營運(yùn)船舶主機(jī)能效和碳排放等級(jí)評(píng)定方法

叢巖，宋立國，潘新祥，池華方，韓志偉，吳曉光

大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連116026

0 引 言

營運(yùn)船舶排放的尾氣是大氣中溫室氣體的主要來源之一［1］。國際海事組織（IMO）于2014年發(fā)布的第2次溫室氣體研究報(bào)告中指出，2007年全球海運(yùn)業(yè)的CO2排放量達(dá)10.4億噸，占當(dāng)年CO2總排放量的3.3%［2］。報(bào)告還預(yù)測(cè)，隨著海運(yùn)貿(mào)易的增長(zhǎng)，若不采取有效措施，到2050年，營運(yùn)船舶的溫室氣體排放量相比2007年將增加150%～250%［3-4］。

2005年，IMO提出以船舶CO2排放指數(shù)作為評(píng)價(jià)CO2排放的標(biāo)準(zhǔn)。2009年，在IMO海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）召開的第59次會(huì)議上，船舶CO2排放指數(shù)被正式更名為“船舶能效營運(yùn)指數(shù)”（EEOI），并制定了包括新船“能效設(shè)計(jì)指數(shù)”（EEDI）、EEOI和“船舶能效管理計(jì)劃”（SEEMP）等在內(nèi)的相關(guān)文件。2011年7月，在MEPC召開的第62次會(huì)議上，首次將強(qiáng)制性的國際航行船舶溫室氣體減排措施以《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL）附則Ⅵ修正案的形式提交會(huì)議表決，并獲得各締約國的一致通過［5-6］。該修正案將EEDI作為衡量新建船舶能效設(shè)計(jì)性能的指標(biāo)，并針對(duì)不同類型、噸位船舶需達(dá)到的能效水平給出了強(qiáng)制性規(guī)定［7-9］。在2012年通過的SEEMP導(dǎo)則中，還推薦使用EEOI作為營運(yùn)船舶的自愿性能效管理目標(biāo)和能效水平監(jiān)測(cè)指標(biāo)［10］。此外，IMO主張?jiān)诤竭\(yùn)業(yè)內(nèi)不加區(qū)分地對(duì)所有船舶實(shí)行全球一致的溫室氣體排放強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)［11］。為此，目前的新建船舶（包括普通民船、特種船和軍艦）已經(jīng)大量使用了電控主機(jī)、電力推進(jìn)等節(jié)能減排新技術(shù)［12］。

按照IMO的有關(guān)規(guī)定，我國已在新建船舶中強(qiáng)制實(shí)施了EEDI要求，而對(duì)于EEOI，一旦技術(shù)成熟，航運(yùn)企業(yè)的營運(yùn)船舶也將強(qiáng)制執(zhí)行。2012年6月，我國交通運(yùn)輸部發(fā)布了2個(gè)行業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)：《營運(yùn)船舶燃料消耗限值及驗(yàn)證方法》和《營運(yùn)船舶CO2排放限值及驗(yàn)證方法》。在上述標(biāo)準(zhǔn)中，將“營運(yùn)船舶”定義為“取得交通運(yùn)輸營運(yùn)資質(zhì)”的船舶，并從船舶設(shè)計(jì)角度對(duì)營運(yùn)船舶的燃料消耗和CO2排放提出了規(guī)定及驗(yàn)證程序。

目前，包括IMO在內(nèi)的國內(nèi)外機(jī)構(gòu)、航運(yùn)企業(yè)都在積極研發(fā)適用于營運(yùn)船舶主要能耗設(shè)備的能效和碳排放強(qiáng)度評(píng)定及等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。但截至目前，針對(duì)主機(jī)、鍋爐、發(fā)電柴油機(jī)等設(shè)備，特別是作為能耗和碳排放主要源頭的主推進(jìn)柴油機(jī)，尚未提出有效且可操作的標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于此，本文將針對(duì)船舶主推進(jìn)柴油機(jī)在營運(yùn)條件下的能效水平，提出其能效等級(jí)劃分方法來表征船舶主機(jī)碳排放強(qiáng)度，探索營運(yùn)船舶主機(jī)的能效指標(biāo)及計(jì)算方法，制定出能效和碳排放等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，以為IMO、航運(yùn)企業(yè)的船舶能效管理及碳排放總量控制奠定基礎(chǔ)。

1 能效評(píng)定的難點(diǎn)及能效計(jì)量指標(biāo)篩選的標(biāo)準(zhǔn)

1.1 能效和碳排放評(píng)定的難點(diǎn)

每艘營運(yùn)船舶的主推進(jìn)柴油機(jī)各有特殊性，其外部條件變化大且不能控制，使得營運(yùn)船舶主機(jī)的運(yùn)行工況很難統(tǒng)一。主推進(jìn)柴油機(jī)能效和碳排放強(qiáng)度指標(biāo)及評(píng)定在國內(nèi)外也都無被認(rèn)可的精確量化方法。碳排放總量統(tǒng)計(jì)面臨準(zhǔn)確計(jì)量的問題。

1.2 能效計(jì)量指標(biāo)篩選的標(biāo)準(zhǔn)

盡管人們對(duì)能效概念的理解不同，能效計(jì)量指標(biāo)也存在不同的形式，但具有如下共同的特征：能效計(jì)量指標(biāo)是一個(gè)比值（或增加值），由輸入和輸出的相對(duì)數(shù)量關(guān)系決定；計(jì)算能效計(jì)量指標(biāo)的輸入為能耗，輸出為能耗實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品或服務(wù)；根據(jù)不同目的和描述對(duì)象，輸入和輸出可以有多種形式及度量方法。

能效指標(biāo)是能效管理和立法的基礎(chǔ)指標(biāo)。亞太能源中心指出，能效指標(biāo)的基本任務(wù)是后果評(píng)估、目標(biāo)評(píng)價(jià)和評(píng)估同等群體的相對(duì)形勢(shì)，使其在能效政策的制定和評(píng)估中發(fā)揮重要作用。由此，營運(yùn)船舶主推進(jìn)柴油機(jī)使用的能效指標(biāo)應(yīng)符合如下5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：

1）目標(biāo)性。

應(yīng)能對(duì)其能效進(jìn)行精確的計(jì)量和評(píng)價(jià)。

2）合理性。

應(yīng)符合能效的內(nèi)涵及特征，在一定程度上能體現(xiàn)出能耗與輸出有效功率之間的關(guān)系，而不能背離。

3）可行性。

能效指標(biāo)計(jì)算用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)容易獲得，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，可對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和核實(shí)；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)是現(xiàn)有的、可查的或可測(cè)量的，例如燃油密度、燃油熱值、主推進(jìn)柴油機(jī)輸出軸的扭矩、單位時(shí)間消耗的燃油質(zhì)量等；計(jì)算過程不能過于復(fù)雜。

4）系統(tǒng)性。

既可縱向比較主推進(jìn)柴油機(jī)能效水平的變化趨勢(shì)，也可橫向比較不同主推進(jìn)柴油機(jī)間的能效差異，且能反映主推進(jìn)柴油機(jī)的能效特征。

5）導(dǎo)向性。

在采用某一指標(biāo)對(duì)主推進(jìn)柴油機(jī)能效水平進(jìn)行計(jì)量或者設(shè)置了一定的能效目標(biāo)后，應(yīng)能促使航運(yùn)公司采取改善主推進(jìn)柴油機(jī)能效狀況以實(shí)現(xiàn)能效目標(biāo)的措施。

2 船舶主機(jī)能效和碳排放強(qiáng)度的評(píng)定

在交通部法制司立項(xiàng)的“營運(yùn)船舶能效和碳排放強(qiáng)度等級(jí)及評(píng)定方法研究（一期）”項(xiàng)目的資助下，本文項(xiàng)目組赴中遠(yuǎn)海運(yùn)集團(tuán)下屬公司和中外運(yùn)長(zhǎng)航集團(tuán)公司開展了調(diào)研工作。此次調(diào)研的常規(guī)營運(yùn)船舶為上述公司船隊(duì)中典型的主推進(jìn)低速二沖程柴油機(jī)，主機(jī)功率均超過3 000 kW，經(jīng)過調(diào)研，項(xiàng)目組獲取了大量數(shù)據(jù)。經(jīng)匯總、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算和分析，確定了主推進(jìn)柴油機(jī)的能效指標(biāo)，提出了能效水平和碳排放強(qiáng)度評(píng)定方法及等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。基于數(shù)據(jù)分析，考慮評(píng)定方法的可操作性、客觀性和科學(xué)性，對(duì)調(diào)研的營運(yùn)船舶主機(jī)進(jìn)行能效評(píng)定時(shí)采取不按照用途、噸位等分類的原則。

2.1 能效指標(biāo)的確定及計(jì)算

經(jīng)過調(diào)研，項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)研究的營運(yùn)船舶中主機(jī)燃油消耗率（SFOC）與機(jī)型、技術(shù)狀態(tài)和管理水平關(guān)系較大，與主機(jī)功率大小無直接關(guān)系，受外界環(huán)境因素的影響小。因此，在運(yùn)行功率下，主機(jī)燃油消耗率與說明書標(biāo)定的額定值的偏離程度可反映出主推進(jìn)柴油機(jī)的實(shí)際能效水平。

在研究了德國MAN公司各典型型號(hào)柴油機(jī)（包括 6S70MC，6G45ME-C9.5，5S60ME-C8.5，6S65ME-C8.5，6G70ME-C9.5，5S35ME-B9，6S35MC MK.7等）的說明書和臺(tái)架試驗(yàn)報(bào)告后發(fā)現(xiàn)，上述柴油機(jī)的燃油消耗率曲線在75%～90%負(fù)荷范圍內(nèi)走勢(shì)平緩，且處于較低水平。圖1所示為5S60ME-C8.5型柴油機(jī)的燃油消耗率與負(fù)荷變化關(guān)系曲線。由圖可知，在75%～90%負(fù)荷約束條件下，柴油機(jī)的燃油消耗率波動(dòng)小，這有助于對(duì)船舶主推進(jìn)柴油機(jī)進(jìn)行能效評(píng)價(jià)。

在確定營運(yùn)船舶的能效指標(biāo)時(shí)，需要考慮主機(jī)的功率儲(chǔ)備、工況和營運(yùn)特點(diǎn)等因素，通常主機(jī)的營運(yùn)功率為額定功率的90%，此時(shí)可認(rèn)為主機(jī)在90%負(fù)荷下運(yùn)行，這在調(diào)研數(shù)據(jù)中得到了印證。為了體現(xiàn)“營運(yùn)”的特征，以便科學(xué)、合理地進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，最終評(píng)定營運(yùn)船舶的主機(jī)能效和碳排放水平，項(xiàng)目組將營運(yùn)功率作為采集數(shù)據(jù)和計(jì)算主機(jī)能效指標(biāo)的約束條件。

圖1 5S60ME-C8.5型主推進(jìn)柴油機(jī)燃油消耗率曲線Fig.1 SFOC curves of 5S60ME-C8.5 main propulsion diesel engines

本文所提方法將船舶主推進(jìn)柴油機(jī)營運(yùn)燃油消耗率作為船舶主機(jī)的能效指標(biāo)，即船舶主推進(jìn)柴油機(jī)在90%負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，利用柴油機(jī)單位時(shí)間內(nèi)消耗的燃油質(zhì)量與輸出有效功率的比值來評(píng)定船舶主推進(jìn)柴油機(jī)的能效狀況。營運(yùn)燃油消耗率的計(jì)算式為

式中：M為單位時(shí)間內(nèi)消耗的燃油質(zhì)量，kg/h；gy為主機(jī)的營運(yùn)燃油消耗率，g（/kW·h）；Ny為主推進(jìn)柴油機(jī)的有效功率，kW。其中，M可由質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量出耗油質(zhì)量或體積流量計(jì)測(cè)量出耗油體積后計(jì)算得到，Ny則由扭力計(jì)測(cè)出的扭矩值和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算得到。

2.2 各級(jí)能效劃分閾值的計(jì)算方法

在計(jì)算主推進(jìn)柴油機(jī)能效等級(jí)劃分閾值時(shí)，關(guān)鍵是要確定能效等級(jí)劃分閾值的偏離系數(shù)η，即能效偏離系數(shù)，并按下式計(jì)算：

式中，ge為額定燃油消耗率，g（/kW·h）。將營運(yùn)功率下實(shí)驗(yàn)所得的各數(shù)據(jù)值計(jì)算后代入式（1），可得各主機(jī)的營運(yùn)燃油消耗率gy。將主機(jī)的gy和ge值代入式（2），可得每臺(tái)主推進(jìn)柴油機(jī)的能效偏離系數(shù)。表1所示為部分主機(jī)參數(shù)和能效偏離系數(shù)。

本文參考《交通運(yùn)輸行業(yè)能效、二氧化碳排放強(qiáng)度等級(jí)及評(píng)定方法通則》和交通部對(duì)能耗設(shè)備能效劃分的一般原則，將營運(yùn)船舶主機(jī)的能效等級(jí)劃分為3級(jí)。1，2，3級(jí)的主機(jī)占被調(diào)研主機(jī)總數(shù)的比例分別指前15%、中間70%和后15%。

在被調(diào)研的110艘營運(yùn)船舶（推進(jìn)方式為單機(jī)單槳）主機(jī)中，將能效水平排在前17位的主機(jī)劃分為1級(jí)能效，其在所有調(diào)研營運(yùn)船舶主機(jī)中占比15.5%；將能效水平排在中間77位的主機(jī)劃分為2級(jí)能效，占比70%；將能效水平排在后16位的主機(jī)劃分為3級(jí)能效，占比14.5%。定義η1為1，2級(jí)能效等級(jí)劃分閾值的偏離系數(shù)，即為調(diào)研后最終確定為1級(jí)能效的主機(jī)中最差能效水平主機(jī)的偏離系數(shù)值1.97%；定義η2為2，3級(jí)能效等級(jí)劃分閾值的偏離系數(shù)，即為調(diào)研后最終確定為2級(jí)能效的主機(jī)中最差能效水平主機(jī)的偏離系數(shù)值7.72%。考慮到儀器設(shè)備測(cè)量誤差等因素對(duì)數(shù)值具有一定影響，本文將η1，η2的值分別定為2%和8%。由此，按下式可計(jì)算得到營運(yùn)船舶的主推進(jìn)柴油機(jī)各能效等級(jí)劃分閾值。

表1 調(diào)研的營運(yùn)船舶主機(jī)燃油消耗率及能效偏離系數(shù)Table 1 SFOC and energy efficiency deviation coefficients of operation ships'main engines in survey

式中：g1為1，2級(jí)能效等級(jí)劃分閾值，g（/kW·h）；g2為2，3級(jí)能效等級(jí)劃分閾值，g（/kW·h）。

2.3 能效等級(jí)的確定

本文將船舶的主推進(jìn)柴油機(jī)營運(yùn)燃油消耗率gy與該型柴油機(jī)的1，2級(jí)能效等級(jí)劃分閾值g1和2，3級(jí)能效等級(jí)劃分閾值g2進(jìn)行比較，即可確定主推進(jìn)柴油機(jī)的能效等級(jí)和碳排放強(qiáng)度。確定能效等級(jí)如下：1級(jí)為最高級(jí)，2級(jí)為平均級(jí)，3級(jí)為限定級(jí)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與計(jì)算分析

圖2所示為大連海事大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)船“育鯤”輪的主推進(jìn)柴油機(jī)，型號(hào)MAN 6S35MC，額定功率4 440 kW，額定油耗率188.1 g（/kW·h），實(shí)驗(yàn)開始時(shí)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間12 395 h。

在90%負(fù)荷設(shè)定條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，“育鯤”輪主推進(jìn)柴油機(jī)燃油消耗率受外部因素（例如，主機(jī)的掃氣溫度、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力和燃油熱值）的影響很小。表2所示為上述因素給主推進(jìn)柴油機(jī)燃油消耗率帶來的影響，結(jié)果與文獻(xiàn)［13］和“育鯤”輪主機(jī)說明書描述的一致，即主機(jī)在營運(yùn)功率下，燃油消耗率波動(dòng)小。因此，將營運(yùn)船舶主機(jī)營運(yùn)燃油消耗率作為主機(jī)能效指標(biāo)是可行的。

圖2“育鯤”輪主推進(jìn)柴油機(jī)Fig.2 Main propulsion diesel engine of YUKUN ship

表2“育鯤”輪主推進(jìn)柴油機(jī)燃油消耗率與外部因素的關(guān)系Table 2 Relationship between SFOC of main engine in YUKUN ship and external factors

在營運(yùn)功率和使用臺(tái)架報(bào)告中規(guī)定的燃油條件下，“育鯤”輪主機(jī)的部分參數(shù)值如表3所示，其中扭矩值由扭矩測(cè)量?jī)x測(cè)出，燃油消耗質(zhì)量由精度為0.5級(jí)的流量計(jì)測(cè)量得出。此外，額定燃油消耗率ge由主機(jī)說明書查得。

表3“育鯤”輪主推進(jìn)柴油機(jī)能效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Main propulsion diesel engine energy efficiency test data of YUKUN ship

由表3數(shù)據(jù)及式（1）計(jì)算得出“育鯤”輪主推進(jìn)柴油機(jī)的營運(yùn)燃油消耗率gy=190.03 g（/kW·h）。將額定燃油消耗率ge和能效偏離系數(shù)η1的值代入式（3），得出該型主推進(jìn)柴油機(jī)的1，2級(jí)能效等級(jí)劃分閾值g1=191.86 g（/kW·h）。將額定燃油消耗率ge和能效偏離系數(shù)η2代入式（4），得出2，3級(jí)能效等級(jí)劃分閾值g2=203.15 g（/kW·h）。通過比較，得出“育鯤”輪主推進(jìn)柴油機(jī)的能效水平為1級(jí)能效，1級(jí)能效也代表了“育鯤“輪主機(jī)的碳排放強(qiáng)度狀況。

由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與計(jì)算分析可知：

1）主推進(jìn)柴油機(jī)的營運(yùn)燃油消耗率是船舶主機(jī)在營運(yùn)功率下工作時(shí)，輸出軸每輸出1 kW·h的有效功率所消耗的燃油量，即單位時(shí)間內(nèi)主機(jī)的燃油消耗質(zhì)量與輸出的有效功率之間的比值。營運(yùn)燃油消耗率作為主機(jī)的能效值，體現(xiàn)了“營運(yùn)”的特征，能夠有效且科學(xué)地反映主機(jī)的能效水平，在適用范圍內(nèi)符合“目標(biāo)性“和”合理性“要求。對(duì)于營運(yùn)船舶的主推進(jìn)柴油機(jī)來說，計(jì)算營運(yùn)有效燃油消耗率簡(jiǎn)單，且所需的數(shù)據(jù)較易獲得，故符合“可行性”要求。

2）主推進(jìn)柴油機(jī)的營運(yùn)燃油消耗率能有效反映營運(yùn)船舶主推進(jìn)柴油機(jī)的能效水平和碳排放強(qiáng)度情況，并通過數(shù)值來體現(xiàn)差異，可“縱向”地反映和評(píng)價(jià)“育鯤”輪柴油機(jī)在不同時(shí)期的主機(jī)狀態(tài)及能效水平，也可“橫向”地評(píng)價(jià)不同品牌主機(jī)的能效和碳排放水平，符合“系統(tǒng)性”的要求。

3）根據(jù)營運(yùn)船舶主推進(jìn)柴油機(jī)營運(yùn)燃油消耗率的變化及趨勢(shì)，可對(duì)“育鯤”輪主推進(jìn)柴油機(jī)在設(shè)計(jì)和管理等方面進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)。“育鯤”輪主推進(jìn)柴油機(jī)的能效等級(jí)客觀地反映了主機(jī)在管理水平、技術(shù)狀態(tài)、碳排放及節(jié)能方面的實(shí)際狀況，航運(yùn)公司可以此了解營運(yùn)船舶主推進(jìn)柴油機(jī)的能效特征及能效狀態(tài)，有針對(duì)性地開展管理工作，提升能效水平。此外，不同機(jī)型柴油機(jī)在長(zhǎng)期使用過程中性能的優(yōu)劣和實(shí)際的能效及碳排放強(qiáng)度可為新建船舶主機(jī)的選型提供參考。這些都符合“導(dǎo)向性”的要求。

本文針對(duì)“育鯤”輪主推進(jìn)柴油機(jī)的能效和碳排放強(qiáng)度的確定及等級(jí)的評(píng)定方法科學(xué)、合理且可操作性強(qiáng)，可為進(jìn)一步評(píng)定“育鯤”輪的能效和碳排放強(qiáng)度及等級(jí)打下基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

本文分析了營運(yùn)船舶主機(jī)能效和碳排放強(qiáng)度評(píng)定方法的難點(diǎn)，提出將船舶主推進(jìn)柴油機(jī)的營運(yùn)燃油消耗率作為船舶主機(jī)的能效指標(biāo)并確定了計(jì)算方法。通過計(jì)算，將營運(yùn)船舶主機(jī)劃分為3個(gè)能效等級(jí)，確定了各級(jí)能效等級(jí)劃分閾值的偏離系數(shù)及計(jì)算方法，通過將主推進(jìn)柴油機(jī)營運(yùn)燃油消耗率同該型柴油機(jī)的各級(jí)能效等級(jí)劃分閾值進(jìn)行比較來確定主機(jī)的能效等級(jí)。通過對(duì)實(shí)船能效實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算，得出如下結(jié)論：

1）“育鯤”輪（主機(jī)營運(yùn)油耗率為190.03g/kW·h）等營運(yùn)船舶主機(jī)的營運(yùn)燃油消耗率能夠合理反映營運(yùn)船舶主機(jī)的能效水平和碳排放強(qiáng)度，這與船舶EEOI的評(píng)價(jià)結(jié)論相一致。可見，能效水平和碳排放強(qiáng)度是可以通過計(jì)算獲得的，本文所用方法可以確定營運(yùn)船舶的主機(jī)能效值，計(jì)算方法科學(xué)。

2）所提出的主機(jī)能效和碳排放等級(jí)的評(píng)定方法符合交通部對(duì)能耗設(shè)備能效評(píng)定及等級(jí)劃分方法的一般性原則，方法科學(xué)、簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)。

3）所選能效指標(biāo)及能效等級(jí)評(píng)定方法在“目標(biāo)性”、“合理性”、“可行性”、“系統(tǒng)性”、“導(dǎo)向性”方面符合亞太能源中心的要求。

本文提出的評(píng)定方法使?fàn)I運(yùn)船舶的主機(jī)具備了可操作的、科學(xué)的能效評(píng)定手段和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究成果為航運(yùn)企業(yè)的節(jié)能減排、落實(shí)能效管理體系工作、為我國有效應(yīng)對(duì)國際海運(yùn)溫室氣體減排談判的嚴(yán)峻形勢(shì)，以及維護(hù)國家及行業(yè)利益提供了有力的技術(shù)支撐。