船舶能效營運(yùn)指數(shù)仿真建模

李可順， 劉伊凡， 孫培廷

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

船舶能效營運(yùn)指數(shù)仿真建模

李可順， 劉伊凡， 孫培廷

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

為更方便地研究船舶能效營運(yùn)指數(shù)(EEOI)的影響因素，以46 000 t油船為目標(biāo)船，將其頂浪直線航行時(shí)受到的影響因素按蒙特卡羅方法分為確定因素和隨機(jī)因素。通過運(yùn)用軟件對(duì)目標(biāo)船能效進(jìn)行仿真建模，獲得了EEOI隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算和分析海浪特征波高和船舶載重對(duì)EEOI的影響。結(jié)果表明，提高載貨率能夠直接提高船舶的EEOI；降低主機(jī)轉(zhuǎn)速也是有效降低船舶EEOI的方式，并且這種降低的效果會(huì)隨海浪特征波高的增大而減少。該方法對(duì)單船能效管理方案的制定具有一定的參考價(jià)值。

交通運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)學(xué)；船舶能效營運(yùn)指數(shù)；蒙特卡羅方法；隨機(jī)因素；仿真建模

水路運(yùn)輸作為環(huán)境友好型的運(yùn)輸方式，存在著能耗低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是全球貿(mào)易往來的主要方式，在節(jié)能減排方面起著重大作用，但是船舶營運(yùn)中帶來的污染日益受到人們的關(guān)注。經(jīng)過多年磋商,國際海事組織迄今為止對(duì)船舶溫室氣體減排主要提出了以下技術(shù)措施：對(duì)于新造船,實(shí)施強(qiáng)制性的新造船能效設(shè)計(jì)指數(shù);對(duì)于正在營運(yùn)的船舶,實(shí)施非強(qiáng)制性的能效營運(yùn)指數(shù)(Energy Efficiency Operation Indicator，EEOI)。[1-2]EEOI作為評(píng)價(jià)船舶CO2排放的標(biāo)準(zhǔn)。

EEOI最簡單的定義是每噸貨物每海里消耗的CO2量，適用于所有承擔(dān)運(yùn)輸工作的船舶。[3]對(duì)于一艘正在營運(yùn)的船舶，研究單個(gè)航次的難度在于影響能效的變量難以重復(fù)，如航線、排水體積、海況等。

因此，基于蒙特卡羅方法，采用仿真的手段研究單個(gè)航次的船舶能效是一種有效的方式。

1 船舶能效營運(yùn)指數(shù)影響因素理論分析

國際海事組織于2009年7月批準(zhǔn)了包括《能效營運(yùn)指數(shù)(EEOI)自愿使用導(dǎo)則》在內(nèi)的4個(gè)導(dǎo)則，并對(duì)一個(gè)航次的EEOI進(jìn)行了定義。[4-5]

(1)

式(1)中：j為燃油類型；FCj為一個(gè)航次某類燃油的消耗量；CFj為燃油j的燃油量與CO2量轉(zhuǎn)換系數(shù)；mcargo貨物為客船所載貨物(t)或所作的功(標(biāo)箱或乘客數(shù)量)或總噸，此處研究的目標(biāo)船為46 000 t成品油船，故采用t作為貨物單位；D為對(duì)應(yīng)于所載貨物或所作的功的距離(n mile)。

從式(1)可以看出EEOI是一個(gè)綜合型的數(shù)據(jù)，其計(jì)算參數(shù)包括船舶自身數(shù)據(jù)和船舶營運(yùn)數(shù)據(jù)兩部分。船舶自身數(shù)據(jù)主要是油耗數(shù)據(jù)，如各類燃油消耗、燃油的CO2排放因子；船舶營運(yùn)數(shù)據(jù)則包含貨物裝載量、航程等信息。

2 船舶能效營運(yùn)指數(shù)建模

選取的目標(biāo)船為無限航區(qū)46 000 t成品油船，總長182.8 m，設(shè)計(jì)吃水10.5 m，屬于大型靈便型油船；服務(wù)航速14.8 kn；主機(jī)型號(hào)為MAN B amp; W 6S50MC；主機(jī)額定功率為9 480 kW，額定轉(zhuǎn)速為127 r/min, 不包括臺(tái)架試驗(yàn)±5%誤差，其油耗率為171 g/(kW·h)；螺旋槳為定螺距槳。

根據(jù)蒙特卡羅方法，將影響EEOI的確定性因素和隨機(jī)性因素分開構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。[6]確定性因素包括：船體的幾何參數(shù)、螺旋槳的特性、主機(jī)的工作性能；不確定因素包括：目標(biāo)船的靜水阻力、波浪阻力。研究方法原理圖見圖1。

船舶能效系統(tǒng)的建立基于以下幾點(diǎn)基本假設(shè)。

1.在選擇的航程范圍內(nèi)，海況及波浪的統(tǒng)計(jì)特征基本不變。

2.只考慮船舶在做勻速直線運(yùn)動(dòng)的情況，忽略船舶在波浪影響下造成的橫搖和垂蕩。

3.將空氣阻力作為靜水阻力的一部分，不考慮在航行時(shí)風(fēng)對(duì)船舶的力的作用。

圖1 蒙特卡羅方法分析EEOI的原理圖

對(duì)于一艘確定的船舶來說，影響其正常航行時(shí)營運(yùn)能效水平的因素主要有3個(gè)方面[7]：

(1) 船舶自身因素：由于載貨量不同造成的船體水下形狀的變化、推進(jìn)系統(tǒng)的配合與運(yùn)行狀態(tài);

(2) 海況因素：浪高、波長;

(3) 人為操作因素：航線、航向、轉(zhuǎn)速設(shè)定等。

在此基礎(chǔ)上，利用軟件對(duì)船舶能效營運(yùn)指數(shù)系統(tǒng)建模(見圖2)。[8-9]

3 仿真結(jié)果及分析

3.1各特征波高EEOI的變化規(guī)律

由于隨機(jī)波浪力的作用，每次仿真得到的EEOI曲線都不相同。圖3為特征波高為3.25 m時(shí)，6次仿真得到的EEOI曲線。

圖2 船舶能效仿真模型

圖3 EEOI仿真曲線

從圖中可以看出，對(duì)于單條EEOI曲線，在隨機(jī)波浪的影響下，EEOI不斷波動(dòng)。在剛開始累計(jì)時(shí)，EEOI波動(dòng)較大；隨著仿真時(shí)間變長，EEOI逐漸穩(wěn)定，當(dāng)仿真時(shí)間超過一定時(shí)間時(shí)，基本穩(wěn)定，并在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。而在多次仿真之后可以看出，在仿真的前1 000 s EEOI曲線非常分散，并且最大波動(dòng)范圍為8.15×10-6～8.35×10-6。隨著仿真時(shí)間的增長，6條曲線具有收斂趨勢。在仿真時(shí)間為10 000 s時(shí)，曲線波動(dòng)范圍收斂至8.294×10-6～8.301×10-6，基本穩(wěn)定。

為定量研究EEOI曲線的收斂速度，將轉(zhuǎn)速設(shè)定為n=115 r/min，進(jìn)行多次仿真，在步長500～10 000間取橫截樣集，并對(duì)每一橫截樣集求方差，將獲得的數(shù)據(jù)繪制成各特征波高下橫截樣集方差的變化曲線(見圖4)。

圖4 橫截樣集方差曲線

從各個(gè)特征波高仿真得到的EEOI曲線看，隨著波高增加，EEOI曲線收斂的速度減慢。在經(jīng)歷一段時(shí)間的仿真后，EEOI曲線會(huì)出現(xiàn)一段穩(wěn)定值。特征波高為5.00 m時(shí)，在仿真步長約5 000～8 000間出現(xiàn)了一段方差穩(wěn)定階段；特征波高為4.00 m時(shí)，也有一段方差穩(wěn)定段，但出現(xiàn)在仿真步長1 500～3 000間。在3.25 m和1.88 m時(shí)，方差曲線比較平緩，雖然3.25 m在步長500～3 000間出現(xiàn)了下降趨勢，但是整體降幅較小，可以認(rèn)為在1 000步長之后基本穩(wěn)定。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于：雖然模型的擾動(dòng)為隨機(jī)波浪力，但是隨機(jī)波浪力的整體數(shù)據(jù)具有一定統(tǒng)計(jì)特性，當(dāng)經(jīng)歷的隨機(jī)波浪力足夠多時(shí)，隨機(jī)樣本的統(tǒng)計(jì)特征接近概率模型的數(shù)字特征。因此，雖然每次仿真生成的EEOI曲線各不相同，但是都有收斂的趨勢。由于特征波高不同時(shí)波浪的周期也不同，因此在相同的仿真時(shí)間內(nèi)，仿真模型對(duì)隨機(jī)波浪的抽樣個(gè)數(shù)是不同的。當(dāng)特征波高為4.00 m時(shí)，波浪平均周期為7.72 s；而當(dāng)特征波高為5 m時(shí)，波浪平均周期為8.63 s。故在相同時(shí)間內(nèi)，特征波高小的情況下，隨機(jī)抽樣的數(shù)量越多，EEOI曲線就更快地趨于穩(wěn)定。

因此，在船舶航行策略不變(主機(jī)轉(zhuǎn)速和船舶航向)且海況穩(wěn)定條件下，可對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的EEOI值進(jìn)行計(jì)算，用以估算當(dāng)前航行策略下的EEOI。從圖4可以看出，在特征波高lt;4.00 m時(shí)，可根據(jù)1 h的EEOI統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行估算，當(dāng)特征波高為5.00 m時(shí)，需要2～3 h的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行估算。

3.2特征波高對(duì)EEOI的影響

特征波高是表明海況的參數(shù)，對(duì)船舶EEOI有重大影響，當(dāng)船舶順浪時(shí)能有效地降低主機(jī)功率和燃油消耗，從而降低EEOI；在頂浪航行時(shí)，必然會(huì)造成阻力增大，從而導(dǎo)致EEOI升高。圖5為不同轉(zhuǎn)速下EEOI隨特征波高的變化曲線。

圖5 各主機(jī)轉(zhuǎn)速EEOI隨特征波高變化曲線

從圖中可以看出，隨著特征波高增加，EEOI也隨之增長。在轉(zhuǎn)速n=120 r/min的情況下，當(dāng)特征波高lt;3.25 m時(shí)，EEOI的增長較為平緩；當(dāng)特征波高gt;3.25 m時(shí)，EEOI隨著特征波高的增加而迅速增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速設(shè)定在115～127 r/min時(shí)，在特征波高gt;4.00 m時(shí)EEOI增加加快。在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，波浪的特征波高對(duì)EEOI的影響較轉(zhuǎn)速高的時(shí)候影響大；在主機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，特征波高的增加對(duì)EEOI的影響較小。

盡管特征波高在轉(zhuǎn)速較低時(shí)對(duì)EEOI的影響更大，但是從圖中可以看出，降低轉(zhuǎn)速能夠有效地降低EEOI。不同的是，在特征波高小時(shí)，降低轉(zhuǎn)速對(duì)EEOI的降低更加明顯和有效。在特征波高為1.88 m時(shí)，從額定轉(zhuǎn)速127 r/min降低至105 r/min，可以降低EEOI達(dá)28%；當(dāng)特征波高為4 m時(shí)，同樣降速，EEOI只降低6%。

3.3EEOI對(duì)船舶載重的敏感性分析

經(jīng)過對(duì)目標(biāo)船確定性因素中的船體因素進(jìn)行分析計(jì)算，求出目標(biāo)船在各載重情況下船型參數(shù)的變化情況。選取特征波高H=3.25 m，對(duì)目標(biāo)船各個(gè)載貨量下的EEOI進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖6。

圖6 特征波高為3.25 m各載貨率對(duì)應(yīng)的EEOI

由圖6可知，載貨量對(duì)EEOI也有較大影響，并且影響比較穩(wěn)定。這是因?yàn)镋EOI的計(jì)算公式中，分母包含貨物重量，當(dāng)載貨量降低時(shí)，會(huì)直接影響EEOI的計(jì)算結(jié)果；同時(shí)，由于載貨量降低，船舶水下體積減小，總阻力隨著航速的變化變得平緩，導(dǎo)致同等主機(jī)功率下船舶航速提升。兩個(gè)原因共同作于EEOI，導(dǎo)致了EEOI隨著載貨量的降低而升高。因此，提高載貨量也是降低EEOI的有效方法。根據(jù)EEOI的計(jì)算公式，載貨量每降低x%，EEOI就提高1/(1-x/100)，但由于載貨量降低會(huì)導(dǎo)致船舶在航速相同時(shí)的阻力降低，因此在載貨量降低x%的情況下的EEOI會(huì)比1/(1-x/100)時(shí)的略低。

3.4船舶降速對(duì)EEOI的影響

當(dāng)船舶采用降速的方式降低EEOI時(shí)，會(huì)導(dǎo)致航期增加。假設(shè)某航次航程為2 000 n mile，目標(biāo)船以不同航速航行會(huì)產(chǎn)生不同的航期。圖7為不同海況下航期和EEOI的曲線圖。

圖7顯示：在特征波高為1.88 m時(shí)，降速航行能夠顯著降低EEOI，航期僅增加1 d；而在波高為3.25 m和4.00 m時(shí)，曲線分為兩段：第一段為航期在11.5 d之前，此時(shí)延長航期能夠較為明顯地降低EEOI；而在11.5 d之后，航期增加對(duì)EEOI降低的效果并不明顯。如在波高為3.25 m的海況下，航期延長1 d，但是EEOI僅降低0.4×10-6。

圖7 不同海況下的航期和EEOI曲線

實(shí)際上，圖7提供了一種綜合航期和EEOI的權(quán)衡依據(jù)。營運(yùn)者根據(jù)航期EEOI間的關(guān)系，并結(jié)合運(yùn)送貨物的實(shí)際特性決定采用何種營運(yùn)策略(是保證航期還是優(yōu)先降低EEOI)。

4 結(jié) 語

結(jié)果顯示，海浪的特征波高、船舶的載貨量均對(duì)目標(biāo)船的EEOI有較大影響。載貨量對(duì)EEOI有直接影響，盡可能地保持滿載是降低EEOI最簡單、最直接的方法。降低主機(jī)轉(zhuǎn)速也是有效降低船舶EEOI的方式，并且降低效果隨海浪特征波高的增大而減少。主機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，特征波高對(duì)EEOI的影響非常顯著；而在主機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，EEOI整體升高，但此時(shí)波高對(duì)EEOI的影響較小。

以2 000 n mile的航次為例，給出了由于主機(jī)降速導(dǎo)致的航期變化和EEOI之間的關(guān)系曲線。該曲線可作為營運(yùn)者進(jìn)行決策的參考依據(jù)。

[1] 顏林. 國內(nèi)船舶能效營運(yùn)指數(shù)與CO2排放基線實(shí)船研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[2] 彭傳圣，李慶祥.船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)及其影響[J]. 航海技術(shù)，2010(5)：46-48.

[3] 史戰(zhàn)國. 風(fēng)帆助航船舶典型航線能效營運(yùn)指數(shù)研究[D]. 大連：大連海事大學(xué)， 2011.

[4] MEPC 59/Circ.684. Guidelines for Voluntary Use of the Ship Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI) [R].London: IMO, 2009.

[5] 倪駿愷. 船舶能效營運(yùn)指數(shù)研究[D].上海:上海交通大學(xué),2010.

[6] 尹增謙,管景峰,張曉宏，等. 蒙特卡羅方法及應(yīng)用[J]. 物理與工程,2002，12(3):45-49.

[7] 江濤. 內(nèi)河船舶能效的數(shù)學(xué)模型及算法研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[8] 吳重光.系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[9] 婁明山. 基于Simulink的工業(yè)過程實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)[D].長沙：中南大學(xué),2012.

ModelingandSimulationofShipEnergyEfficiencyOperationIndicator

LIKeshun,LIUYifan,SUNPeiting
(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

To study the influence factors of energy efficiency operation indicator (EEOI), an EEOI model is established with the aid software, taking a 46000-ton oil tanker as an example. The factors affecting EEOI are divided into determined factors and random factors by the Monte Carlo method. The curves of EEOI vs time are obtained and analysis of the influences of the characteristics wave height and load on EEOI is further made. Results show that improving the loading rate and reducing engine speed effectively improve the EEOI but the effect reduces as height of wave increases. The method helps in making energy efficiency management scheme.

traffic transport economics; ship efficiency operation index; Monte Carlo method; random factors; modeling and simulation

2014-01-02

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(3132013035)

李可順(1979-), 男,山東膠南人，副教授，博士生，主要從事現(xiàn)代輪機(jī)工程研究。E-mail：284975913@qq.com.

1000-4653(2014)02-0105-04

U676.3

A