1、前言
隨著IMO結(jié)合2018年GHG減排目標(biāo)，出臺(tái)了GHG減排初步戰(zhàn)略，日本在設(shè)立中長(zhǎng)期GHG減排對(duì)策計(jì)劃的基礎(chǔ)上制定了路線(xiàn)圖，并提出了達(dá)成中長(zhǎng)期目標(biāo)的概念船舶設(shè)計(jì)。
此外，圍繞EEDI議題，MEPC就EEDI第四階段的設(shè)定值等展開(kāi)了討論，日本進(jìn)行了廣泛的調(diào)查和研究，通過(guò)將現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，試設(shè)計(jì)了能大幅優(yōu)化EEDI的概念船。
2、設(shè)計(jì)概念
以EEDI較2008年優(yōu)化80%以上為目標(biāo)，實(shí)施了80000DWT散貨船和20000TEU集裝箱船的概念設(shè)計(jì)。
概念船是在原有船型（相當(dāng)于2008年的EEDI Reference Line）基礎(chǔ)上，采用船型改良、減速設(shè)計(jì)、大型化、混合動(dòng)力對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳、LNG燃料，以及創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)（風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)和空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)），其EEDI值較母型船優(yōu)化了86%。
3、概念船規(guī)格
3.1散貨船（80000DWT船）
3.1.1基本參數(shù)
該概念船的基本參數(shù)如表1所示。
表1 基本參數(shù)（散貨船）
3.1.2船型改良、減速設(shè)計(jì)及大型化
基于最新的環(huán)保船運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，對(duì)2019年船舶進(jìn)行船型改良，EEDI值與2008年相比約優(yōu)化了21%。
下一步措施是實(shí)施減速設(shè)計(jì)和大型化。目前，由于低速航行的常態(tài)化，暫且不論設(shè)計(jì)航速與實(shí)際航速不符的情況，若不進(jìn)行船舶的大型化而僅降低設(shè)計(jì)船速，則必需增加船舶數(shù)量，以設(shè)計(jì)航速進(jìn)行運(yùn)輸?shù)某杀緦⑸仙?，從?jīng)濟(jì)性上來(lái)看并不現(xiàn)實(shí)，因此該概念設(shè)計(jì)是在不增加船舶數(shù)量的前提下，以大型化來(lái)補(bǔ)償因減速導(dǎo)致的運(yùn)輸能力的下降。
另外，由于受與母型船同等的港口限制等條件，在不改變船長(zhǎng)及吃水的同時(shí)，采用寬幅船型實(shí)現(xiàn)大型化，以最大限度避免推進(jìn)性能和操縱性能的大幅降低。該寬幅船型的船寬從32.24m增加到42.0m，載重噸增至102000DWT。在這一條件下，設(shè)計(jì)航速?gòu)?4.5kn降至11.5kn，能夠確保運(yùn)輸能力。通過(guò)大幅降低主機(jī)功率，EEDI值優(yōu)化了約41%，再通過(guò)船舶大型化，EEDI值進(jìn)一步優(yōu)化了約10%。
由于主機(jī)功率大幅降低，不能滿(mǎn)足IMO最小功率條件，所以該設(shè)計(jì)以采用緊急時(shí)刻功率的概念為前提。緊急時(shí)刻功率的概念是為優(yōu)化EEDI，對(duì)主機(jī)的輸出功率加以限制，僅在緊急時(shí)刻（如暴風(fēng)雨天氣）才能夠解除限制。通常情況下，船舶在限定的輸出功率范圍內(nèi)航行，EEDI以限定功率來(lái)計(jì)算；在緊急時(shí)刻解除限制，則能夠達(dá)到登記功率。因此，該概念設(shè)計(jì)可同時(shí)滿(mǎn)足EEDI規(guī)定和最小功率條件。
3.1.3推進(jìn)系統(tǒng)的變更
由于低功率和大型化可能引起船舶在靜水中和波浪中操縱性能的不佳，為提高操縱性能，采用以POD推進(jìn)器和單軸電力推進(jìn)組成的混合動(dòng)力型對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳，如圖1所示。
雙螺旋槳提升了效率，EEDI值優(yōu)化了約10%。
圖1 混合動(dòng)力型對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳系統(tǒng)
另外，隨著電力推進(jìn)的普及，發(fā)電機(jī)、變頻器、馬達(dá)的損失使EEDI上升了9%，減速機(jī)的輸出功率損失使EEDI上升了1.5%，能效變差。并且，主推進(jìn)用發(fā)動(dòng)機(jī)由二沖程變更為四沖程，導(dǎo)致燃耗變大，EEDI值約上升了6%。綜上，該推進(jìn)系統(tǒng)總體使EEDI值上升了約6%。
雖然可以選擇雙機(jī)雙槳、電力化等各種措施來(lái)彌補(bǔ)寬幅船型和低功率帶來(lái)的操縱性能的惡化，但該概念設(shè)計(jì)船基于以下理由仍采用上述推進(jìn)系統(tǒng)： ①如果僅考慮減排，直接采用雙機(jī)雙槳最優(yōu)，但POD推進(jìn)及電力推進(jìn)使機(jī)艙配置的自由度更高，可大幅提升操縱性能，與雙槳船相比，推進(jìn)效率（船殼效率ηH）更優(yōu)。 ②電力推進(jìn)難以避免能效惡化，但從未來(lái)發(fā)展的角度來(lái)看，實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電效率的提升及大容量電池性能的提高后，溫室氣體排放有望進(jìn)一步得到削減。
3.1.4LNG燃料
采用LNG燃料，CO2換算系數(shù)降低且提高了燃油效率，EEDI值優(yōu)化了約23%。LNG燃料艙采用IMO Type-C型，配置于上甲板煙囪的兩舷側(cè)，以往返南北航線(xiàn)（日本—澳大利亞）計(jì)算，艙容為3800立方米。
3.1.5創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)（風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)）
以風(fēng)能降低能耗，如圖2所示，在相鄰兩貨艙之間裝載1個(gè)具有4檔伸縮結(jié)構(gòu)的風(fēng)帆，共裝載6個(gè)，為確保船橋視野的開(kāi)闊，將船橋置于船首。
圖2 散貨船外觀概念圖
在風(fēng)力效能方面，根據(jù)日本“Wind challenger”項(xiàng)目，1個(gè)風(fēng)帆試算的EEDI優(yōu)化效果約5%（日本—澳大利亞?wèn)|海岸航線(xiàn)），考慮該概念船裝載的風(fēng)帆數(shù)量，主機(jī)功率降低的效果計(jì)為2000kW。
另一方面，為將風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)帶來(lái)的主機(jī)功率降低的效果計(jì)入EEDI，必須有該系統(tǒng)的推進(jìn)特點(diǎn)及風(fēng)的出現(xiàn)頻度數(shù)據(jù)等，由于這些必須在MEPC等國(guó)際會(huì)議上進(jìn)行討論并獲得認(rèn)可后才能計(jì)入EEDI，目前還不能實(shí)現(xiàn)，因此該課題需留待今后解決。
3.1.6創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)（空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)）
為實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果，裝載“掃氣回路空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)”，將一部分氣體導(dǎo)入船底，能夠降低船體與海水之間的摩擦阻力。在日本建造的100000DWT散貨船上已經(jīng)證實(shí)了其具備約4%左右主機(jī)功率降低的效果，假設(shè)該概念船具有同等的降阻效果，還有風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)的加持，其EEDI值總計(jì)可進(jìn)一步優(yōu)化61%。
3.1.7EEDI優(yōu)化率的變化（散貨船）
通過(guò)以上措施的累積，最終達(dá)成了EEDI值優(yōu)化86%的目標(biāo)，如表2所示。
*1：推進(jìn)馬達(dá)的額定功率 表2 采用技術(shù)概要及EEDI優(yōu)化率（散貨船）
3.2集裝箱船（基于20000TEU船型）
3.2.1基本參數(shù)
該概念船的基本參數(shù)如表2所示。
表2 基本參數(shù)（集裝箱船）
3.2.2船型改良、減速設(shè)計(jì)及大型化
根據(jù)最新環(huán)保船的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)2019年船舶進(jìn)行船型改良及減速設(shè)計(jì)，其EEDI值比2008年優(yōu)化了50%。
下一步措施和散貨船相同，在考慮經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)為最佳寬幅大型船舶，船寬從58.8m增至69.2m，載箱量為30000TEU。在上述條件下，為確保運(yùn)輸能力，設(shè)計(jì)航速由22.8kn降至15.2kn。在上一步的基礎(chǔ)上，EEDI值通過(guò)大幅降低主機(jī)功率優(yōu)化約51%,再通過(guò)大型化進(jìn)一步優(yōu)化約23%，能效總計(jì)優(yōu)化了81%。
該概念船假定投入歐洲—亞洲航線(xiàn)運(yùn)營(yíng)，船寬69.2m的船舶通行蘇伊士運(yùn)河的最大航行吃水為12.9m，但考慮到航行至蘇伊士運(yùn)河之前的燃油消耗等原因造成的吃水減少的部分，設(shè)計(jì)吃水為13.0m。此外，為確保集裝箱空間，在隨船寬擴(kuò)大而擴(kuò)大的煙囪兩側(cè)的空間設(shè)置居住區(qū)，為保證船橋視野，將船橋置于船首。
3.2.3推進(jìn)系統(tǒng)的變更
集裝箱船同樣存在因低功率及大型化帶來(lái)操縱性能的大幅下降、無(wú)法滿(mǎn)足操縱性能標(biāo)準(zhǔn)的可能性，因此，為提高操縱性能，采用與上述散貨船概念船相同的推進(jìn)系統(tǒng)。雙螺旋槳雖然能夠提高螺旋槳效率，但由于螺旋槳載荷的影響，無(wú)法達(dá)到到散貨船的優(yōu)化程度，EEDI值優(yōu)化僅停留在約6%左右。
另外，隨著電力推進(jìn)的普及，與散貨船相同，發(fā)電機(jī)、變頻器、馬達(dá)等的損失為9%，減速機(jī)導(dǎo)致的輸出功率的損失為1.5%，都使能效變差。并且，主推進(jìn)用發(fā)動(dòng)機(jī)由二沖程變更為四沖程，導(dǎo)致燃耗變大，EEDI值反而上升了約7%?？偟膩?lái)看，采用該推進(jìn)系統(tǒng)，整體使EEDI值在上一步措施的基礎(chǔ)上，上升了約11%。
該概念設(shè)計(jì)船基于以下理由采用上述推進(jìn)系統(tǒng)： ①電力推進(jìn)無(wú)法避免上述損失，但同散貨船概念船一樣，從發(fā)展的角度來(lái)看是適用的。 ②像該概念船這樣的低功率集裝箱船，由于裝載冷藏集裝箱等原因，相對(duì)需要更多的電力，通過(guò)全電化提高電力的靈活性。另外，直接推進(jìn)+輔機(jī)發(fā)電機(jī)的配置也更能節(jié)省空間。
3.2.4LNG燃料
采用LNG燃料，CO2換算系數(shù)降低且提高了燃油效率，EEDI值進(jìn)一步優(yōu)化了約26%。LNG燃料艙采用配置在機(jī)艙周?chē)谋∧ば停酝祦啔W航線(xiàn)計(jì)算，艙容為11000立方米。
3.2.5創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)（風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)）
由于集裝箱船無(wú)法安裝風(fēng)帆，采用圖4所示的風(fēng)力推進(jìn)用風(fēng)箏。風(fēng)箏的展開(kāi)、滑翔空中的動(dòng)作、收帆等全部由電子控制，能夠適應(yīng)風(fēng)力狀況的變化獲得最大效果。在巴拿馬型散貨船上，制造商給出了23.7%的能效優(yōu)化結(jié)果，加上概念船的功率裕度，可計(jì)入1000kW的功率降低效果。
圖4 集裝箱船外觀概念圖
3.2.6創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)（空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)）
與散貨船概念船相同，該概念船也裝載了“掃氣回路空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)”，并獲得了同樣的效果?？諝鉂?rùn)滑系統(tǒng)與風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)總共對(duì)EEDI值進(jìn)一步優(yōu)化了11%。
3.2.7EEDI優(yōu)化率的變化（集裝箱船）
經(jīng)過(guò)以上幾步措施，如表3所示，最終達(dá)成了EEDI值優(yōu)化86%的目標(biāo)。
*1：實(shí)際上2008年還沒(méi)有20000TEU船，假定設(shè)計(jì)與Reference Line相當(dāng)?shù)?0000TEU集裝箱船。 *2：推進(jìn)馬達(dá)的額定功率 表3 采用技術(shù)概要及EEDI優(yōu)化率變化（集裝箱船）
4、概念船需解決的課題
由于概念船是將目前可以應(yīng)用的各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化組合，所以認(rèn)為技術(shù)層面沒(méi)有太大的問(wèn)題，但實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，還需要在IMO相關(guān)法規(guī)及導(dǎo)則的修訂等制度層面進(jìn)行完善。
4.1電力推進(jìn)船舶的EEDI計(jì)算
現(xiàn)行的EEDI規(guī)則并不適用于除LNG船/豪華郵輪以外的電力推進(jìn)船舶，導(dǎo)則中也沒(méi)有規(guī)定計(jì)算方法。要實(shí)現(xiàn)該概念船的應(yīng)用，必須對(duì)相應(yīng)的規(guī)則和導(dǎo)則等做出修訂。
4.2低功率船舶的海上功率裕度（sea margin）和PME
在現(xiàn)行的EEDI計(jì)算導(dǎo)則中，由20% margin與持續(xù)功率90% MCR的關(guān)系得出，EEDI計(jì)算用到的PME定為75% MCR（0.9 MCR/1.2=0.75 MCR）。但對(duì)于該概念船這樣的低功率船舶，如果同樣取20% sea margin的話(huà)，則裕度過(guò)低，在惡劣海況條件下有出現(xiàn)故障的隱患。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)想是能夠取更大的sea margin。對(duì)于低功率船舶的PME，其數(shù)值是切合船舶實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的，所以今后有必要對(duì)導(dǎo)則進(jìn)行修訂。
4.3緊急時(shí)刻功率概念的認(rèn)可
該概念船是通過(guò)采用減速設(shè)計(jì)及創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)功率的大幅降低，所以并不滿(mǎn)足現(xiàn)行的最小功率條件，目前MEPC正在討論緊急時(shí)刻功率概念，該概念獲得認(rèn)可是本文提出的概念船實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的前提條件。
4.4風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)EEDI的計(jì)算
若將風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主機(jī)功率降低的效果計(jì)入EEDI，則今后在MEPC上，有必要對(duì)該系統(tǒng)相關(guān)的推進(jìn)性能的計(jì)算、認(rèn)證、風(fēng)的出現(xiàn)頻度分布等進(jìn)行進(jìn)一步討論，并獲得認(rèn)可。
