孫海曉

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

0 前言

2011年7月，國際海事組織（IMO）在英國倫敦召開了海上環(huán)境保護委員會MEPC第62屆會議，并以MEPC.203（62）決議的形式通過了國際防止船舶污染海洋公約（MARPOL）附則VI有關(guān)船舶能效規(guī)則的修正法案，即增加關(guān)于新船能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）和船舶能效管理計劃（SEEMP）的要求，并于2013年1月1日正式生效。

近年來設(shè)計的船舶，紛紛通過降低主機功率和航速來滿足EEDI的要求。但是主機裝機功率過低會造成船舶在惡劣海況下無法保持航向穩(wěn)定性甚至無法逃離危險區(qū)域，從而引發(fā)安全事故。因此，2013年5月份在英國倫敦召開的國際海事組織海上環(huán)境保護委員會MEPC第65屆會議，通過并以MEPC.232（65）決議的形式發(fā)布了“2013惡劣海況下維持船舶操縱性的最小推進功率臨時導(dǎo)則”。目的是防止在船舶設(shè)計中為滿足EEDI的要求而過分降低裝機功率，從而引起船舶在惡劣海況中無法維持其操縱性，并提供了兩層評估方法，即Assessment Level 1和 Assessment Level 2。MEPC.232（65）決議附則中規(guī)定該決議適用于20 000 DWT及以上的船舶。

2015年5月，海上環(huán)境保護委員會MEPC第68次會議對MEPC.232（65）中的第一層評估方法（Assessment Level 1）進行了修訂，并以MEPC.262（68）決議的形式發(fā)布。本文通過對MEPC.232（65）和MEPC.262（68）中主機最小推進功率的第一層評估方法進行對比，結(jié)合最小推進功率的最低要求，對某37 000 DWT瀝青船EEDI進行計算分析，并利用第二層評估方法對該船的最小裝機功率進行驗證，對MEPC.262（68）決議修訂的合理性提出了部分質(zhì)疑，以期為此類決議的修訂和部分類似船型的推進方案設(shè)計提供一定的參考。

1 最小推進功率第一層評估方法

MEPC.232（65）和 MEPC.262（68）中關(guān)于最小推進功率的第一層評估方法公式相同 ［見式（1）］，僅系數(shù)不同，均基于對現(xiàn)有船型的統(tǒng)計分析。

最小推進功率：

式中：a、b 為系數(shù)。

表1為MEPC.232（65）中的系數(shù)，表2為MEPC.262（68）中的系數(shù)。對比表1和表2，不難發(fā)現(xiàn)，散貨船按照載重量分成了兩個階段，相對于MEPC.232（65），MEPC.262（68）的要求有一定的提高，見圖1。對于載重量等于20 000 t的散貨船，最小推進功率增加最多，約為14%，見圖2。

表1 MEPC.232（65）第一層評估方法參數(shù)

表2 MEPC.262（68）第一層評估方法參數(shù)

圖1 散貨船最小推進功率對比

圖2 散貨船差異百分比

圖3 油船最小推進功率對比

圖4 油船差異百分比

圖3 和圖4為第一層評估方法中對油船最小推進功率的要求對比，可見MEPC.262（68）相對于MEPC.232（65），最小推進功率對油船的要求有著大幅度的提高，尤其對于載重量較小的油船，對于載重量等于20 000 t的油船，最小推進功率增加約56.8%。

2 最小推進功率下EEDI航速要求

對于某一型船，其達到的EEDI指數(shù)由式（2）進行計算：

為方便研究，假定某一船為單機單槳、無軸帶發(fā)電機、無冰區(qū)要求、無CSR附加標(biāo)志的常規(guī)油船，則上述達到的EEDI指數(shù)公式可由式（3）表示：

式中：PME=0.75 MCR；

當(dāng)MCR≥10 000 kW時，PAE=0.025MCR+250

當(dāng) MCR＜10 000 kW 時，PAE=0.05MCR

要求達到的EEDI參考基線見式（4）：

式中：對于油船，a、b、c 系數(shù)取值見表 3。

表3 油船EEDI參考線計算參數(shù)

對于各階段的折減系數(shù)見表4。

表4 油船EEDI各階段折減系數(shù)

EEDI各階段最低要求與載重量的關(guān)系見圖5。

圖5 EEDI最低要求與載重量關(guān)系

由于燃油消耗率相對于載重量對EEDI影響較小，且大多數(shù)低速主機實際臺架試驗測得的燃油消耗率多集中在同一水平，因此假定SFCME=170 g/kW·h，SFCAE=220 g/kW·h，則可以得到在EEDI最低要求下的載重量與航速的函數(shù)關(guān)系曲線，見圖6～圖8?？梢娫谕瑫r滿足第一層評估方法的最小推進功率和EEDI的條件下，MEPC.262（68）對航速的要求相對于MEPC.232（65）有著明顯的提高，即使在航速要求的最低點，載重量約等于100 000 t的油船，其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段的航速要求也分別達到了13.8 kn、15.5 kn、17.7 kn，顯然對于一般的常規(guī)油船設(shè)計是難以實現(xiàn)的。對于載重量略大于20 000 t的油船，其航速指標(biāo)根本無法達到。

圖6 第I階段EEDI航速要求

圖7 第Ⅱ階段EEDI航速要求

圖8 第Ⅲ階段EEDI航速要求

3 37 000 DWT瀝青船主機最小功率EEDI核算

37 000 DWT瀝青船是由上海船舶研究設(shè)計院獨立自主研發(fā)設(shè)計的世界上最大的瀝青船。首制船由中航鼎衡造船有限公司2015年完成建造。EEDI計算屬油船范疇，首制船滿足EEDI第II階段的要求，因其良好的性能頗受船東好評，加之近些年瀝青船市場升溫，因此有意向建造此船的船東越來越多。

37000DWT瀝青船主機型號為YMD－WARTSILA 5RT－flex50D，MCR 為 6 400 kW， 滿足 MEPC.232（65）第一層評估方法的最小推進功率要求。但是根據(jù)MEPC.262（68）的要求，其主機最小推進功率需要達到0.065 2×37 000+5 960.2=8 372.6 kW，遠遠超過了 MEPC.232（65）的要求。

根據(jù)37 000 DWT瀝青船的船模試驗報告，擬合主機0.75MCR與航速的航速功率曲線，近似取SFCME=170 g/kW·h，SFCAE=220 g/kW·h，繪制主機功率MCR與EEDI的函數(shù)曲線，見圖9。

圖9 37 000 DWT瀝青船主機功率與EEDI關(guān)系曲線

由圖9可見，EEDI隨著主機MCR的降低而遞減，降低主機功率可有效降低EEDI。當(dāng)滿足EEDI第1階段（圖中雙點劃線）時，主機功率需要滿足小于 8 170 kW，而此時利用 MEPC.262（68）第一層評估方法計算的主機最小功率至少需要8 372.6 kW，中間沒有任何交集，也就是說，按照MEPC.262（68）的要求，無論如何都需要進行第二層方法的評估。

4 37 000 DWT瀝青船第二層評估方法MCR核算

第二層評估方法流程如圖10［1］所示。

圖10 主機最小功率第二層評估方法校核流程

其中：vs為船舶結(jié)構(gòu)吃水下，惡劣海況下的最小航行速度，取4 kn和vck中較大值。vck為保持航向的最小速度，根據(jù)舵面積、船體水線以上正投影面積，側(cè)向投影面積計算。Rcw為靜水阻力，對于散貨船、油船和兼裝船可忽略興波阻力，由圖10中經(jīng)驗公式計算。Rair為空氣阻力，由圖10中經(jīng)驗公式計算。Raw為波浪增阻， 可由 ITTC 7.5－02 07－02.1 和 7.5－02 07－02.2推薦的耐波性試驗程序進行試驗得到，或者由主管機關(guān)認(rèn)可的理論方法計算。Rapp為附體阻力，可由經(jīng)驗公式計算。

對于 37 000 DWT 瀝青船，Rcw、Rair、Rapp均可由船模試驗報告數(shù)據(jù)進行插值計算。Raw由三維勢流理論HydroSTAR軟件進行計算。推力減額因子t可由船模試驗或經(jīng)驗公式保守估算，t=0.7w。w為伴流分?jǐn)?shù)，可從船模試驗或根據(jù)推薦表格計算。T為螺旋槳推力。根據(jù)螺旋槳敞水性能試驗，確定螺旋槳的進速系數(shù)J。n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，KQ為螺旋槳扭矩系數(shù)，根據(jù)J在螺旋槳敞水特征曲線上插值計算。PD為螺旋槳收到功率，Q 為螺旋槳扭矩，Qmax（n）為主機最大扭矩。 如果 Q＜Qmax（n），則滿足最小推進功率評估要求，否則不滿足要求。

將惡劣海況定義的有義波高4 m（L＜200 m），譜峰周期 7.0～15.0 s的波浪譜應(yīng)用于 37 000 DWT瀝青船波浪增阻計算。計算結(jié)果如表5所示。其中Qmax（n）在低功率點處的數(shù)值由主機特性曲線得到，見圖11。

表5 37 000 DWT瀝青船主機最小功率第二層評估方法核算

圖11 37 000 DWT瀝青船主機特性曲線

5 結(jié)語

在環(huán)境狀況日益惡化的今天，EEDI的相關(guān)法案的生效是應(yīng)對海洋環(huán)境污染的一個有效手段，同時滿足最小推進功率又是保證船舶海上航行安全的重要措施，兩者互相矛盾，又相輔相成。本文通過對比 MEPC.232（65）和 MEPC.262（68）中最小推進功率的第一層評估方法，并結(jié)合EEDI簡化計算，對37 000 DWT瀝青船進行了EEDI評估，和最小推進功率的第二層方法的核算，可得出以下的結(jié)論：

1） MEPC.262（68）對 MEPC.232（65）中最小推進功率第一層評估方法的修訂，對散貨船的設(shè)計影響較小，而對油船影響較大，尤其對20000～50000DWT的油船，主機功率需增加40%～50%。MEPC.262（68）于2015年11月份正式生效，因此此后簽訂建造合同的油船，在初期報價設(shè)計采用第一層評估方法確定最小推進功率時，在主機選型上需要格外謹(jǐn)慎。

2）對于常規(guī)油船的設(shè)計，在同時滿足第一層評估方法對最小推進功率的要求和EEDI要求的情況下，航速需要達到一個很高的水平，顯然對于一般的常規(guī)油船設(shè)計是難以實現(xiàn)的，側(cè)面也反映出MEPC.262（68）修訂對于油船的要求過于苛刻，存在其不合理的地方。

3）37 000 DWT瀝青船屬油船的范疇，根據(jù)船模試驗數(shù)據(jù)，通過繪制主機功率和EEDI的關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)滿足EEDI第1階段要求的主機功率和滿足第一層評估方法要求的最小功率完全沒有任何交集，無任何型號的主機可用，也即是說，第一層評估方法不適用于此級別油船的最小推進功率的評估。

4）37 000 DWT瀝青船通過第二層評估方法計算，船舶在惡劣海況中達到最小航行速度時，主機所發(fā)出的推進功率僅2 186 kW，但此時螺旋槳轉(zhuǎn)速較低，主機還要受自身扭矩限界線的限制。采用第二層評估方法可以有效降低對主機裝機功率的要求，但第二層評估方法需要的參數(shù)眾多，雖然部分給出了經(jīng)驗公式的計算方法，仍有部分參數(shù)需要試驗來進行驗證，例如船舶的波浪增阻、螺旋槳的特性曲線等。在市場化競爭日益激烈的今天，報價迅速化程度無疑成為設(shè)計院所爭取訂單的有利手段，然而最小推進功率評估的第一層評估方法的不合理性和第二層評估方法中評估參數(shù)的滯后性無疑給船舶報價埋下了巨大的隱患，應(yīng)引起設(shè)計者足夠的重視。