舰船科学技术  2016, Vol. 38 Issue (5): 96-100,104   PDF    
基于EEDI的船舶主机选型研究
达勇1, 张跃文1, 张鹏1, 李国龙2     
1. 大连海事大学, 辽宁 大连 116026 ;
2. 大连船舶重工集团有限公司, 辽宁 大连 116006
摘要: 以船舶能效设计指数(EEDI)为背景,上海船舶设计研究院设计的绿色船型Dolphin 82 K为研究对象,分析船舶主机选型设定对EEDI所产生的影响,并将EEDI作为主机选型的指标之一,建立船舶主机选型综合评价模型,实现对船舶主机选型的科学、客观、合理评价。
关键词: EEDI     主机选型     模糊综合评价    
Research on marine engine selection based on ship energy efficiency design index
DA Yong1, ZHANG Yue-wen1, ZHANG Peng1, LI Guo-long2     
1. Dalian Maritime University, Dalian 116026, China ;
2. Dalian Shipbuilding Industry Co. Ltd., Dalian 116006, China
Abstract: In the background of EEDI, the paper focusing on the research on the EEDI during the process of main engine's selection based on green ship-Dolphin 82 K designed by SDARI.To achieve a scientific, objective and reasonable assessment on the engine's selection, using the EEDI as one of the indicators measuring the quality of engine selection and establishing the comprehensive evaluation model for marine engine selection.
Key words: EEDI     engine selection     fuzzy comprehensive evaluation    

在国际贸易和世界经济快速发展的推动下,船舶 CO2 排放量也日益增大,船舶节能减排问题受到造船界和航运界的普遍关注[1-3]

多年来,IMO 一直致力于“节能减排”相关法律法规的制定,2013 年 1 月 1 日,船舶能效设计指数(EEDI)和能效管理计划(SEEMP)[4]正式实施,这是航运“节能减排”领域的重大进步,EEDI 和 SEEMP 的强制性实施将对整个船舶行业带来更大的挑战,先进技术的应用必将导致造船成本升高,国际船舶准入门槛提高。

本文从主动力装置选型角度出发来研究提高 EEDI 水平,介绍 EEDI 的相关要求,并将 EEDI 作为选型评价指标之一,利用模糊综合评价方法,以某 82 000 DWT 散货船的主机选型为例,阐述模型的计算过程,并验证其正确性。

1 船舶能效设计指数(EEDI)

EEDI 是用来衡量新造船舶能效水平高低的指标,利用船舶在特定工况下的 CO2 排放水平来表示。把 EEDI 简单理解为新造船单位航速、单位载重吨的CO2排放量,适用于除少数特种船舶外的大部分商船,根据第 63 次 MEPC 会议颁布的 EEDI 计算方法得知其公式如下[5]

$EEDI=\frac{{{E}_{ME}}+{{E}_{AE}}+{{E}_{PTI}}+{{E}_{eff}}}{{{f}_{i}}.Capacity.{{V}_{ref}}.{{f}_{w}}},$ (1)
${{E}_{ME}}=\left( \prod\limits_{j=1}^{n}{{{f}_{j}}} \right)\left( \sum\limits_{i=1}^{nME}{{{P}_{ME(i)}}\cdot }{{C}_{FME(i)}}\cdot SF{{C}_{ME(i)}} \right),$ (2)
${{E}_{AE}}={{P}_{AE}}\cdot {{C}_{FAE}}\cdot SF{{C}_{AE}},$ (3)
$\begin{array}{*{35}{l}} {{E}_{PTI}}=\left( \prod\limits_{j=1}^{n}{{{f}_{j}}}\cdot \sum\limits_{i=1}^{nPTI}{{{P}_{PTI(i)}}}-\sum\limits_{i=1}^{neff}{{{f}_{eff(i)}}}\times {{P}_{AEeff(i)}} \right)\times \\ {{C}_{FAE}}\cdot SF{{C}_{AE}}, \\ \end{array}$ (4)
${{E}_{eff}}=\sum\limits_{i=1}^{neff}{{{f}_{eff(i)}}}\cdot {{P}_{eff(i)}}\cdot {{C}_{FME}}\cdot SF{{C}_{ME}}.$ (5)

式中:${C_F}$为CO2 无量纲转化系数;${V_{ref}}$为船舶航速,kn;Capacity为船舶最大载重吨;P 为功率,kW; SFC为发动机核定的燃油消耗率;${f_j}$ 为修正船舶特殊性设计的无量纲系数;${f_w}$ 为船舶失速系数;${f_{eff(i)}}$ 为新型节能技术可用性的无量纲系数;${f_i}$ 为考虑船舶因技术或法规对 Capacity 有所限制的无量纲修正系数,其他各参数定义详见参考文献[1]

2 船舶主机选型对 EEDI 产生的影响 2.1 Dolphin 82 K 散货船主机选型

以 Dolphin 系列 82 000 DWT 散货船为研究对象,其在设计吃水(d = 12.2 m)下,保留 15% 的海况储备,服务航速为 14.3 kn,主机常用服务功率 CSR 点功率转速为 7 472 kW × 83.2 rpm,以该功率输出点为基础,利用 MAN B & W 和瓦锡兰公司所给的主机选型区域,选取市场上 82 000 DWT 散货船常用的 4 种机型,并根据等航速线公式画出常用主机选型区域图,见图 1

$\frac{P}{{{P}_{0}}}={{\left( \frac{n}{{{n}_{0}}} \right)}^{\alpha }}.$ (6)

式中:PP0 为所需要的推进功率;nn0 为相应螺旋桨转速;α 为等航速系数,大于 30 000 t 的散货船,α = 0.25。

图 1 82000 DWT 散货常用主机型号选型区域 Fig. 1 Selection area of 82000 DWT common engine type

图 1 所示,等航速线上任意一点均可以作为主机的约定最大持续功率 SMCR 或 CMCR,只需根据所选择的功率点,调整相应的螺旋桨参数。本节根据市场上,该型散货船常用的几种机型,选取合适的 SMCR 点,来研究主机选型过程相关参数、技术的选取,对 EEDI 所带来的影响,计算结果如表 1 所示,其中 5S60MC-C8.2,7S50MC-C8.2 和 5RT-flex58T-D 三种机型均留有 10% 的主机功率储备,6S60MC-C8.2 留有 25% 的主机功率储备。

表 1 主机选型对 EEDI 的影响 Tab.1 Influence of engine selection on EEDI

表 1 计算结果可看出,不同的主机选型对最终整艘船舶的 EEDI 产生不同程度的影响,如选择同一品牌、不同缸径的主机(5S60MC-C8.2 和 7S50MC-C8.2),由于较小缸径的主机在维持相同航速的情况下,转速更高、螺旋桨直径减小、推进效率下降,因而需要更高的主机功率,而且缸径越小,其燃油消耗率相对越高,造成了 EEDI 值相比于 5S60MC-C8.2 机型要高 6.61% 左右;如果选不同品牌的柴油机(5S60MC-C8.2 和 5RT-flex58T-D),其额定功率 SMCR 点相同,但由于 5RT-flex58T-D 为电控柴油机,有较低的稳定转速和燃油消耗率,因而 EEDI 值要比 5S60MC-C8.2 低 1.80% 左右,而且不同的主机功率储备也对 EEDI 造成了非常大的影响。

目前,EEDI 已经开始用于衡量船舶的设计建造水平,并作为船舶建造标准之一写进 MARPOL 公约,于 2013 年 1 月 1 日开始强制性执行,因此对 EEDI 的影响因素分析有着非常重要的意义。由 EEDI 计算公式分析得出:影响船舶能效设计指数的主要因素为载重量 Capacity,航速 ${V_{ref}}$ 及相应的主机功率。

2.2 设计航速

EEDI 对船舶设计航速非常敏感,由海军常数公式(7)可知,船舶主机功率与航速的三次方成正比,当船舶设计航速发生变化时将对 EEDI 产生非常大的影响,且设计航速变化直接影响船舶所选择的主机型号。

$P=\frac{{{\Delta }^{\frac{2}{3}}}\cdot {{V}^{3}}}{{{C}_{e}}}.$ (7)

式中:P 为主机功率,kW;Δ 为船舶排水量,t;${C_e}$ 为海军常数;V 为船舶航速,kn。

假设船舶设计航速以 1 kn 步长变化,主机均选择 MAN B &W 公司的合适机型且均满足 IMO Tier Ⅱ 排放标准(忽略因降低燃油消耗而引起的 NOx 排放增加),并假设留有 15% 海况储备、10% 主机功率储备,计算研究船舶设计航速对 EEDI 的影响,严格参照《Guidelines on the Method of Calculation of EEDI for New Ships》中的规定[6],计算 EEDI 值。

表 2 计算结果显示,船舶设计航速对 EEDI 值的影响非常大,航速增加 1 kn,EEDI 值增加 14.33%;而航速每降低 1 kn,EEDI 值平均降低 17.1% 左右。

表 2 设计航速对 EEDI 的影响研究 Tab.2 Influence of design speed on EEDI
2.3 船舶载重量

由 EEDI 计算公式可以看出,随着船舶载重量的增大,其 EEDI 值将逐渐降低,且相应的基线要求也越来越严格,所以增加船舶装载能力,可有效提高船舶设计能效水平,这也非常符合当今船舶大型化的发展趋势。

2.4 船舶所需功率

降低船舶温室气体排放,实质就是减少船舶油耗,降低船舶所需功率,包括推进功率、辅助功率等一切消耗燃料的功率。由 EEDI 计算公式可看出,在船舶设计阶段,对于相同载重吨船型,在相同设计航速时,所需主机功率越低,其 EEDI 值则越低。

3 基于 EEDI 的船舶主机选型综合评价模型研究 3.1 模糊综合评价方法基本理论[7]

模糊综合评价是指对多个被评价对象进行公正、客观、合理的全面评价,常用于评价因素较多、因素之间相互影响难以定量确定的情况,具有数学模型简单、过程明晰、易于掌握等优点,本文将采用模糊综合评价的方法对船舶主机选型进行综合评价,其内容主要包括建立评价因素集、确定评价方案集、确定模糊评判矩阵及综合评价等。

3.2 船舶主机选型综合评价实例 3.2.1 建立评价因素集

主机选型时要满足以下要求[8]

1)从功率和转速的角度,应选择大功率、低转速的主机,以得到较高的船舶动力性及推进效率;

2)从主机初始投资,寿命及可靠性的角度,要求主机造价低,使用寿命长,可靠性高,且维修保养方便;

3)从燃油和滑油消耗的角度,应选择对燃油和滑油品质要求低,且耗油率也低的主机,尽可能提高营运经济性;

4)从重量和尺寸的角度,应选择重量轻,尺寸小的主机,以提升船舶载重量,减小机舱容积、方便机舱布置;

5)所选主机振动噪声应尽量小,以提高机舱工作环境;还要考虑柴油机热效率要高,技术先进成熟,运行可靠等。

因此选取对船舶技术、经济及性能影响较大的7个指标作为综合评价的评价指标集,即

$U=\left\{ {{u}_{1}},{{u}_{2}},{{u}_{3}},{{u}_{4}},{{u}_{5}},{{u}_{6}},{{u}_{7}} \right\}.$} (8)

式中:u1 为 EEDI;u2 为船舶动力性;u3 为主机初始投资;u4 为主机燃油消耗率;u5 为主机可靠性;u6 为主机单位有效功率的重量;u7 为主机单位体积所分配的有效功率。

利用层次分析法(AHP)确定各评价指标权重。AHP 是将 n 个元素排成 n 阶判断矩阵,专家通过对指标两两比较,根据各因素重要程度来确定矩阵中元素值的大小,然后利用矩阵理论来确定各个指标的重要程度系数,具有操作简单、逻辑性强、可信度高等特点。本文向有丰富科研和实船工作经验的实验室老师及从事动力装置设计的工程师等进行咨询,采用 AHP 确定主机选型过程中各影响因素的权重系数[9],其中某专家的评分如表 3 所示。

表 3 “某专家”指标权重打分调查表 Tab.3 Index weight scale questionnaire of “Some Expert”

根据层次分析法权重计算方法,分别对各专家打分表进行一致性检验并最终计算获得评价指标权重矩阵,由于人的主观性影响,及各专家所在领域的不同,因而打分的侧重点会有所不同,采用算数平均法最终获得权重矩阵值:

$\begin{array}{*{35}{l}} A=\left\{ {{a}_{1}},{{a}_{2}},\cdots ,{{a}_{7}} \right\}=\left\{ 0.204,0.155,0.216,0.247, \right. \\ \left. 0.102,0.044,0.032. \right\} \\ \end{array}$ (9)
3.2.2 建立评价方案集

综合评价的目的就是对若干个评价方案进行比较,从而选出相对最佳方案,以 82 000 DWT 散货船为例,选取其在市场上常用的几种机型作为不同的评价方案,利用模糊综合评价,选取性价比最优的主机,如表 4 所示。

表 4 82000 DWT 散货船常用主机机型 Tab.4 Common used engine types of 82000 DWT bulk carrier

表 4中的几款主机,确定评价方案集 P,即

$P=\left\{ {{p}_{1}},{{p}_{2}},{{p}_{3}},{{p}_{4}},{{p}_{5}} \right\}.$ (10)

式中:p1 为 5S60MC-C8.2;p2 为 7S50MC-C8.2;p3 为 6S60MC-C8.2;p4 为 5S60ME-C8.2;p5 为 5RT-flex58T-D。

3.2.3 评价指标标准化及构建模糊综合评价矩阵

确定了各评价方案指标的特征值 X 后,由于各评价指标的原始数据量纲不同,需要对各个指标进行标准化处理,消除量纲效应。在所有评价指标中,有的指标值越小越好,如 EEDI 值、主机初投资等;有的指标值越大越好,如主机可靠性、船舶动力性等,采用相对隶属度的概念,即假设评价、优选、决策等是在有限论域 U 中进行,根据优选的相对性,直接在论域 U 中选取评价指标 ui 的上、下确界,作为某评价方案 pj 对评价指标 ui 隶属度的相对标准,计算方法如下[10]

对于越大越好的评价指标

${{r}_{ij}}=\frac{x\left( i,j \right)-{{x}_{\min }}\left( i,j \right)}{{{x}_{\max }}\left( i,j \right)-{{x}_{\min }}\left( i,j \right)},\left( i=1,2,\cdots ,n\text{?}\!\!\gg\!\!\text{ }j=1,2,\cdots ,m \right);$ (11)

对于越小越好的评价指标:

${{r}_{ij}}=\frac{{{x}_{\max }}\left( i,j \right)-x\left( i,j \right)}{{{x}_{\max }}\left( i,j \right)-{{x}_{\min }}\left( i,j \right)},\left( i=1,2,\cdots ,n\text{?}\!\!\gg\!\!\text{ }j=1,2,\cdots ,m \right).$ (12)

式中:${x_{\min }}\left( {i,j} \right)$${x_{\max }}\left( {i,j} \right)$$x\left( {i,j} \right)$ 分别为所有评价方案中第 i 评价指标特征值的最小值、最大值及某方案的具体值。标准化之后的评价指标值 ${r_{ij}}$ 即为 j 方案对指标 i 的标准化值,即相对隶属程度值,由 ${r_{ij}}$ 组成的矩阵即为模糊综合评价矩阵。根据以上标准化计算,对各个方案进行标准化处理,处理结果如表 5 所示。

表 5 标准化结果 Tab.5 Standardized results

表 5中的标准化结果,即可得到船舶主机选型综合评价矩阵:

$R=\left[ \begin{matrix} {{R}_{1}} \\ {{R}_{2}} \\ {{R}_{3}} \\ {{R}_{4}} \\ {{R}_{5}} \\ {{R}_{6}} \\ {{R}_{7}} \\ \end{matrix} \right]=\left[ \begin{matrix} 0.88 &0.56 &0.0 &1.0 &0.97 \\ 0.0 &0.0 &1.0 &0.0 &0.0 \\ 1.0 &0.68 &0.0 &0.58 &0.44 \\ 0.47 &0.0 &0.72 &1.0 &0.86 \\ 0.50 &0.25 &0.0 &1.0 &0.75 \\ 0.0 &1.0 &0.14 &0.16 &0.44 \\ 0.0 &1.0 &0.09 &0.26 &0.21 \\ \end{matrix} \right].$ (13)
3.2.4 主机选型综合评价

根据以上计算所得评价指标权重集 A 和综合评价矩阵 R,选取广义加权平均型模糊算子 $M\left( { \bullet ,+ } \right)$,由模糊变换 $ {B} = A \circ {R} $,得到各方案的综合评价值:

$\begin{align} &B=\left[ {{a}_{1}},{{a}_{2}},\cdots ,{{a}_{7}} \right]{}^\circ \left[ \begin{matrix} {{r}_{11}} &{{r}_{12}} &\cdots &{{r}_{15}} \\ {{r}_{21}} &{{r}_{22}} &\cdots &{{r}_{25}} \\ \vdots &\vdots &\vdots &\vdots \\ {{r}_{71}} &{{r}_{72}} &\cdots &{{r}_{75}} \\ \end{matrix} \right]= \\ &\left[ 0.204,0.155,0.216,0.247,0.102,0.044,0.032 \right]\ \\ &\left[ \begin{matrix} 0.88 &0.56 &0.0 &1.0 &0.97 \\ 0.0 &0.0 &1.0 &0.0 &0.0 \\ 1.0 &0.68 &0.0 &0.58 &0.44 \\ 0.47 &0.0 &0.72 &1.0 &0.86 \\ 0.50 &0.25 &0.0 &1.0 &0.75 \\ 0.0 &1.0 &0.14 &0.16 &0.44 \\ 0.0 &1.0 &0.09 &0.26 &0.21 \\ \end{matrix} \right]= \\ &\left[ 0.56,0.36,0.34,0.69,0.61 \right] \\ \end{align}$ (14)
4 主机选型模糊综合评价结果

由模型计算结果可知,根据最大隶属度原则,各主机选型方案排序为:5S60ME-C8.2 > 5RT-flex58T-D > 5S60MC-C8.2 > 7S50MC-C8.2 > 6S60MC-C8.2。通过对各备选机型的综合评价,可知 5S60ME-C8.2 在各方面性能均表现优异,定为最优选择,而 5RT-flex58T-D 和 5S60MC-C8.2 仅次之,7S50MC-C8.2 和 6S60MC-C8.2 总体性能则较前几种机型相差较大。

根据 Clarkson 统计的从 2009 年至 2013 年所交付的 54 艘 Dolphin 82 K 散货船中,5S60ME 机占 15 艘,5S60MC 机占 28 艘,而 5RT-flex58T-D 机型可能因其品牌市场占有率等其他因素,仅占 4 艘,7S50MC 和 6S60MC 机型分别为 1 艘和 3 艘,如图 2 所示。从这些交付船的统计来看,5S60ME 和 5S60MC 基本上为 Dolphin 82 K 散货船的最优机型,这也基本和模型的计算结果相吻合。结果表明,该方法可以综合考虑各因素影响,量化船舶主动力装置选型,弥补以往仅凭经验等定性方法的不足,实现对船舶主机选型的科学、客观、合理评价。

图 2 2009-2013 Dolphin 82 K 散货船交付机型 Fig. 2 Used engine of dolphin82K bulk carrier between 2009 and 2013
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