适用于400总吨以上的船舶,于

2013年1月1日生效。中国船级社(CCS)关于EEDI的验证评估主要推出以下内容:2012年7月《内河船舶能效设

计指数(EEDI)评估指南》以及在2012年12月《船舶能效设计指数(EEDI)验证指南》[2]。EEDI公式综合考量

了传统设计技术、使用技术、耐波性以及高科技新技术。传统设计技术主要考虑阻力优化,采用优秀型线;

实用技术取75%MCR为节能指标;耐波性角度主要考虑船舶失速系数FW;采用节能措施和装备改变新技术,具体

体现为:(1)水动力性能设计———复杂流动现象以及预报和控制船舶强非线性/动态载荷与响应的基础性研

究,主要包括建模、精细测量和CFD技术研究[3]。(2)结构轻量化设计———结构优化设计技术。(3)动力适

配技术———船舶推进集成技术与系统性能仿真研究,推进系统各部件匹配技术研究,船舶推进系统综合优

化控制技术。(4)先进设计技术———船型优化设计、绿色船舶性能优化设计、船舶总体构型技术、船舶多

学科优化技术。

1 8 000吨级近海油轮参数介绍
本文主要以8 000吨级近海油轮为研究对象,提出油船的EEDI计算公式,计算该船的EEDI结果,结合衡准要求,

满足能效指标。最后从影响EEDI变化的三个主要因素———载重量、主机功率、航速入手,研究三因素与油

轮节能减排上的关系,进而为该类船型控制CO2排放和提高船舶自身性能提供依据。

8 000吨级近海油轮为钢质船体,单甲板,首尾及机舱、泵舱设平台甲板,货油舱区域设双壳、双层底,球鼻首

,方型艉,单桨单舵单柴油机近海I级油船,设有12个货油舱、艏艉楼和四层甲板室。8 000吨级近海油轮航行

于国内近海航区(冰区除外)各港口之间,也可进入长江中下游地区航行,可载运闪点<60℃的成品油。该船的

主要尺度和参数:总长LOA=123.90 m,设计水线长LWL=117.88 m,垂线间长LPP=115.00 m,型宽B=18.00 m,型

深D=9.20 m,设计吃水d=6.80 m,满载排水量Δ=11 743.0 t,载重量W=8 973.66 t。主机采用G16V300ZCB型

船用柴油机1台,额定功率2 940 kW,额定转速500 r/min。离合器为GWC60.66型船用齿轮箱1台,减速比

2.85:1。发电机组由4135ZCaf型船用柴油机2台构成,功率132.5 kW,转速1500 r/min,TFH-H-120型三相交流

发电机2台,功率120 kW,转速1 500 r/min。螺旋桨为MAU型,直径3.70 m,螺距2.886 m,螺距比0.78,盘面比

0.65,5叶。航速要求本船在设计吃水d=6.80 m,主机功率P=2 940 kW,转速N=500 r/min,且风力不大于蒲氏

风标三级时,其满载试航速率不低于12.0 kn。

2 8 000吨级近海油轮EEDI计算公式
8 000吨级近海油轮的EEDI首先考虑以下两个方面:(1)由于8 000吨级近海油轮采用主机推进系统,EEDI计算

以主机部分为准;(2)载重量的计算按照实际船的载重量为准。按照该船稳性计算书中数据,参考下列资料:

总布置图、型线图、静水力曲线表、稳性横截曲线表。首尾楼计入稳性曲线,其上层建筑结构必须符合规范

要求,门窗应符合载重线的要求,在恶劣天气中门窗应能保持关闭,各排水管道出口处应设置符合规范要求的

止回阀。在空载时,应按计算书要求在各压载水舱内注满压载水,压载水舱不得存在自由液面。同时只允许

一对货油舱存在自由液面,其它货油舱应为空舱或满舱(98%)[4]。为了方便计算,以满载出港工况下的节能

减排作为依据,该油船的EEDI公式为:

 
其中分子部分表示油船在实际工况下所耗燃油所转换成CO2的排放量;分母部分体现了油船最大工况下的载

重量(Capacity)和航速(v)的乘积,并考虑了载重量修正系数以及航行过程中受到地质和水域风浪(比如结冰

因素等)的修正系数[5]。EEDI的数值单位是g(CO2)/(t·nm)。公式中的相关参数罗列如下:

CF———燃油的碳转换系数,针对柴油机无量纲CO2转化因子CF=3.114;

P———G16V300ZCB型船用柴油机1台,额定功率2 940 kW,额定转速500 r/min。PME取为该船柴油机的总功

率的75%,所以PME=0.75×2 940=2 205 kW;

Capacity———8 000吨级近海油轮满载出港工况下的载重量8 400 t;

SFC———柴油机燃油消耗量,178 g/kWh;

fi———载重量的修正系数,修正系数为1;

fj———冰区加强修正系数,修正系数为0.95;

vref———最大航速;

feff———能效创新系数,修正系数为1。

结合以上参数,可得到8 000吨级近海油轮的EEDI为:

 
3 影响油轮EEDI变化的三个主要因素分析
MEPC对EEDI公式做了明确推广,包括一些工作船、多用途船等。丹麦提案做了一系列的数值回归,得到一指

数函数EEDI=a×Capacity-c,式中a、c为常数,如表1所示,该公式计算得到EEDI值作为衡准值。中国提案为

了验证这个公式的准确性也进行一系列船型的计算回归,如图1所示。

本文研究对象为油船,结合以上的回归公式计算得出8 000吨级近海油轮的参考值。计算公式:衡准值EEDI=1

905.7×Capacity-0.5337。因此本船的EEDI值为EEDI=1 905.7×8 400-0.5337=15.33g(CO2)/(t·nm)。综

上分析可得,8 000吨级近海油轮的EEDI计算值为衡准值为12.76g(CO2)/(t·nm),前者小于后者,满足船舶能

效指标满足。

8 000吨级近海油轮主要通过主机进行推进,该船EEDI公式可以简化成:

 图1 参考线公式比较(丹麦—中国)
图1 参考线公式比较(丹麦—中国)   下载原图

表1 新参考线公式     下载原表

 表1 新参考线公式
 
公式(2)中CF代表燃油的碳转换系数;P由PME代替,代表船柴油机推进功率;Capacity为特定工况下的DWT;SFC

为该船的柴油机燃油消耗;vref表示最大航速。

可见要想提高8 000吨级近海油轮的EEDI,可以通过载重量、主机功率、航速以及推进器的型号等因素进行

考虑。本文主要从载重量、航速和主机功率三个因素研究该船的EEDI。

(1)载重量因素分析。为了分析8 000吨级近海油轮的DWT(载重量为8 400 t)与EEDI之间的关系,需要对内部

的几个量值进行说明:主机为G16V300ZCB型船用柴油机1台,额定功率2 940 kW,额定转速500 r/min;载重量

按照线性递减进行处理;排水量与航速之间关系运用海军系数法进行分析。具体调整如下:

 
为了详细计算不同船舶载重量与EEDI关系,对油船的货物重量进行每200 t均匀递减,如表2所示,计算结果对

比如图2所示。

表2 载重量(DWT)与EEDI的关系     下载原表

 表2 载重量(DWT)与EEDI的关系
 图2 载重量变化对EEDI影响
图2 载重量变化对EEDI影响   下载原图

从表2和图2的结果对照分析中可以得出结论:载重量减小,航速增加,EEDI计算值呈现递增趋势,可见该油船

改变载重量对于节能减排是不利的。载重量减小,衡准值(EEDI)随之递增,计算值离衡准值越来越近。可见

半载和空载情况下单单减小载重量对于EEDI也是不利的。由载重量-EEDI曲线可知,EEDI的衡准指标要求,计

算值<衡准值,满足船舶能效设计指数的要求,但是依然不能满足IMO的第二阶段减排20%的目标,所以一味改

变装载量不能解决问题。

(2)主机功率因素分析。要研究8 000吨级近海油轮的主机功率与EEDI之间的关系,必须考虑以下几个参数:8

000吨级近海油轮载重量8 400 t保持不变;主机功率从2 205 kW开始,每隔50 kW进行递减;航速通过以下无

量纲因子计算。

 
计算不同主机功率与EEDI之间关系，对主机功率进行每50 kW递减，如表3所示，计算结果对比如图3所示。

表3 主机功率与EEDI的关系     下载原表

 表3 主机功率与EEDI的关系
从表3和图3对照分析可知,航速随着主机功率减小而减小,EEDI的计算值也随着主机功率降低而减小。由于

衡准值跟主机功率没有直接关系,所以衡准值保持不变。计算所得EEDI值小于衡准值,满足满载船舶能效指

标要求。由主机功率对EEDI的影响曲线可知,当8 000吨油轮的主机功率达到2 205 kW时,满足IMO的第二阶

段减排20%的目标。随着主机功率减小,计算值与衡准值之间的差值就越大。由此可得主机功率对8 000吨级

近海油轮的节能减排效果是明显的。

(3)航速因素分析。最后研究8 000吨级近海油轮的航速因素与EEDI之间的关系。同样需要对载重量和主机

功率参数进行说明:油轮载重量8 400 t保持不变,该船的航速以0.2 kn均匀降低,主机功率与航速之间的关

系还是用海军系数法来表示。

 图3 主机功率变化对EEDI影响
图3 主机功率变化对EEDI影响   下载原图

 
计算不同航速与EEDI之间关系,如表4所示,计算结果对照如图4所示。

表4 航速与EEDI的关系     下载原表

 表4 航速与EEDI的关系
 图4 航速对EEDI影响
图4 航速对EEDI影响   下载原图

从表4和图4的结果对照中发现:主机功率随着航速减小而减小,计算得到该船的节能指标随之下降。由于衡

准值跟航速没有直接关系,该值在曲线上保持不变。同时节能指标的计算值小于衡准值,满足船舶能效指标

。由航速对EEDI的影响曲线可知,通过改变航速达到12 kn时满足IMO的第二阶段减排10%的目标。航速越小,

计算值与衡准值之间的差值越来越大,由此可得船舶航速因素对8 000吨级近海油轮的节能减排效果是明显

的。

(4)载重量和主机功率联合因素分析。由因素分析(1)(2)(3)可知,载重量的变化对EEDI的影响不利,而航速

和主机功率对EEDI有利。然而单单改变一种因素对EEDI影响片面,所以联合载重量和主机功率两种因素研究

他们对EEDI的影响。

为了更好地分析他们之间的关系,首先需对主机功率、载重量和航速参数进行说明:主机功率还是以50kW均

匀降低;载重量按照线性减小200 t进行处理;通过海军系数法对航速进行计算。

 
表5 载重量和功率对EEDI影响     下载原表

 表5 载重量和功率对EEDI影响
    下载原表

 表5 载重量和功率对EEDI影响
 图5 载重量与主机功率变化对EEDI影响
图5 载重量与主机功率变化对EEDI影响   下载原图

图5和表5表示载重量和主机功率同时改变与EEDI之间关系,主要结论如下:随着载重量减小,排水量降低,船

舶能效指标的计算值也增加;主机功率降低,航速下降,能效指标值随之减小。所以,载重量的增加同时主机

功率降低可以大大降低该计算值。结合EEDI的衡准,得出计算值小于衡准值,满足要求。载重量越大,航速越

小,EEDI的计算值与衡准值之间差值也越大,说明更加有利该船的节能减排效果。

4 结束语
本研究首先对EEDI背景以及影响进行介绍,突出一些相关的节能减排理念,接着主要以8 000吨级近海油轮为

研究对象,提出油船的EEDI计算公式,计算该船的EEDI结果,结合衡准要求,满足能效指标。最后从影响EEDI

变化的三个主要因素———载重量、主机功率、航速等方面入手,研究他们与EEDI之间关系。最终得出如下

结论:

(1)载重量因素。载重量减小,航速增加,EEDI呈现递增趋势。在半载和空载情况下,仅减小载重量对于节能

减排是不利的。

(2)主机功率因素。能效指标随着主机功率降低而减小。由于衡准值(EEDI)跟主机工况没有直接关系,因此

该衡准值可以保持不变。EEDI值小于衡准值就能满足船舶能效指标要求。调控主机功率因素对8 000吨级近

海油轮的节能减排效果明显。

(3)航速因素。主机功率随着航速减小而减小,计算得到该船的节能指标随之下降。航速越小,计算值与衡准

值之间的差值越来越大,由此可见,调控船舶航速因素对8 000吨级近海油轮的节能减排效果明显。

(4)载重量与航速联合因素。随着载重量减小,排水量降低,船舶能效指标的计算值也增加;主机功率降低,航

速下降,能效指标值随之减小。所以,增加载重量的同时降低主机功率,可以大大降低该计算值。