内河干线散粮船型特征及其能效设计指数EEDI的计算分析

内河干线散粮船型特征及其能效设计指数

EEDI的计算分析

龚宏中1，蔡 薇1，高 兰2

（1.武汉理工大学交通学院 海洋工程系，湖北 武汉 430063；2.中粮工程科技（郑州）有限公司，河南 郑州 450053）

摘 要：本文简要介绍了散装谷物与稳性相关的特性及其解决措施，对我国内河干线专用散粮船的结构特点和其与非专用散粮船型进行了对比分析。另外，分析了能效设计指数EEDI对内河散粮船的船型影响及设计指数提升的改进方法。 

关键词：散装谷物；稳性；散粮船；EEDI 

中图分类号：U662.2 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）07-0008-04

前言

中国是一个产粮大国，粮食进出口贸易稳定，2015年粮食产量62,143.5万t，居世界第一位，粮食进口12,477万t，出口1万t，其中进口量同比增长24.2%，出于稳步上升阶段，散粮船作为粮食内河运输的工具，引起社会广泛关注。特别是近年来，国家大力整改内河航运，内河船型随着内河航运条件的提升而得到较大提高，长江中下游可通航万吨级船舶，川江及三峡库区航行的主力船型均在3,000t级以上，散粮船作为内河运输的一大重要组成部分，已经逐渐受到各部门的重视。而黄金水道的开发和今年1月1日实施的《珠三角、长三角、环渤海水域船舶排放控制区实施方案》无不显示着船型的发展要绿色、高效。

一、散装谷物特性对船型的要求 1．散装谷物特性

散装谷物的主要特性颇多，除了具有吸附性（吸附异味或者有害气体）、呼吸性、吸湿性与发汗性、易发热和易受虫害及霉变等特性外，还具有散货特有且与船舶稳性密切相关的两个特性：散落性和下沉性。

散装谷物的散落性虽然有利于船舶装卸（散落性好即流动性好），但却不利于船舶稳性。主要是因为其流动的特性，在船舶摇晃或回转时，散装谷物的流动会形成类似于自由液面的效应，降低初稳性高，减小回复力矩，不利于船舶的稳性。

下沉性对船舶稳性同样有不利的影响，其表现为谷物重心下降，出现自由谷面，对稳性不利。由于谷物具有下沉性，即使装载时已经满舱，船舶经过一段时间航行后，谷物表面逐渐下沉。

收稿日期：2017-04-01

作者简介：龚宏中（1991-），男，武汉理工大学船舶与海洋工程系硕士生，主要从事船舶与海洋工程结构物设计制造。

蔡 薇（1969-），女，武汉理工大学交通学院 海洋工程系，教授，研究方向为面向生态环境的船舶设计、评估及其关键技术；船型开发研制。

基金项目：2014年度粮食公益性行业科研专项“‘北粮南运’散粮高效运输系统化技术装备研发”，项目编号：201413005。

图1 保障散粮船稳性的相关措施

（1）增加散装谷物补给设备。例如添注漏斗，其作用为安装在船舶二层甲板的两舷上，补给底舱的空档。也就是说，当货舱内散装谷物下沉时，通过添注漏斗添加储备粮进去补足货舱的空档，如图1中A所示。

（2）控制谷物表面避免其流动。除了常规的设置止移板以外，还可以在谷物表面压包粮，然后用钢丝网固定等，如

由于散装谷物具有散落性和下沉性，使得谷物在舱内产生移动，导致船舶重心提高并产生侧倾力矩，从而导致初稳性高度降低、静稳性力臂和动稳性力臂横倾角减小，进而对船舶的航行安全造成不利影响。

2．散粮船型相应的设备措施

对于散装谷物散落性和下沉性引起的船舶稳性的降低的问题，通常要求散粮船应具备相应的设备或解决措施，通常有三种方法。

第7期 龚宏中等：内河干线散粮船型特征及其能效设计指数EEDI的计算分析 9 图1中B所示。

（3）在船舱内加设止移装置。例如木制或钢制的纵向隔壁，如图1中C所示。

二、专用散粮船型的结构分析 1．内河干线专用散粮船的结构特点

内河散粮船在大体上符合内河散货船的基本船型特点的同时，还有一些特有的船型特点。其基本船型特点如下，横剖面结构如图1所示。

（1）由于所运货种单一，批量大，对隔舱要求不高，所以只设单甲板。

（2）各种散货比重相差很大，因而积载因数（一吨重货物所占的容积）不同。为了能够满载轻货，货舱容积较大。装重货时则采用隔舱装载的办法。有些船更采用大小舱相间的布置方式。因此，船体结构较强，可以适应集中载荷的需要。

（3）为提高装卸效率，货舱口很大，宽度可达船宽的70%。

（4）货舱两侧甲板下部以40~60°角、双层底上部以35°角封闭，货舱的横截面呈八角形。这种结构在航行中可以货物表面移动，提高船舶稳性，在装卸中则可消灭死角，且可利用货物的自然流动，加快装卸进度。封闭的部分可作边压载水舱，尤其是甲板下的翼舱，对调节船舶重心高度有很大的作用。

（5）船中部的一个货舱有时作为压载水舱用，以补双层底和边压载水舱的不足，以保证船舶回程空放航行中的耐波性和稳性，并防止压载航行时发生中拱。

（6）机舱通常设在船艉，使货舱有宽敞方整的空间以利装卸，空载航行时使螺旋桨能没入水中以提高推进效率。

（7）内河散货船航行的航线上的港口都有装卸设备，所以现在散货船一般没有起货设备。

散粮船特有的特点为，散装粮食的积载因数较大，所以货舱容积比普通散货船大。为减小下沉性带来的自由面效应（散粮在船舶航行中逐渐下沉，使货舱上部出现空档，表面的粮食会随着船舶的摇摆而滑移，从而有加大船舶倾覆力矩的现象），散粮船通常装设止移板，并储备有一部分添注粮，或在散装粮食的表面压包装粮。目前，一般都将散粮船的货舱口围壁加高，使货物沉降后的表面面积局限在货舱口范围内。

图2 散粮船横剖面结构示意图

2．专用散粮船与非专用散粮船对比  

尽管内河干线粮食运输有其特有的船型，但由于货源和经济成本之间复杂的综合关系，目前长江上承担散装谷物运输的还有相当一部分一般散货船改装的非专用散粮船，这其中存在运输效率和安全保障等问题。

专用散粮船在两舷布置底边舱加高舱口围板以保证满舱，两舷布置底边舱便于清舱，也能增加抗沉性。双层底和四个边舱区采用纵骨架式结构以保证船体总纵强度，两舷边舱之间水线附近的总纵弯曲应力很小，采用结构比较简单的横骨架式结构可以解决散装谷物的流动问题。

而非专用散粮船舶都是用普通货船来装载散装谷物，在船体结构设计上没有针对散粮的特殊要求，尤其是没有解决散装谷物的流动性对船舶稳性造成的影响，形成了危险隐患。这些非专用散货船舶以老龄和小型船舶居多，且还存在着一些低质量船舶，其中多数吨位较小，稳性较差，并且船舶自身存在以下设计问题：①B/d较小，船舶初稳心距基线较低；②船舶干舷较低，满载状态下进水角较小；③高舱口围引起船舶重心过高。

三、能效设计指数EEDI及绿色节能内河散粮船型设计提升分析

1．EEDI的概念及计算方法

随着经济的飞速增长，航运贸易的快速发展，全球温室效应的加剧以及环境的恶化，在航运业引入碳排放问题是十分必要且有意义的。IMO的海上环境保护委员会（MEPC）在会议上对船舶CO2排放问题进行了专门的研究，最终提出了“能效设计指数”，即Energy Efficiency Design Index（EEDI）的概念，并于2013年开始实施。它要求新造船在设计和建造时其本身就达到比较高的能效标准，而非通过人为的合理的驾驶经营等方式，它对我国的造船业带来较大的影响冲击。加之我国为进一步打造环境友好的航运环境，在珠三角、长三角等水域设立船舶排放控制区，即将全面实施的航运减排市场机制给船舶设计带来了新的挑战。我国散粮运输的主要航线也集中在这几个减排控制区内。

EEDI的概念诞生于早期的CO2指数，其公式为：

CO2指数

环境成本

社会效益

（1）

后来MEPC根据CO2指数衍生出最初的EEDI计算公式：

EEDI

CO2排放运输成本

（2） 最后经过一系列的调整与修改，于MEPC的第62次会议上确定了EEDI的最终计算公式：



MfnME

jPME(i)CFME(i)SFCME(i)PAECFAESFCAE

j1i1

MnPTInefffjPPTI(i)feff(i)PAEeff(i)CneffFAESFCAE（3）

EEDI

j1i1i1feff(i)Peff(i)CFMESFCMEi1fiCapacityVreffW

式中：

fj表示冰区加强修正系数；fi为载重量修正系

数，指船舶因技术或规范要求而导致空船重量的增加，从而减少了Capacity，因此需要相应的修正系数以避免对这种船

10 中 国 水 运 第17卷 舶的不利影响；

fW

表示船舶在波高、浪频和风速等不利海

况下的航速降低的修正系数。

可以看到，EEDI的计算公式的分子中包括四个主要部分。

第一部分

MfnMEPCSFC

表示船jME(i)FME(i)ME(i)j1i1

舶以一定航速运输一定装载量下的主机油耗所转换成的CO2排放量。

第二部分PAECFAESFC表示为保证主机在第一部

分所述的状态下工作辅机油耗所转换成的AE

CO2排放量。

第三部分M

nPTIneff

f

jPPTI(i)feff(i)PAEeff(i)CFAESFCAE

j1

i1

i1





表示当船舶设有轴马达和废热回收系统时，贡献的轴功率与辅机油耗之乘积所转换成的CO2排放量。

neff

第四部分feff(i)Peff(i)CFMESFCMEi1

表示船

舶采用新的节能技术减少的油耗所转换成的CO2排放量。 EEDI计算公式的分母部分表示船舶的载重量

（Capacity）与该载重量下的航速（Vref）的乘积，并考虑了因技术和规范要求对Capacity的系数ffi和恶劣海况对航速的系数W。EEDI的值越小，则表明达到一定载重量和航速下的功耗越小，CO2的排放越少，则船舶的能效就越好。

中国船级社于2012年7月发布了《内河船舶能效设计指数（EEDI）评估指南》（以下简称《EEDI评估指南》），参照IMO规范对于新造内河船的EEDI基线值RLV有了如下定义：

RLVabc （4） 如果考虑到MEPC计划中对于EEDI基线值每过一个时段的折减率X，则基线值变化如下：

RLV1X％abc （5）

则实际中船舶的EEDI值需满足：

EEDIRLV （6）

式中X值对于内河散货船而言没有明确的值和时段，对于10,000t以上的江海直达船和近海船舶可以参考表1的取值。b为船舶载重量，a和c值由统计样本对基线公式进行回归分析得出，《EEDI评估指南》中给出了我国内河的EEDI指数基线，其中关于干散货船的指数基线如表2所示。

表1 船舶能效设计指数基线

散货船X 第一阶段（2013年）第二阶段（2015年） 第三阶段（2020年）

10,000~20,000DWT — 0~10 0~20 20,000DWT以上

0

10

20

表2 船舶能效设计指数基线

船型及航区

a b c 干散 A级航区 76.23 船舶DWT 0.2022 货船

B、C级航区

359.4

船舶DWT

0.4352

2．EEDI对船型的影响及设计改进

EEDI的实施对我国造船业造成了非常强烈的冲击，资料显示，在中国近10年建造的船舶中，按现阶段10%的折减率，符合EEDI要求的船舶平均不到50%，其中散货船的达到标准的最少，仅有4.6%，可见形势非常的严峻。

现为了具体研究EEDI对内河散粮船的影响及其可能的改进方法，选取长江航道若干艘散货船作为研究对象，根据3.1的计算方法进行EEDI的计算和分析，由于内河10,000t以下的船舶的折减率没有明确的数值和时段，因此这里所计算的基线值均不考虑折减。

（1）一般性散货船EEDI计算及分析

从CCS船舶库中选取近几年国内入级内河散货船作为研究样本，各船的数据参数和EEDI的计算值如表3和图3所示。

表3 样本船舶EEDI的计算

金龙 新长江荣江 荣江 新长江船名 泰鸿1号163 25038 14027 1506306045载重量/t 1,522 2,716 4,793 5,180 6,3487,121总长/m 62.7 84.9 92.0 110.0 100.1110.0垂线间长/m 59.8 82.3 88.9 105.6 94.4 107.5船宽/m 13.0 14.0 14.8 17.2 17.0 19.2 型深/m 3.8 4.6 5.8 5.1 6.4 5.6 设计吃水/m 3.1 3.4 5.0 4.4 5.6 4.7 航速/kn 11.5 11 11.9 11 11 11.9 主机功率/kW258 400 600 540 662 735 主机台数 2 2 2 2 2 2 EEDI 14.23 12.93 10.16 9.15 9.15 8.37 基线值

14.81

15.41

13.74

13.52

12.98

12.68

图3 样本船舶EEDI值与基线值的对比

从图中可以直观的看到，内河散货船由于吨位普遍不大，航速较为一致，一般满足EEDI要求，其EEDI值随着载重量的增大而减小，同时与基线值的差值增大，说明内河大吨位的散货船较易满足EEDI的要求。另外，图中1,500t的泰鸿1号刚刚满足基线值的要求，几乎没有裕度，倘若某一

第7期 龚宏中等：内河干线散粮船型特征及其能效设计指数EEDI的计算分析 11 时段要求EEDI折减，则该船不能满足EEDI的要求，必须进行优化改进。

（2）内河散粮船的EEDI计算分析

这里选取了我国最早的一艘5,000t江海直达运粮船和已有资料的3,200t粮食散装专用船作为研究对象进行EEDI的计算分析，计算结果如表4和图4所示。

表4 散粮船EEDI的计算

载重量垂线间长型深设计吃主机功主机船名 船宽/m

航速/kn

EEDI

基线值

/t /m /m 水/m 率/kW 台数5,000t江海直5,000

104.0

17.5 8.2

5.0

13.17 1,200

2

17.5913.62

达运粮船 3,200t内河 3,200 84.8 16.0 7.2 4.212 990 2 24.14.91

运粮船

图4 散粮船EEDI值与基线值的对比

从图中可以很直观的看到，这两艘船舶均不满足EEDI的要求，且与基线值还有一定的距离，这两艘船主机功率较大，航速一般， 因此从EEDI的公式结构中可以看出，其相应的EEDI值容易偏大，距离达到EEDI要求还有相当大的优化改进的空间。

（3）基于EEDI的设计改进方法

EEDI的计算公式分为分子和分母两个大部分，在改进船型时可以从这里两个方面来考虑，即减小分子和增大分母，总结为以下几种方法：

①减小主机功耗。在船舶设计改进中，提高能源利用效率，或利用先进技术使主机中各部分的转换效率提高，可以有效地降低主机功率，减小主机功耗，减少碳排放。

②优化船体型线。通过船体线型的优化，可以降低船舶航行中的阻力，从而可以采用较小的主机功率或者可以达到较高的航速，进一步降低EEDI值。

③采用节能技术和装置。在现在能源十分紧缺的大环境中，诞生了一系列的节能技术和技能装置，将其适当地引用到船舶上可以在可控成本下有效地减少碳排放，使船舶能效

水平提高。

④航速优化。在EEDI的计算公式中，航速占分母部分较大的比重，通过航速的优化调整，可以十分显著的降低EEDI值，是比较常用的一种方法。

⑤船体结构轻量化。在船舶排水量一定的情况下，通过船体结构的轻量化，可以减小空船重量，从而增加船舶的载重量，降低EEDI值。

运用这几种方法对船型进行优化，直到EEDI达到基线值的标准，甚至有一定的裕度，其中某个因素的改变可能引起其他若干个因素的改变，这是一个复杂的问题，后续的工作将围绕这些问题进行展开。

四、结论

本文研究了内河干线散粮船的货种特性和船型特性，并基于EEDI对近几年内河散货船和散粮船进行了分析，论述了EEDI对此类船舶的影响。结果表明，内河散货船吨位越大则达到基线值标准就越容易，且裕度也相应增大。其中对散粮船的计算显示，5,000t江海直达船不满足要求，可能是该船建造较早，限于当时的水平，该船的能效指数较低，而3,200t的散粮船由于其主机功率过大，导致能效水平也不高。因此减小主机功率应该为降低EEDI值的一个重要的途径。

本文的工作为内河散粮船的优化设计改进问题作了铺垫，对于业内人士的进一步研究工作具有指导意义。

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