船舶CO2排放水平的能效评估方法研究

2011-07-23朱永峨温苗苗

船舶与海洋工程 2011年3期

朱永峨，孙武，温苗苗

（上海规范研究所，上海 200135）

0 引言

目前，国际海事组织（IMO）提出的新造船能效设计指数公式，其原理是根据CO2排放量和货运能力的比值来表征船舶的能效，并通过对现有船的统计分析设立排放基线，在基线的基础上对新造船能效进行控制。要求新船设计遵循一个时间表，逐步使未来船舶的能效和CO2排放较现阶段有明显的改进。能效设计指数公式目前经过海洋环境保护委员会（MEPC57）、温室气体（GHG）奥斯陆会议期间对MEPC58和MEPC59的讨论，已提出了能效设计指数公式的临时计算导则，在GHG伦敦会议上又进行了相应的修订。MEPC60会议决定将能效设计指数/船舶能效管理计划（EEDI/SEEMP）作为强制性要求纳入防止船舶造成污染公约（MARPOL）附则VI框架内，制定了MARPOL附则 VI框架内的文本框架草案，目前还在进一步讨论、研究以及验证。

提高船舶能效与减少温室气体排放现已成为不可分割的概念。今后，节能减排首先要从船舶设计阶段抓起，一方面国家宏观上将强制实施节能减排政策，另一方面，航运企业和船舶设计单位也要对船舶的节能减排效果进行自我评估。为达到这个目标，IMO 关于EEDI基线公式的制定成为节能减排的关键问题。然而，由于种种原因，EEDI基线公式目前尚未正式确定。

为提供一个现阶段可用的反映新设计船能效和CO2减排的评估方法，本文提出了直接基于船舶能效数据库样本数据的新船能效设计指数EEDI基本值（即EEDI最低水准）的确定方法，用于新设计船实际EEDI相对于基本值（最低水准）的比较。该方法相应要求建立我国国际航行船舶和国内航行船舶的船舶能效数据库，且该数据库应是处于持续的动态管理及更新之中。

按照MEPC.1/Cric.681通函给出的新船能效设计指数EEDI公式，船舶初步设计阶段，往往不可能较快确定除主机以外的辅机及其他机电设备和EEDI公式中的各个系数，为此，基于运输船舶的主机功率占全船总功率的绝大部分的现实，本文推荐一个仅涉及主机参数的简化的能效公式，用以初步设计阶段能效的评估。

1 IMO能效标准及EEDI基线公式[1]

IMO能效标准由3个参数构成：EEDI标准值（EEDIreq）、EEDI基线值（EEDIbas）、折减系数（X）。船舶实际的EEDI值（EEDIatt）应等于或小于要求的EEDI标准值，并且要求的EEDI标准值应通过EEDI基线值和折减系数来确定，即：

随着时间的推移，折减系数X将每隔5年上调一次，EEDI标准值（EEDIreq）将随之下降。

目前IMO能效标准的适用船型、船舶尺度、折减系数X已基本确定，实施的目标年限及EEDI基线值有待进一步讨论通过。目前 IMO暂时规定的EEDI基线的确定方法[2]如下：

1)采用劳氏船级社LRFP数据库中自1999年1月1日至2009年1月1日10年间建造的船舶来确定EEDI平均水平，即EEDI基线（baseline）。

2)对EEDI基线用下述表达公式表示：

式中：a、c——常数；capacity——最大设计装载工况：① 对干货船、液货船、气体运输船、集装箱船、滚装货船（包括车辆运输船、容积货运输船、重量货运输船）和普通货船，用载重吨dwt表示；② 对客船和客滚船，用总吨gt表示；③ 对集装箱船，capacity参数以65%dwt表示。

3)计算EEDI基线的EEDI简化公式如下：

式中：EEDIest——用于计算EEDI基线的样本值；

PME——主机功率，kW；

PAE——辅机功率，kW；

Vref——船舶航速，kn。

根据上述方法，通过回归计算得到3大船型的EEDI基线，如图1～3所示。由图可知，液货船样本分布最接近于幂函数，其EEDI基线方程相关系数较高（R2=0.9516）；而集装箱船样本分布离散程度较高，基线方程相关系数较低，并不适合采用幂函数进行回归拟合。

图1 液货船EEDI基线

图2 散货船EEDI基线

图3 集装箱船EEDI基线

EEDI基线代表的是整个载重吨范围内船舶EEDI值的平均水平（整个载重吨范围内约 50%的样本位于基线之下），由于样本在整个载重吨范围内并不是均匀分布，且其中部分载重吨区间内的样本不服从以船舶载重吨为自变量的幂函数分布，因此采用整体样本回归得到的 EEDI基线并不能表征某些载重吨区间内的平均水平，如图4所示。以散货船为例，长期以来，基于市场需求和航道、港口的实际情况，船宽受运河的限制、船长和吃水受港口码头的限制，形成了各具特点的船型，如：灵便型、巴拿马型和好望角型等散货船。反映在EEDI统计数据上，这些船舶的数据分别呈“团状”出现在基线的上下。具体来说，灵便型散货船若采用整体样本回归得到的EEDI基线作为标准，大部分船将被淘汰；而对于巴拿马型散货船，仅有小部分被淘汰；至于好望角型散货船，也将有大部分被淘汰；但对大于200000dwt的散货船，将全部被淘汰。这显然是不合理的，每一类船型的存在都与其航线、经济用途等有关，其在载重吨区间内的分布有一定的规律性（在某个载重吨范围内集中分布），采用整体样本回归得到EEDI基线的方法很可能将某一类船舶大部分淘汰，不利于这类船舶的发展（如灵便型散货船、好望角型散货船）。

经统计分析，折减系数对3大船型的影响如表1所示。EEDI基线值降低10%（X=10）时，3大船型中将有 80%以上的船舶不满足要求；EEDI基线值降低30%（X=30）时，3大船型中仅有不足1%的船舶满足要求。IMO提出的折减系数，旨在不断提高船舶的能效，减少CO2排放，但折减系数的选取应综合考虑造船技术的发展和节能减排技术的普及，否则确定折减系数没有意义。

综上所述，IMO暂行的EEDI基线确定方法存在一定的局限性，为此文中提出了一种简单易行的能效评估方法，避免了IMO EEDI基线对不同船型“一刀切”的不合理性，可作为IMO能效标准实施之前的替代方法，也可用于离散度较大的国内船舶的能效评估。

图4 散货船部分载重吨区间内的样本分布

表1 样本船舶符合率

2 直接基于数据库的EEDI评估方法

鉴于在IMO颁布强制性EEDI基线公式之前，如何评估新设计船舶的能效和减排水平是一个急需解决的问题。以下提出直接基于数据库样本得出新船能效设计指数EEDI基本值的方法，用于现阶段替代上述IMO EEDI基线公式。具体实施如下：

2.1 数据库的建立

根据 IMO新设计船舶的能效指数定义，按照船舶类型，收集现有船舶数据，建立EEDI数据库。

2.2 样本区间的划分

对评估的某一实际船舶，取该船舶载重吨一定区间范围中的船舶EEDI数据进行统计分析和比较。分区间进行统计和分析是该评估方法的基础。

实际应用时，在样本量足够（≥10）的情况下，为使设计船舶的EEDI能够与样本船的EEDI基本值相比较，载重吨选取范围应尽可能小，建议范围为：下限为0.8～0.9倍设计载重吨，上限为1.1～1.2倍设计载重吨。

2.3 EEDI标准值的确定

采用排序法确定EEDI标准值（EEDIreq），船舶实际的EEDI值应等于或小于要求的EEDI标准值。确定EEDI标准值的方法如下：

1)对划分区间内的样本（样本量=N）进行排序；

2)若N为偶数，取排序后的第N/2个EEDI值（EEDIN/2）和第N/2+1个EEDI值（EEDIN/2+1）的平均值为EEDI标准值；

3)若N为奇数，取排序后的第（N+1）/2个EEDI值（EEDI(N+1)/2）为EEDI标准值。

通过上述方法得到的EEDI标准值代表该样本区间内EEDI的平均水平，该标准值将所选区间中的样本量一分为二，即保证所取样本中有50%的样本（较大EEDI）被淘汰，50%的样本（较小EEDI）符合标准。与 IMOEEDI基线确定方法相比，文中提出的EEDI标准值确定方法更加合理。

2.4 折减系数的替代方法

IMO折减系数的选取与造船水平的发展和节能减排技术的普及有关，确定合理的折减系数非常困难。文中采取动态数据库的方法代替折减系数，同样可达到合理下调EEDI标准值的目的。

每年的EEDI标准值采用前10年的EEDI数据库确定，如2010年标准值采用2000年1月1日至2010年1月1日期间建造船舶样本确定，2011年标准值采用2001年1月1日至2011年1月1日期间建造船舶样本确定，以此类推。随着对新造船的能效控制，数据库的样本将向更小的EEDI值集中，确定的EEDI标准值将越来越低，从而达到不断提高船舶能效水平，减少CO2排放的目的。

3 应用实例

以设计载重吨为5.4万t的灵便型散货船为例，通过上述方法得到的EEDI基准值如图5所示。采用IMO方法得到的EEDI基线公式，其相关系数极小，仅为0.0723，不适宜采用幂函数进行回归拟合；通过文中提出的排序法可快速确定表征样本平均水平的EEDI标准值。与IMO EEDI基线确定方法相比，文中提出的EEDI标准值确定方法更适用于离散度较大的样本。

图5 EEDI基准值的确定

4 基于主机参数的简化能效指数及其应用

IMO在MEPC.1/Cric.681通函[1]中定义了新船能效设计指数EEDI的计算公式：

式中：fj——用于补偿船舶特殊设计因素的修正系数；

SFCME、SFCAE——主机、辅机的单位燃油消耗，g/kWh；

CFME、CFAE——主机、辅机燃料的碳转换系数， gCO2/gfue；

PPTI——轴马达功率，kW；

PAEeff——当船舶在 PME状态下采用了创新型电力能效技术而减少的辅机功率，kW；

Peff——指由于采用了创新型机械式能效技术而减少的主机功率的75%，kW；

feff——反映创新型能效技术的修正系数；

fi——最大设计装载工况修正系数；

fw——航速修正系数。

在船舶初步设计阶段，不可能较快确定除主机以外的辅机及其他机电设备和EEDI公式中的各个系数，为此，给出一个简化的能效公式，用以指导初步设计阶段研究能效的提高。

基于主机参数的简化能效指数Is定义为：船舶单位运输量t·kn的CO2排放量g，如下式[3]所示：

式中：P——扣除轴带发电机功率后的主机总装机功率（最大连续输出，MCR），kW；

l——主机负荷，MCR的百分数；

SPC——主机规定负荷下的耗油率，g / kWh；

CF——燃油的碳因数，即单位质量燃油的CO2排放量， gCO2/gfue；

C——船舶载重量，t；

v——船舶给定载重量下的航速，kn。

在船舶初步设计阶段，相对于 IMO定义的EEDI计算公式，上述的简易公式可快速确定船舶的能效水平，评定新设计船相对母型船的能效，或评定新设计船模型试验改进能效的效果。如新船的Is小于母型船的Is，或模型试验得到的Is小于之前试验所得的Is，则表明所设计新船的能效好于母型船/原方案的能效。同时，通过简易公式得到的能效值与EEDI标准值（EEDIreq）比较，可快速确定新设计船能效（相对EEDI标准值）需改善的程度，为新设计船舶的能效优化指明方向。