基于EEDI綠色高能效沿海淺吃水散貨船型優(yōu)化

1、基于EEDI綠色高能效沿海淺吃水散貨船型優(yōu)化一、 緒論1.1 研究背景和目的隨著國(guó)際貿(mào)易和世界經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，大型化乃至超大型船舶層出不窮，船舶功率節(jié)節(jié)攀升，由此而產(chǎn)生的CO2排放量接連上升。當(dāng)下，環(huán)保理念逐漸深入人心，全球?qū)τ诃h(huán)境保護(hù)的重視程度也日益提高，船舶節(jié)能減排問(wèn)題受到了造船界和航運(yùn)界的普遍關(guān)注。IMO環(huán)境與保護(hù)委員會(huì)(MEPC)作為環(huán)保方面的國(guó)際權(quán)威組織也提出了一系列解決溫室氣體減排的措施方案，并針對(duì)于船舶領(lǐng)域開展了大量研究。2008年10月召開的MEPC第58次會(huì)議上提出將“新造船CO2設(shè)計(jì)指數(shù)”改為“新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)”，EEDI便迅速成為國(guó)際海事界各方關(guān)注和爭(zhēng)論的焦點(diǎn)

2、。在MEPC第59次會(huì)議上，“新船EEDI計(jì)算方法臨時(shí)導(dǎo)則”又以通函方式獲得了通過(guò)，鼓勵(lì)各國(guó)政府在自愿的基礎(chǔ)上試用，以激勵(lì)船東和船舶設(shè)計(jì)者通過(guò)技術(shù)改進(jìn)和使用節(jié)能技術(shù)使新造船舶自設(shè)計(jì)和建造時(shí)就盡可能達(dá)到較高的能效標(biāo)準(zhǔn)。而在MEPC第60次會(huì)議上，IMO更是決定將EEDI作為強(qiáng)制性要求納入MARPOL附則VI框架下，并制定了文本框架草案。在2010年9月召開的MEPC第61次會(huì)議上，IMO EEDI工作組進(jìn)一步完善了強(qiáng)制性EEDI文本及導(dǎo)則，同時(shí)規(guī)定了適用于強(qiáng)制性EEDI要求的船舶類型、尺度以及四個(gè)階段的目標(biāo)年限和折減率。在世界經(jīng)濟(jì)大融合的背景下，實(shí)現(xiàn)大宗貨物的高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸是我國(guó)乃至世界各國(guó)的航

3、運(yùn)部門面臨的課題。將遠(yuǎn)洋運(yùn)輸而來(lái)的大宗貨物通過(guò)內(nèi)河水路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)既經(jīng)濟(jì)有高效地運(yùn)送到我國(guó)中西部發(fā)展中地區(qū)是我國(guó)航運(yùn)部門面臨的一個(gè)重大課題。實(shí)行江海聯(lián)運(yùn)是解決這一問(wèn)題的必有之路。江海聯(lián)運(yùn)可以釆用江海接駁分程轉(zhuǎn)運(yùn)和江海直達(dá)兩種方式。江海直達(dá)運(yùn)輸是一種不需要進(jìn)行江船和海船的換裝，直接將貨物送至目的港的運(yùn)輸方式。這種運(yùn)輸方式有緩解中轉(zhuǎn)港的壓力、加快貨物送達(dá)速度、節(jié)約中轉(zhuǎn)費(fèi)用、提高貨運(yùn)質(zhì)量和降低運(yùn)輸成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。采用江海直達(dá)運(yùn)輸方式可充分發(fā)揮浙江省區(qū)位優(yōu)勢(shì)，充分利用長(zhǎng)江黃金水道資源優(yōu)勢(shì)，加快沿海和內(nèi)地物流業(yè)的發(fā)展。淺吃水船舶應(yīng)運(yùn)而生。然而，過(guò)去幾十年來(lái)，江海直達(dá)運(yùn)輸大多釆用江船出?；蛘吆］喨虢@種比較落

4、后的方式來(lái)進(jìn)行。由于江船難以適應(yīng)海上風(fēng)浪，江船出海運(yùn)輸方式安全性嚴(yán)重不足;至于海輪入江，由于我國(guó)內(nèi)河航道大部分水域?qū)儆跍\水航道，海輪吃水受到嚴(yán)格限制，其經(jīng)濟(jì)效益較差。多方面的研究結(jié)果表明，無(wú)論是江輪出海還是海輪入江都無(wú)法充分發(fā)揮江海聯(lián)運(yùn)的最大潛力。按照目前及今后IMO對(duì)CO2氣體排放日益嚴(yán)格的要求，采用過(guò)去傳統(tǒng)的江輪出?；蛘吆］喨虢穆浜舐?lián)運(yùn)方式勢(shì)必?zé)o法滿足EEDI的要求。因此，加快開發(fā)出適應(yīng)EEDI新規(guī)的綠色高能效淺吃水新型散貨船型迫在眉睫。為了應(yīng)對(duì)2013年實(shí)施的EEDI ( Energy Efficiency Design Index )國(guó)際新規(guī)，本研究通過(guò)引進(jìn)、集成與自主創(chuàng)新，將船型優(yōu)

5、化技術(shù)和動(dòng)力節(jié)能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，開發(fā)具有“先天”的高能效品質(zhì)可用于江海直達(dá)運(yùn)輸?shù)臏\吃水高效節(jié)能散貨船新船型。本研究的實(shí)施將大力提升我國(guó)的船舶制造工業(yè)和航運(yùn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。1.2 船舶能效設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀2010年4月，DNV(挪威船級(jí)社)依靠最新的DNV標(biāo)準(zhǔn)推出“節(jié)能減排型”鯤騰(Quantum)集裝箱船新概念，主要目的是在讓集裝箱船舶運(yùn)輸更多集裝箱的同時(shí)大幅減少燃油消耗，從而降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，并認(rèn)為在3-5年后該船型將成為現(xiàn)實(shí)；2011年6月，德國(guó)勞氏船級(jí)社提出了北歐支線集裝箱船設(shè)計(jì)概念，旨在減少船舶運(yùn)輸過(guò)程中二氧化碳排放的挑戰(zhàn)?？梢?，環(huán)保型船型已成為業(yè)界未來(lái)的研發(fā)趨勢(shì)，本文基于能效的船型研

6、究即是順應(yīng)這一潮流，著眼于船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)加以展開。為提高船舶能效、減小船舶溫室氣體排放，國(guó)際上提出了大量措施和對(duì)策，主要集中在船舶的設(shè)計(jì)技術(shù)、營(yíng)運(yùn)和管理這三個(gè)方面，從而形成了三個(gè)具有針對(duì)性的能效指數(shù)：EEDI (船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù))、EEOK（船舶能效運(yùn)營(yíng)指數(shù))、SEMP(船舶能效管理計(jì)劃)。船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)的目的是從設(shè)計(jì)階段刺激所有影響著船舶能效要素的革新和技術(shù)發(fā)展，并通過(guò)對(duì)現(xiàn)有船的統(tǒng)計(jì)分析設(shè)立排放基線，在基線的基礎(chǔ)上對(duì)新造船能效進(jìn)行控制；船舶能效運(yùn)營(yíng)指數(shù)(EEOI)并非強(qiáng)制性措施，它主要用來(lái)比較在一段時(shí)間內(nèi)，一個(gè)船隊(duì)中同類船舶的能源效率;船舶能效管理計(jì)劃(SEMP)是通過(guò)將能效

7、目標(biāo)分解到每個(gè)可能提高燃油效率的操作當(dāng)中，進(jìn)而提高船舶能效的一個(gè)綜合性管理措施1。自新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI提出伊始，這一能效指標(biāo)便受到了業(yè)界的追捧，國(guó)內(nèi)眾多船舶工作者針對(duì)這一問(wèn)題開展了一系列深入研究，為國(guó)內(nèi)船舶工業(yè)界應(yīng)對(duì)EEDI的挑戰(zhàn)提供了相應(yīng)的技術(shù)支撐。魏錦芳等2針對(duì)EEDI能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算公式中的船舶失速系數(shù)fW進(jìn)行了研究并提出一個(gè)系統(tǒng)的fW計(jì)算方法，其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值和NMRI方法計(jì)算結(jié)果有著較好的吻合度。李百齊等3 4對(duì)EEDI的本質(zhì)和影響因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，以船舶的裝載量和船速為參考變量，按不同船舶類別分別建立了 EEDI的衡準(zhǔn)基線、衡準(zhǔn)基面，試驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果也證明了該方法具有

8、較強(qiáng)的適用性。柳衛(wèi)東等5據(jù)國(guó)際海事組織(IMO)海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(MEPC)關(guān)于船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)的議題和結(jié)論，對(duì)目前市場(chǎng)上主流的三型散貨船和三型油船進(jìn)行了計(jì)算分析，指出隨著運(yùn)輸船舶載重量的增大，其能效設(shè)計(jì)指數(shù)變得越來(lái)越難滿足基線公式的要求。劉雅玲6對(duì)新造船能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI進(jìn)行了分析和研究，提出了指數(shù)基線的回歸公式，并對(duì)減少二氧化碳排放可采取的措施進(jìn)行了探討。從目前來(lái)看，能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI才面世不久，所引起的關(guān)注和爭(zhēng)議很大，其計(jì)算公式中所包含的參數(shù)在定義和獲取方式上都有不盡合理之處，因此EEDI并不能科學(xué)全面地反映出船舶真正的能效，要想大力推廣使用，其可操作性還亟待加強(qiáng)。盡管

9、如此，可以預(yù)料的是在2013年全球范圍內(nèi)強(qiáng)制執(zhí)行EEDI指標(biāo)己是不可逆轉(zhuǎn)的，針對(duì)EEDI公式、基線和減排目標(biāo)的理論研究工作需要進(jìn)一歩加大努力和投入。二、 EEDI概述2.1EEDI公式及含義EEDI是衡量船舶能效水平的一個(gè)指標(biāo)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，EEDI公式是根據(jù)CO2排放量和貨運(yùn)能力的比值來(lái)表示船舶的能效。EEDI是衡量船舶能效水平的一個(gè)指標(biāo)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，EEDI公式是根據(jù)CO2排放量和貨運(yùn)能力的比值來(lái)表示船舶的能效，其分母表示船舶在規(guī)定的船速(Vref)下與載貨量(Capacity)之乘積，而分子可概括為兩部分，第一部分為主輔機(jī)的功率與所消耗燃油之乘積，第二部份為釆用新的節(jié)能技術(shù)減少燃油消耗所帶來(lái)的

10、船舶能效的提高部分。新造船的能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI的計(jì)算公式如下：對(duì)式中各個(gè)參數(shù)的含義簡(jiǎn)要解釋如下：CF為燃油的無(wú)量綱碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，基于含碳量的多少將燃油消耗量轉(zhuǎn)換為CO2排放量，用t-CO2/t-Fuel表示。燃油類型不同值也不同，例如重燃油(HFO)的CF=3.1144；P表示主機(jī)和輔機(jī)的計(jì)算功率；Capacity為載重噸或總噸；Vref為特定功率和裝載條件下的船舶航速；SFC指柴油機(jī)經(jīng)核定的特定燃油消耗量，g/kWh；fi系指對(duì)Capacity的修正系數(shù)；fj系指冰區(qū)加強(qiáng)修正系數(shù)；fw系指不同的風(fēng)、浪流等不利海況下導(dǎo)致船舶航速降低的影響因素，可以理解為耐波性失速系數(shù)；feff系指反映了創(chuàng)新型

11、能效技術(shù)的利用系數(shù)。2.2 EEDI適用船型根據(jù)“新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算方法的臨時(shí)導(dǎo)則”，EEDI計(jì)算公式適用于：客船、散貨船(包括散貨船、礦砂船、運(yùn)煤船和散貨礦砂混裝船等)、油船(包括原油船、成品油船、化學(xué)品船、瀝青船及相應(yīng)的混裝船等)、氣體運(yùn)輸船(包括LNG運(yùn)輸船、LPG運(yùn)輸船等)、集裝箱船(包括集裝箱船、敞口集裝箱船等)、車輛運(yùn)輸船、容積型滾裝船、載重型滾裝船、雜貨船、客滾船。其他船型如拖船、調(diào)查研究船、鋪管船、海洋工程船等的EEDI計(jì)算方法還在研究中。另外，對(duì)于柴油機(jī)-電力推進(jìn)系統(tǒng)、蒸汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)或混合推進(jìn)系統(tǒng)EEDI計(jì)算公式尚不適用7。根據(jù)MEPC第60次會(huì)議相關(guān)文件，EEDI計(jì)算公

12、式適用于400總噸及以上的全部新造船8。MEPC第62次會(huì)議通過(guò)的“決議MEPC.203(62)”在(MARPOL73/78公約附則VI“防止船舶造成空氣污染規(guī)則”中納入船舶能效新規(guī)則的修正案，將新的修正案作為附則的第4章，包括第19條第23條規(guī)定，第19條規(guī)定：EEDI能效規(guī)則適用于所有400總噸及以上的船舶；第20條獲得的能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Attained EEDI)和第21條要求的能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Required EEDI)不應(yīng)適用于具有柴油-電力推進(jìn)、渦輪推進(jìn)或混合推進(jìn)系統(tǒng)的船舶9。三、 淺吃水散貨船的總體性能改善3.1淺吃水散貨船主尺度優(yōu)選對(duì)船舶的主尺度在考慮航線、港口等條件的限制后，就是

13、船舶主尺度的優(yōu)選，一般船舶主尺度參數(shù)及其選擇方法如下：L-而淺吃水肥大型船長(zhǎng)L的選擇，主要由船舶載重量和總布置決定，對(duì)該船主要任務(wù)、營(yíng)運(yùn)航線、航次及航過(guò)港口的具體情況予以綜合經(jīng)濟(jì)分析論證，求出最合理的船舶噸位，營(yíng)運(yùn)航速，選取最佳船長(zhǎng)。在主尺度選擇中，船長(zhǎng)是最重要的參數(shù)。選定船長(zhǎng)首先應(yīng)滿足總布置要求，竭力使其緊湊。船長(zhǎng)對(duì)阻力影響最大。摩擦阻力占船總阻力的6070%，由于船浸濕面積正比子，則摩擦阻力隨船長(zhǎng)增加而增加。當(dāng)設(shè)計(jì)排水量一定情況下，應(yīng)適當(dāng)增大船寬，減小長(zhǎng)寬比，以降低船浸濕面積和降低船殼表面粗糙度影響，從而降低摩擦阻力?？s短船長(zhǎng)對(duì)改善船舶操縱回轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)性有利，還可相應(yīng)減少船體結(jié)構(gòu)自重量，當(dāng)船長(zhǎng)

14、增加1%時(shí)，船體結(jié)構(gòu)自重量要增加1.7%左右。同時(shí)，以經(jīng)濟(jì)性考慮，亦不宜選取較大的船長(zhǎng)選取較短的船長(zhǎng)，還可降低船在裝卸貨時(shí)?？看a頭的支付費(fèi)用。設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮到船長(zhǎng)與波長(zhǎng)之比值，應(yīng)避免在L/A=0.81.3范圍內(nèi)，否則，船產(chǎn)生劇烈的縱搖。一般確定此類型船長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)算式歸納如下:H.Bellford算式Lbp=6WD1/3-17 (m)根據(jù)以上綜合計(jì)算一艘排量45000DWT的船長(zhǎng)取190米以內(nèi)。B-船寬是淺吃水肥大型船的最主要尺度。首先，根據(jù)船的營(yíng)運(yùn)航線航道，以及港口的具體情況確定船寬，如經(jīng)過(guò)巴拿馬運(yùn)河水鬧，船寬限制在32.3米以內(nèi)。因此，相當(dāng)一部分船寬就限制在上述范圍內(nèi)。其次，選擇船寬取決于設(shè)計(jì)

15、船的載貨情況，增加船寬可使貨艙容積增大，易于滿足載貨量要求，設(shè)計(jì)噸位愈大，載重效果愈好。增加船寬可相對(duì)加大貨船的開口寬度，便于裝卸貨物，易于滿足總布置要求，便于機(jī)船和鍋爐槍布置，亦可改善船員工作及生活處所條件。以船舶穩(wěn)性而言，增加船寬對(duì)滿足船舶初穩(wěn)性高度有利。增大船寬既不影響增加船舶重心高度，又不增加般側(cè)受風(fēng)面積，以利改善船舶穩(wěn)性。船寬對(duì)阻力影響通常是通過(guò)L/B或和B/d權(quán)衡研究，低速船增加船寬，對(duì)阻力影響不顯著。但船寬過(guò)太，使上L/D值過(guò)小，導(dǎo)致興波阻力及形狀阻力顯著增加，此外，將導(dǎo)致船舶初穩(wěn)性高度h值過(guò)大，當(dāng)船在大風(fēng)浪中航行時(shí)產(chǎn)生劇烈搖蕩，迫使增大船的橫搖角和角加速度，影響主機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，增

16、加燃油消耗量，并使螺旋槳工作條件惡化(槳葉受水壓負(fù)荷不均，并產(chǎn)生葉片局部出水現(xiàn)象)，從而降低航速。在綜合權(quán)衡后，對(duì)淺水肥大型船宜取較大的船寬為佳10。對(duì)一般低速貨船或油船的船寬經(jīng)驗(yàn)估算式如下: 上組算式適用于WD=10000-50000噸的近海貨船，其系數(shù)k1和C1，均可在00.5范圍選取。通過(guò)綜合分析，與類似船型比對(duì)通過(guò)支持向量機(jī)優(yōu)選法確定船舶能無(wú)限航區(qū)航行并通過(guò)巴拿馬運(yùn)河，控制船寬為32.30米以內(nèi)。D-船舶型深選取應(yīng)著重滿足船體總縱強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等要求，以及滿足機(jī)般布置和貨船容積要求。通常，可根據(jù)船舶干艘高度決定型深，從船體強(qiáng)度考慮，型深不宜過(guò)小。按我國(guó)海規(guī)規(guī)定：船長(zhǎng)小于3

17、00米的船舶，船長(zhǎng)與型深之比為L(zhǎng)bp/D<17，船寬與型澡之比為B/D<2.5。因此，對(duì)淺吃水肥大型船的型深不宜取得過(guò)小，可適當(dāng)調(diào)節(jié)型深高度，以利改善船俸強(qiáng)度。Cb-淺吃水肥大型船的方型系數(shù)。一般選取在0.810.84范圍。該類型船選取Cb值時(shí)，主要考慮船舶載重量要與船寬協(xié)調(diào)。C值的大小，表示船舶水線以下的船體形狀的肥瘦程度，C值對(duì)摩擦阻力影響小，對(duì)剩余阻力影響大。而本類型船，摩擦阻力成分所占比例很大，因此，對(duì)C值選取可適當(dāng)增大，同時(shí)考慮船的經(jīng)濟(jì)，亦宜選取較大的方型系數(shù)。適用于淺吃水肥大型船計(jì)算C值公式，見下式：中橫剖面系數(shù)Cm-設(shè)計(jì)時(shí)取較大的中橫剖面系數(shù)C ，以改善艙室容積。一般

18、Cm可選取在0.995-0.997范圍?？v向棱形系數(shù)Cp-Cp=Cb+C(C=0.003-0.010)。水線面系數(shù)Cw-上海船研所算式Cw= 0.6Cb+0.386(適用肥大船)。標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度必須通過(guò)大量的方案比較、分析、優(yōu)化后才能確定，是一個(gè)多目標(biāo)的系統(tǒng)優(yōu)化工程。根據(jù)不同的要求，有不同的選擇。從船舶綜合效益出發(fā)，一般選擇投資償還期、船舶初投資、必須運(yùn)費(fèi)率和船舶年運(yùn)輸能力等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。通常船型主尺度優(yōu)化的方法也比較多，如遺傳算法進(jìn)化算法、支持向量機(jī)、神經(jīng)優(yōu)化等等，基本這些優(yōu)化都是根據(jù)船型要進(jìn)行建模，并通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算后再與其它的優(yōu)化方法進(jìn)行比對(duì)，再通過(guò)專業(yè)的知識(shí)的積累最終確定合適的船舶主尺

19、度。例如支持向量機(jī)優(yōu)化就是將支持向量機(jī)回歸算法引入船型要素?cái)?shù)學(xué)模型中并進(jìn)行實(shí)證分析。在搜集整理現(xiàn)有實(shí)船數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)支持向量機(jī)回歸算法來(lái)建立船長(zhǎng)、船寬、吃水、型深、空船重量的數(shù)學(xué)模型。3.2淺吃水散貨船的總體能效改善研究通過(guò)EEDI船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算公式的綜合分析可知，淺吃水散貨船在主尺度確認(rèn)的情況下，可以通過(guò)以下方法來(lái)降低能效設(shè)計(jì)指數(shù)：一、通過(guò)船速(Vref)、主機(jī)額定功率(PME)，即通過(guò)降低主機(jī)功率來(lái)降低船速是最直接有效的降低EEDI指數(shù)的方法;同時(shí)通過(guò)提高同等功率下的航速來(lái)降低EEDI指數(shù)值，比如通過(guò)型線優(yōu)化、船、機(jī)、架匹配技術(shù)及高效螺旋架的使用等。二、通過(guò)提高船舶的載重量Cap

20、acity方法來(lái)降低EEDI指數(shù)值，通過(guò)高強(qiáng)鋼的使用、船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元優(yōu)化等方法降低空船的重量，提高載重量的方法實(shí)現(xiàn)EEDI值得降低。3.2.1船舶航速及功率匹配優(yōu)化改善能效水平船舶主尺度在確認(rèn)以后，船舶總體設(shè)計(jì)最重要的內(nèi)容就是船舶航速和主機(jī)功率的匹配，兩者的合理匹配對(duì)船舶能效指數(shù)EEDI水平有決定性作用。本節(jié)將對(duì)兩者的匹配進(jìn)行深入的論述，特別是船舶降速、主機(jī)選型及主機(jī)降功率使用SMCR點(diǎn)的選擇。1) 減速航行及主機(jī)減額輸出對(duì)EEDI指數(shù)的改善上海海事大學(xué)物流研究所原所長(zhǎng)徐劍華教授介紹，航速和燃油消耗呈立方關(guān)系，也就是說(shuō)，如果航速降低2%，燃油消耗將減少8%，所以減速航行時(shí)立竿見影的11。如

21、今各設(shè)計(jì)院普遍釆用的應(yīng)對(duì)EEDI新規(guī)的方法主要是降速航行。船舶減速航行，實(shí)質(zhì)上是主機(jī)減功運(yùn)行，即主機(jī)每循環(huán)的噴油量減少，使其有效功減少。當(dāng)主機(jī)減功運(yùn)行時(shí)，其功率大致與槳速(航速)成三次方比例降低。減速航行措施，就是利用這種特性，用航速稍為降低來(lái)?yè)Q取大幅度的節(jié)省推進(jìn)功率，從而節(jié)約燃油12。航運(yùn)巨頭馬士基在2008年開始降低航速的方式來(lái)節(jié)約成本。其1.8萬(wàn)標(biāo)箱的3E船，燃油消耗比E級(jí)船低26%，比十年前建造的8000標(biāo)箱的船平均單位箱位低大約50%。同時(shí)，減速航行可以幫助航運(yùn)公司消耗部分運(yùn)力，市場(chǎng)上稱為加船減速。以歐洲航線為例，以航班56天，8艘船，現(xiàn)在航班是70多天，10艘船，多投放2艘船。經(jīng)過(guò)

22、計(jì)算，10艘船的燃油成本和管理費(fèi)用比之前8艘船低。當(dāng)然降速航行對(duì)船舶營(yíng)運(yùn)也有較大的影響，主要是對(duì)主機(jī)及其機(jī)械設(shè)備影響較大。船舶減速航行時(shí)主機(jī)工況偏離設(shè)計(jì)工況甚遠(yuǎn)，各種性能參數(shù)的匹配可能嚴(yán)重失調(diào)，導(dǎo)致?lián)Q氣、燃燒、增壓效能以及熱狀態(tài)等一系列危及主機(jī)維持正常工況的問(wèn)題。一般來(lái)講主機(jī)都是按照高速來(lái)設(shè)計(jì)，降速對(duì)機(jī)器的傷害很大，由于低速時(shí)滑油油壓不夠，造成活塞和缸套潤(rùn)滑不良，主機(jī)燃燒室及掃氣系統(tǒng)迅速污染積炭，低溫腐蝕等不僅是機(jī)器本身，還有增壓器、鼓風(fēng)機(jī)，一系列的設(shè)備磨損也會(huì)增大。因此，從船舶能效優(yōu)化的角度上講，應(yīng)該盡量不使用這種方法來(lái)滿足能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI要求。2) 淺吃水散貨船主機(jī)選型優(yōu)化改善能效主機(jī)

23、的選型主要考慮技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)噪音要小、振動(dòng)小，還要經(jīng)濟(jì)性好，重量輕，與其它性能匹配好，指標(biāo)優(yōu)良等。主機(jī)選型及SMCR選點(diǎn)優(yōu)化，其實(shí)質(zhì)是用可以輸出較大功率的柴油機(jī)輸出較小的輸出功率，或在同樣功率下降低主機(jī)轉(zhuǎn)速。前者影響主機(jī)的尺寸、重量、機(jī)搶長(zhǎng)度、造價(jià)，而后者則影響螺旋槳的直徑及船舶尾吃水，這就需要在總體設(shè)計(jì)中全面的平衡和考慮。這里僅從油耗及EEDI的角度進(jìn)行了對(duì)比。主機(jī)的選型還需要綜合考慮布置及成本。船東以往習(xí)慣于在市場(chǎng)情況不好的情況下，通過(guò)船舶減速航行來(lái)節(jié)省燃油消耗，降低成本，而市場(chǎng)好的情況下，則希望能夠提高航速增大收益。然而，隨著EEDI的強(qiáng)制執(zhí)行，以后的新建船舶，為了滿足EEDI

24、的減排要求，在設(shè)計(jì)中即需要限定主機(jī)的輸出，從而也限制了船舶的航速13。綜上所述，在船舶要求節(jié)能降耗的背景下，營(yíng)運(yùn)中的現(xiàn)有船舶(船、機(jī)、槳匹配后)，特別是老船型，適合釆用減速航行。而新船的設(shè)計(jì)必須考慮主機(jī)選型及SMCR選點(diǎn)優(yōu)化。3) 淺吃水散貨船的型線及水動(dòng)力優(yōu)化改善能效船舶的型線優(yōu)化對(duì)新船型的開發(fā)至關(guān)重要，通過(guò)母型船的型線進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)船舶的載重量、空船重量、航速都有很大的影響。對(duì)于船舶的快速特性而言，淺吃水船舶線型豐滿、濕表面積大，傅氏數(shù)低，粘性阻力在總阻力中所占比例很大，安裝球首作用不大。而且船型短、寬，進(jìn)流角大，尾部流場(chǎng)又極易分離，所以常規(guī)船型中較易解決的問(wèn)題，這里卻顯得棘手。船尾設(shè)計(jì)是個(gè)

25、難點(diǎn)，但若釆用雙尾鰭，將尾部設(shè)計(jì)成縱流型，可延緩流線分離。形狀較為理想的尾鰭，對(duì)提高推進(jìn)效率有利。就操縱性而言，這種船型的回轉(zhuǎn)性比常規(guī)船好，但其航向穩(wěn)定性和應(yīng)航跟從性卻往往較差。在淺水中，它的航向穩(wěn)定性會(huì)有所好轉(zhuǎn)，但隨水深減小，舵葉前緣的軸向平均伴流分?jǐn)?shù)會(huì)明顯增加，敞航時(shí)舵效很差若采用雙機(jī)雙槳雙舵，對(duì)解決操縱性問(wèn)題有利。就耐波性而言，淺吃水船船寬度寬，吃水淺，初穩(wěn)性GM大，其橫搖自搖周期比相當(dāng)噸位的常規(guī)船舶要小，橫搖的狀況惡化;另外，吃水淺，L/T大，這又使船首底部砰擊、波浪中失速、螺旋槳出水等現(xiàn)象嚴(yán)重起來(lái)。肥大型船的開發(fā)及優(yōu)化設(shè)計(jì)中，為縮短開發(fā)周期，減少船模的水池試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)省研究經(jīng)費(fèi)，引入

26、CFD技術(shù)開展選型工作，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和CFD技術(shù)的結(jié)合，CFD程序預(yù)報(bào)正被廣泛應(yīng)用在船型優(yōu)選中。通過(guò)優(yōu)選的船型再進(jìn)行船模試驗(yàn)，模型的試驗(yàn)結(jié)果與程序的計(jì)算結(jié)果一起比對(duì)，獲得最優(yōu)型線。但已有母型船的型線隨著船舶設(shè)計(jì)技術(shù)和手段的不斷改進(jìn)，成熟母型船的型線已經(jīng)很優(yōu)秀，再提高對(duì)能效指數(shù)EEDI的優(yōu)化已經(jīng)很有限。研究表明，優(yōu)秀的母型船型線優(yōu)化對(duì)EEDI的提高僅有2%，因此船舶型線及水動(dòng)力優(yōu)化僅進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。但型線與水動(dòng)力的優(yōu)化是真正從總體設(shè)計(jì)優(yōu)化的角度改善能效，也是船舶設(shè)計(jì)著的主要工作。隨著船舶水動(dòng)力節(jié)能技術(shù)的不斷成熟，船舶型線優(yōu)化后通過(guò)加裝水動(dòng)力節(jié)能裝置，可以獲得更好的優(yōu)化效果。節(jié)能推進(jìn)技術(shù)主要集中在

27、改善螺旋槳進(jìn)流、改善槳葉所受壓力、減少槳葉所受摩擦力、更多利用本不能利用的能量、改善傳動(dòng)軸系。螺旋槳在水中產(chǎn)生的能量損失主要有以下幾個(gè)方面：因槳葉表面摩擦力而造成的損失；因槳軸軸向射流而造成的損失，這部分能量損失占總能量損失的2/3；因螺旋槳葉梢禍旋而造成的損失；因槳轂禍旋而造成的損失。而克服這些損失就是新節(jié)能技術(shù)人員要做的。介紹幾種筆者收集的最新的水動(dòng)力節(jié)能裝置：組合式水動(dòng)力節(jié)能裝置、其他水動(dòng)力節(jié)能措施（如轂帽鰭、預(yù)旋定子、Mewis Dudt系統(tǒng)、不對(duì)成船尾、扭曲舵等）。4) 船機(jī)槳匹配技術(shù)及高效螺旋槳使用對(duì)能效優(yōu)化作用船舶動(dòng)力裝置是船舶正常航行、作業(yè)、停泊的機(jī)械裝置的綜合體。船舶主機(jī)作為

28、船舶的推進(jìn)動(dòng)力，按照螺旋槳特性將主機(jī)功率傳遞給船舶軸系，軸系最終把這些功率傳遞給螺旋槳，螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力，這些推力客服船舶航行的各種阻力使船舶保持一定的航速。如果柴油機(jī)與螺旋槳配合不合理將導(dǎo)致主機(jī)轉(zhuǎn)速上不去、船舶航速達(dá)不到、主機(jī)超負(fù)荷等一系列的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生主機(jī)拉敘，因此，螺旋槳與船舶主機(jī)匹配性能決定了船舶的快速性、安全性，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到更好的匹配特性14。在某一工況下，船、機(jī)、槳的能量、轉(zhuǎn)速均相等，船、機(jī)、槳的這個(gè)點(diǎn)我們通常叫“配合點(diǎn)”，也叫“船、機(jī)、菜匹配的平衡點(diǎn)”。在船舶設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下的配合點(diǎn)，稱為設(shè)計(jì)配合點(diǎn)，船舶在此點(diǎn)運(yùn)行，就可得到設(shè)計(jì)航速，其螺旋槳

29、效率較高，但是此航速下不一定是經(jīng)濟(jì)航速。當(dāng)船、機(jī)、槳的某一方的能量和轉(zhuǎn)速變化，平衡點(diǎn)也變化，會(huì)形成新的平衡點(diǎn)，此平衡點(diǎn)會(huì)偏離設(shè)計(jì)平衡點(diǎn)，這時(shí)，轉(zhuǎn)速、功率和效率等參數(shù)都將發(fā)生變化。通過(guò)船舶原理可知:船舶的阻力等于螺旋槳的推力，因此我們可以把船、機(jī)、槳的匹配問(wèn)題轉(zhuǎn)化成機(jī)、槳匹配的問(wèn)題。因此，用槳的推進(jìn)曲線，綜合代表船和槳的推進(jìn)特性。而螺旋槳設(shè)計(jì)負(fù)荷點(diǎn)的確定是額定工況的配合點(diǎn)，一般把機(jī)、槳的特性曲線繪制在同一張功率-轉(zhuǎn)速特性圖上，并找到交點(diǎn)，該點(diǎn)即是額定工況配合點(diǎn)。3.2.2載重量的提高優(yōu)化改善能效在船體主尺度優(yōu)化、船體的水動(dòng)力型線優(yōu)化完成后，要想繼續(xù)提高能效水平必須從船舶的載重量考慮，通過(guò)EEDI

30、能效計(jì)算公式可以知道，在船舶主尺度確定的情況下，載重量提高就意味著能效水平提高。要想提高載重量必須降低船舶的空船重量，這就涉及到船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)的另一個(gè)方面:船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以獲得能效水平的提高。同時(shí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使得空船重量降低，空船重量的降低意味著船舶的建造成本的降低，所以可以獲得建造成本的降低和能效水平的提高雙重效果。船體結(jié)構(gòu)重量占船舶空船重量的較大部分，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)減輕空船重量意義重大，然而船舶設(shè)計(jì)是系統(tǒng)工程，需要總體、舾裝、結(jié)構(gòu)、甲板機(jī)械、輪機(jī)、電氣等個(gè)專業(yè)的密切配合，這些專業(yè)的優(yōu)化也利于空船重量的減輕。而船舶主尺度是對(duì)空船重量影響最大，特別是船舶的長(zhǎng)度。民用船舶的基本剖面

31、模數(shù)及波浪彎矩均與船長(zhǎng)的平方成正比。因此，船長(zhǎng)直接關(guān)系到船體鋼材消耗即空船重量15。較小的船舶主尺度能有效降低空船重量，但載重量將會(huì)降低，所以對(duì)能效指數(shù)EEDI的意義不大。1) 總體優(yōu)化船舶的總體涉及到船舶性能和空船重量的控制。對(duì)船舶的尾樓的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)洋船雖然沒有強(qiáng)制要求，但尾樓的設(shè)置易于在艉部上甲板布置槍室，尾樓的設(shè)置加大了船舶大傾角傾斜時(shí)的排水量，改善了船舶大傾角時(shí)的穩(wěn)性。尾樓的設(shè)置一定程度上增加了空船重量，對(duì)破槍穩(wěn)性不成問(wèn)題時(shí)可以不設(shè)置尾樓，僅設(shè)甲板室就滿足要求了。甲板室的層數(shù)在滿足布置圖和駕駛室可視范圍的條件下越少越好。一般層高裝潢后不低于2米-2.1米。大部分船舶設(shè)置艏樓或增大脊弧的方法

32、來(lái)滿足船級(jí)社對(duì)船舶首甲板高度的要求.IACS對(duì)所有散貨船和油船及其兼用船都設(shè)置了艏樓，并對(duì)艏樓的位置、高度、長(zhǎng)度作了明確規(guī)定16。艏樓的設(shè)置對(duì)駕駛室的可視范圍是有影響的。SOLAS公約要求從駕駛室位置所見的海綿視域，在所有吃水、縱傾、甲板裝貨情況下，自船艏前方任何一艘10°范圍，均不應(yīng)該有兩個(gè)船身以上的長(zhǎng)度或500米(取小者)遮擋17。巴拿馬管理委員會(huì)對(duì)通過(guò)巴拿馬運(yùn)河的船舶規(guī)定在壓載航行時(shí)，從指揮位置的海面視域自船首前方不應(yīng)有大于1.5倍船長(zhǎng)的遮擋18。因此賄樓在滿足規(guī)范前提條件下，艏樓的選取應(yīng)該盡量小。一般艏樓長(zhǎng)度不小于干般船長(zhǎng)的7%，這樣做是為了防止干艎有所折減。同時(shí)艏樓上甲板邊

33、線半寬不易過(guò)于豐滿，同時(shí)露天甲板為方便向兩翁排水一般設(shè)置有梁拱，但應(yīng)避免在上層建筑好甲板室內(nèi)設(shè)計(jì)梁拱，以避免使用大量敷料造成船舶重量增加。2) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)時(shí)校核總縱強(qiáng)度時(shí)，要滿足強(qiáng)度的要求同時(shí)又不會(huì)使中剖面的縱向構(gòu)件尺寸過(guò)于富裕，以降低船舶空船重量。在中橫剖面圖上，采用的縱向構(gòu)件盡可能小，剖面模數(shù)較大，且結(jié)構(gòu)工藝性好。雙舷側(cè)散貨船頂邊槍下的上部雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用縱骨架式，雙舷側(cè)下部可采用橫骨架式結(jié)構(gòu)。這種混合結(jié)構(gòu)形式使雙舷側(cè)上部有較好的縱向強(qiáng)度，下部的舭部有較好的結(jié)構(gòu)工藝性。同時(shí)通過(guò)縱向構(gòu)件和橫向構(gòu)件的優(yōu)化最終達(dá)到降低空船重量目的，提高載重量?？v向結(jié)構(gòu)優(yōu)化橫向結(jié)構(gòu)優(yōu)化3) 型材優(yōu)化船舶結(jié)構(gòu)

34、中型材、T型材應(yīng)用相當(dāng)廣泛，用量也非常大，在傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)中一般只重視船舶的剛度、強(qiáng)度的要求，對(duì)船舶構(gòu)件的重量沒有引起重視，通常船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)按照規(guī)范計(jì)算所需要的最小剖面系數(shù)和最小慣性矩，然后人工查型材表來(lái)確定型材的大小和規(guī)格。滿足規(guī)范要求的型材的規(guī)格尺寸方案可以有很多，如果不進(jìn)行優(yōu)化，船舶的空船重量將增加很多設(shè)計(jì)中橫梁、助骨、扶強(qiáng)材、縱骨等采用扁鋼、球扁鋼可以有效降低次要構(gòu)件的重量。理論研究表明：對(duì)T型材用增加腹板高度的方法來(lái)達(dá)到增加剖面模數(shù)效果明顯，這種方法比用增加面積來(lái)增加剖面模數(shù)的效果更為明顯。如果腹板的厚度允許減少，在不增加腹板面積的條件下，增加腹板高度來(lái)獲得剖面模數(shù)的增加，這種做法

35、是相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)的做法。因?yàn)樵诓惶岣呓Y(jié)構(gòu)材料成本的情況下，能較大地提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度功能，從而提高它的使用價(jià)值19。T型材使用有其使用的原則，這種原則是:雖然較小的面積，但是剖面模數(shù)較大。4) 高強(qiáng)鋼的應(yīng)用高強(qiáng)鋼的使用對(duì)船舶空船重量的減輕具有非常重要的作用。船體結(jié)構(gòu)在使用期間要承受復(fù)雜的動(dòng)態(tài)荷載，船舶的建造和組裝過(guò)程中，結(jié)構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，船舶的無(wú)限航區(qū)的航行要經(jīng)受赤道及兩極位置溫度變化的考驗(yàn)，為了使船舶能在各種環(huán)境下連續(xù)航行，船體結(jié)構(gòu)的完整性必須得到保證，所以對(duì)結(jié)構(gòu)鋼及其配套用材提出很高的要求20。高強(qiáng)度鋼應(yīng)用在船體結(jié)構(gòu)中，最直接的效果是獲得截面尺寸更小的構(gòu)件。減輕船體自重.這樣就能增加船舶的

36、載貨量、提高航速，船舶能效也會(huì)有明顯改善。此外，釆用高強(qiáng)度鋼還能節(jié)省焊接材料的消耗21。高強(qiáng)鋼的屈服極限一般為315-390Nfm2，而普通低碳鋼屈服極限為235Nfm2。高強(qiáng)鋼的優(yōu)點(diǎn)就是強(qiáng)度高，但弱點(diǎn)就是疲勞強(qiáng)度沒有明顯提高。高強(qiáng)鋼使用區(qū)域的部件，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中的缺陷，造成構(gòu)件的壽命的降低。高強(qiáng)鋼一般應(yīng)用在船舶的強(qiáng)力構(gòu)件中，對(duì)一些大型船的貨艙區(qū)域的縱向構(gòu)件為強(qiáng)力構(gòu)件釆用高強(qiáng)鋼，對(duì)這些區(qū)域的橫向構(gòu)件也釆用高強(qiáng)鋼，如某VLCC船高強(qiáng)鋼的使用比例接近80%，空船重量可以減少18%-20%。從船舶結(jié)構(gòu)基本知識(shí)可知:船舶的船體結(jié)構(gòu)中，最大的總縱彎曲應(yīng)力發(fā)生于強(qiáng)力甲板和底部的縱向構(gòu)件，最大的局部應(yīng)力發(fā)生

37、在底部和底部附件的縱橫構(gòu)件中，如果在這些結(jié)構(gòu)中采用高強(qiáng)度鋼，對(duì)構(gòu)件的折減有顯著效果。但有些部位則不宜采用高強(qiáng)鋼，比如靠近船體梁中和軸附近的舷側(cè)結(jié)構(gòu)與縱橫艙壁結(jié)構(gòu)中，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)相對(duì)上述結(jié)構(gòu)總縱彎曲應(yīng)力、局部應(yīng)力較低。還有就是水線附件范圍的舷側(cè)結(jié)構(gòu)因承受波浪的交變載荷，容易產(chǎn)生疲勞裂紋。高強(qiáng)鋼的使用在一些船舶建造中應(yīng)用比例相當(dāng)高，整個(gè)貨般區(qū)結(jié)構(gòu)全部采用高強(qiáng)鋼，而這種做法容易造成船體的剛度相對(duì)較弱，因此，必須嚴(yán)格的疲勞強(qiáng)度分析并獲得船級(jí)社批準(zhǔn)。在船舶的建造過(guò)程中，由于高強(qiáng)鋼的使用，船舶的結(jié)構(gòu)構(gòu)件相應(yīng)減薄，特別在構(gòu)件的連接不連續(xù)或不對(duì)齊時(shí)，這些區(qū)域?qū)?huì)承受很高的應(yīng)力，輝接的焊縫處也會(huì)產(chǎn)生剩佘應(yīng)力22

38、，這些區(qū)域都存在潛在的破壞隱患，因此建造公差的控制就尤為重要了。高強(qiáng)鋼在使用中還會(huì)出現(xiàn)延期裂紋和再熱裂紋不利現(xiàn)象，但這些問(wèn)題都可以通過(guò)相應(yīng)的措施來(lái)防止，比如延期裂紋為防止冷裂紋的出現(xiàn)，施工時(shí)釆用低氫焊條，焊條要執(zhí)行嚴(yán)格的保溫措施。對(duì)再熱裂紋可以釆用對(duì)再熱裂紋不敏感的焊接材料，如釆用提高捍接線的能量和預(yù)熱溫度，并釆用強(qiáng)度較低的焊接材料。總之，高強(qiáng)鋼的使用可以很大程度上的降低空船重量，最終達(dá)到提高載重量的目的，對(duì)EEDI的能效指數(shù)的提高也非常重要，這也要求設(shè)計(jì)者掌握空船重量和船舶壽命的平衡點(diǎn)，去除使用高強(qiáng)鋼的不利因素。四、 結(jié)論及展望基于全球節(jié)能減排的大背景下，船舶行業(yè)節(jié)能減排勢(shì)在必行，隨著國(guó)際海

39、事組織(IMO)對(duì)新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)的新規(guī)則的最終通過(guò)，隨著船舶節(jié)能減排在全球范圍內(nèi)2013年1月1日開始實(shí)行，EEDI能效指數(shù)由書面研究落實(shí)在船舶相關(guān)的很多設(shè)備和領(lǐng)域中，我們能效研究相對(duì)較晚，對(duì)我們的船舶制造企業(yè)有較大的挑戰(zhàn)，國(guó)家也通入了大量的人力物力進(jìn)行EEDI能效設(shè)計(jì)指數(shù)的研究。本文以大型的淺吃水散貨船為設(shè)計(jì)載體，進(jìn)行能效設(shè)計(jì)指數(shù)改善的研究。首先針對(duì)EEDI能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算公式展開分析，結(jié)論得出船舶能效設(shè)計(jì)改善必須從改善航速、載重量、新技術(shù)的改善等方面入手來(lái)改善能效。接下來(lái)釆用現(xiàn)代先進(jìn)支持向量機(jī)優(yōu)化方法獲取最優(yōu)的船型主尺度。在主尺度確定的情況下，通過(guò)改善船舶航速展開進(jìn)行能效技術(shù)的改善措施，通過(guò)船舶航速的降低的方法來(lái)降低主機(jī)油耗，獲得滿足要的EEDI指數(shù)，同時(shí)也可以通過(guò)主機(jī)的選型優(yōu)化及主機(jī)降功率使用等方法來(lái)獲得經(jīng)濟(jì)航速。在船舶的阻力的研究后，通過(guò)水動(dòng)力型線優(yōu)化，使得船舶獲得比母性船更優(yōu)的型線。對(duì)船、機(jī)、槳的匹配研究并獲得合適的匹配點(diǎn)，同時(shí)闡述了高能效螺旋槳及其它的水動(dòng)力節(jié)能技術(shù)。在船舶型線確定的條件下，通過(guò)對(duì)空船重量進(jìn)行優(yōu)化，獲得更高的船舶載重量。提高空船重量的方法分別從總體優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、船體結(jié)構(gòu)有限元方法優(yōu)化及高強(qiáng)鋼使用方面進(jìn)行詳細(xì)闡述，獲得了預(yù)期的效果。對(duì)于EEDI能效