EEDI實船驗證測量技術(shù)研究

任曉莉，林洪山

（廣州文沖船廠責(zé)任有限公司，廣東廣州 510727）

EEDI實船驗證測量技術(shù)研究

任曉莉，林洪山

（廣州文沖船廠責(zé)任有限公司，廣東廣州 510727）

本文主要描述了EEDI實船驗證測量過程中，燃油消耗量精準測量和浪高及波浪周期的精準測量的解決方法，為EEDI測量提供了可借鑒的實驗手段，供業(yè)界技術(shù)人員參考借鑒。

EEDI；流量計；燃油消耗；有義波高

0 引言

由于科技發(fā)展及擴大生產(chǎn)使CO2排放量日益增加，IMO國際海事組織針對CO2排放引起全球變暖日趨惡化的現(xiàn)象，從1997年開始逐年召開MEPC會議，來探討如何控制CO2的減排，合理設(shè)立減排目標，為延緩地球環(huán)境惡化做出努力。

1 EEDI發(fā)展歷程及定義

1.1 EEDI發(fā)展歷程

1997年IMO開始研究CO2排放，MEPC57提出新造船“CO2設(shè)計指數(shù)”和營運船“CO2排放指數(shù)”概念；

2008年10月召開的MEPC58將“CO2設(shè)計指數(shù)”概念改名為“能效設(shè)計指數(shù)EEDI”；

2009年7月召開MEPC59，以通函形式下發(fā)新造船 EEDI設(shè)計指數(shù)計算方法臨時導(dǎo)則；

2011年7月15號MEPC62屆討論的結(jié)果是：2013年1月1號開始對大于400GT的船舶強制實行MARPOL VI滿足EEDI要求，并分三個階段逐步提升EEDI的要求；

2012年3月2號MEPC63屆討論的結(jié)果是船舶能效管理計劃SEEMP，其中包括船舶能效運營指數(shù)EEOI的計算、能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）檢驗和發(fā)證，應(yīng)用于所有400GT以上新造船舶，客船不適用，工程船則由具體船旗國確定，該修正案于2013年1月1日默認生效。

對排放和減排不達標的造船廠或船東將實行超標買單的罰款[1]。至此，EEDI標準及實施要求就落實了，以后IMO將逐年提高標準并修正完善。

1.2 EEDI定義

IMO對EEDI定義了兩個數(shù)值，一個是這一類

船舶允許達到的EEDI基準線值（required EEDI baseline value），也就是該類船舶允許排放CO2的極限值；另一個是單船會達到的EEDI值（attained EEDI），即該船將會排放的CO2數(shù)值。這兩個值都是通過指數(shù)形式反映CO2排放數(shù)量的。

基準線公式是專家針對不同船型，通過大量的實船統(tǒng)計數(shù)據(jù)，應(yīng)用回歸分析的方法，歸納整理出的模擬的基準值計算公式。每艘船舶依據(jù)相應(yīng)船型的基準線值公式計算會得到一個基準線值；而根據(jù)船舶建造中各設(shè)備和設(shè)計的理論數(shù)據(jù)，可以計算得出本船即將達到的EEDI值，當(dāng)本船即將達到的EEDI值低于基準線值時，該船的設(shè)計就達到了環(huán)保要求。

EEDI：新造船能效設(shè)計指數(shù)（船舶性能指標）；EE Index=CO2排放量/運輸量；

EEOI：能效運營指數(shù)（記錄營運船的CO2排放數(shù)據(jù)）；

EEOI=燃油消耗量×碳排放系數(shù)/(單次運輸量×運輸距離)；單船基準線值：baseline value=a*DWT-c；指定船舶會達到的EEDI值的計算公式[2]：

其中：

為技術(shù)改進產(chǎn)生的減排（油耗節(jié)省量所對應(yīng)的CO2排放量）；

fi· Capacity· Vref·fw 為運輸量（載重噸，航速）。

PME：主柴油機推進功率（軸功率）；

CFME：主機燃油消耗量基于其含碳量轉(zhuǎn)換為CO2排放量的一個無量綱系數(shù)，碳轉(zhuǎn)換系數(shù)；

SFCME：每臺主柴油機單位燃油消耗量的功率加權(quán)平均值（標準的低熱值燃油42700kj/kg）；

PAE：指在為保障船舶在正常最大海況下以船速（Vref）和最大載運能力（capacity）營運所需的輔機功率；

CFAE：輔機燃油消耗量基于其含碳量轉(zhuǎn)換為CO2排放量的一個無量綱系數(shù)，碳轉(zhuǎn)換系數(shù)；

SFCAE：每臺輔柴油機單位燃油消耗量的功率加權(quán)平均值（標準的低熱值燃油42700kj/kg）；

PPTI：對于主機安裝了軸馬達的，軸馬達的額定功率消耗的75%除以發(fā)電機的加權(quán)平均效率；

fj：用于補償船舶特殊設(shè)計因素的修正系數(shù)（冰區(qū)加強，有推進冗余的穿梭油輪，其它特殊船舶）；

PAEeff：當(dāng)船舶在PME狀態(tài)下由于采用創(chuàng)新型電力能效技術(shù)而減少的輔機功率；

Peff：在75%主機功率下創(chuàng)新型能效技術(shù)用于推進的輸出功率；

fi：對capacity的修正系數(shù)；

Capcity：載運能力；

Vref：假定無風(fēng)無浪的氣象條件下，公式定義中的主機軸功率時以及公式定義中的載運能力capacity下的深水中的航速；

fw：是一個表示船舶在波高、浪頻和風(fēng)速的代表性海況（如蒲氏等級6）下的航速降低的無量綱系數(shù)。

1.3 目前業(yè)界存在的問題

1）針對不同船型，進一步完善精準公式，準確適用各類船型；

2）如何適當(dāng)選取相關(guān)系數(shù)，才能準確反映相關(guān)因素的貢獻值；

3）如何正確獲得公式中的數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)的權(quán)威性。

2 EEDI數(shù)值實船驗證測量問題的提出

從以上分析可以看出，IMO提出的兩個EEDI值都是理論計算得出的，而船舶實際是否能達到預(yù)計的將要達到的EEDI值還需要進一步的測量驗證。目前世界各大船級社和IMO國際海事組織，都沒有統(tǒng)一的標準的測量方法指南及測量體系。具體如何實施EEDI數(shù)據(jù)的測量還屬于各界研究的課題。單船會達到的EEDI值公式中涉及到的相關(guān)參數(shù)有：主輔機功率、耗油量、航速、載重噸位等。從上述指數(shù)公式中可以看出，EEDI基準線值主要是由船舶的載重噸確定的，也就是說相同載重噸的該類型的船舶基本都應(yīng)達到這個EEDI數(shù)值，它是對該類船舶的一個基本要求。而單船會達到的EEDI值反應(yīng)了該船CO2排放量指標及經(jīng)濟性能指標，通過船舶基本設(shè)計及設(shè)備參數(shù)的選取，可以計算出該船會達到的EEDI值。

交船試航時需要對單船會達到的EEDI值做修正性驗證。船級社再根據(jù)實驗及實驗報告，頒發(fā)相應(yīng)證書。由于試航時，風(fēng)浪、吃水、實時的船舶功率工況等都會影響到EEDI相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄和選取，如何科學(xué)、準確地獲得船舶運營過程中，相應(yīng)航速下功率，油耗的問題是值得船廠技術(shù)人員和船舶檢驗人員鉆研的課題。

3 EEDI數(shù)值實船驗證測量方法

我司經(jīng)過五年多EEDI跟蹤性研究，通過多艘集裝箱船和散貨船EEDI測量的研究摸索，不斷改進和汲取先進的測量方法，并自行研究測量工具和測量方法，獲取了科學(xué)準確的數(shù)據(jù)，取得了DNV GL、BV、CCS等世界著名船級社的認可，并取得了相關(guān)設(shè)備專利。

如CCS要求的驗證程序[3]（見圖1），本文探討的是試航階段的最終驗證中數(shù)據(jù)的準確獲取。

圖1 CCS的驗證程序

3.1 測量方法

我司目前采用的差分DGPS定位測速法準確獲取航速，風(fēng)速風(fēng)向儀獲取風(fēng)速，空船實驗獲取空船重量，吃水測量傳感器等均能獲取準確的載重噸數(shù)據(jù)，軸功率測量儀和轉(zhuǎn)速表獲取主輔機功率，這些方法都采用了精密的科學(xué)儀器，能科學(xué)準確地獲取相關(guān)數(shù)值，

目前船級社允許以船模試驗數(shù)據(jù)作為參考和驗證卷宗文件之一。為了與水池實驗數(shù)據(jù)相吻合，試航過程中也要做相應(yīng)的工況測試，其中尚未解決且非常重要的幾個參數(shù)，主要是：主機在75%MCR功率下單位燃油消耗量的檢測，輔機在50%MCR功率下單位燃油消耗量的檢測。為了準確校正航速，應(yīng)盡量準確獲取海浪周期和波高。

3.2 測量過程中解決的問題

1）航速測量中測波儀的引進

在以前的試航過程中，由于對波浪和波浪周期的測量要求不嚴格，大多是按有經(jīng)驗的船長來目測浪高和波浪周期的。但是EEDI要求的航速驗證對浪高和波浪周期，要能與水池實驗相對應(yīng)，準確的有義波高的獲取就顯得尤為重要，因此在測量過程中，我們租用了SZF型波浪浮標測波儀，從而保證了獲取準確的浪高和波浪周期數(shù)據(jù)。

該儀器能夠自動輸出有義波高，工作方式有定時測量、連續(xù)測量兩種。在定時測量方式中具有測量間隔3h（標準定時測量方式）和1h兩種狀態(tài)，測量間隔3h工作狀態(tài)應(yīng)能夠自動加密轉(zhuǎn)換成1h工作狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集間隔：0.5s；0.25s。（1）測量指標，見表1

表1 測量指標

（2）浮標內(nèi)波浪數(shù)據(jù)處理

波浪浮標在每次測量結(jié)束后，對波高、傾斜角、方位角的采樣數(shù)據(jù)進行處理，得到波浪特征值最大波高（HMAX）、平均波高（HMEAN）、有義波高（H1/3）和十分之一大波波高（H1/10）、及對應(yīng)的周期值（TMAX、TMEAN、T1/3、T1/10）和按16個方位角劃分的波向出現(xiàn)率。

（3）GPS定位功能

浮標內(nèi)裝有GPS定位接收機。GPS接收機每小時一次自動接收GPS衛(wèi)星系統(tǒng)對浮標的位置定位數(shù)據(jù)并發(fā)射定位數(shù)據(jù)。當(dāng)浮標移位時，將啟動報警聲訊器。

（4）接收處理機數(shù)據(jù)接收、存儲和傳輸

接收處理機具有數(shù)據(jù)接收、打印、存儲和轉(zhuǎn)送功能。

微型打印機打印觀測時間（年、月、日、時、分），波浪統(tǒng)計特征值、波向出現(xiàn)率及浮標電池電壓值和GPS定位數(shù)據(jù)。

2）主輔機油耗的準確獲取

傳統(tǒng)做法是，在主機的進油口和回油口分別設(shè)置流量計，差值即為燃油消耗量。這樣就忽略了燃油的泄漏量，泄漏的燃油并沒有對CO2的產(chǎn)生有所貢獻，如果忽略不計泄漏量，其實是夸大了EEDI的數(shù)值，而且燃油的泄漏量其實是會占到燃油消耗量的0.3%，一個支線集裝箱船以42噸/天燃油量的船估計，被忽略的泄漏量就達到了0.2噸/天。

一般的燃油流量計需要一定的流體壓力，連續(xù)的流量方能正常工作，船用主機燃油泄漏量流量較低（1700TEU集裝箱船約5 l/h[4,5]），且泄漏的燃油壓力接近大氣壓力，如果燒重油時粘度大，流量計量困難，目前還沒有一種連續(xù)測量的流量計可以滿足該工況要求。為了準確計量泄漏量，我司研制了一種簡潔的脈沖式燃油泄漏測量流量計，能滿足低流量、低壓力、高粘度重油的流量測量，并獲得了相關(guān)專利。

測量原理是燃油流體流過一個小容器，容器裝滿后觸動一個安裝于容器上部的浮子開關(guān)，控制容器底部的電磁閥卸放容器中的燃油，若干秒后電磁閥自動關(guān)閉，開始第二次測量，不斷循環(huán)可滿足連續(xù)測量的要求，小容器的容積乘以浮子開關(guān)動作次數(shù)，再除以時間，用一個電子計數(shù)器就可以顯示流量。小容器外用蒸汽伴行管，可解決重油的高粘度問題。

本項目的創(chuàng)新點是用一個容器測量燃油流量的不連續(xù)測量自動轉(zhuǎn)換成連續(xù)的測量，解決了低壓、低流量燃油流量的計量問題。

3）EEDI及EEOI計算軟件的編制

在與國外有關(guān)公司的接觸過程中，了解到有公司已研制出EEDI數(shù)值驗證用實測計算軟件。我司也參考類似軟件，開發(fā)了相關(guān)軟件，運用傳感器、綜合測量的數(shù)據(jù)，實時計算并記錄船舶的EEDI和EEOI數(shù)值。EEDI計算所需的數(shù)據(jù)是采集的實時數(shù)據(jù)[6]，EEOI要求采集的數(shù)據(jù)是以時間軸為基礎(chǔ)的積累數(shù)據(jù)，記錄不同季節(jié)，不同航線上相關(guān)載重噸，航速對應(yīng)的油耗、SOx、NOx、航行路線等，并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)桨渡洗肮究偛?。軟件界面如圖2所示。

圖2 軟件界面

船舶公司通過EEDI和EEOI數(shù)據(jù)分析和積累，科學(xué)地制定相關(guān)航線的航速來規(guī)范船員的操作習(xí)慣，控制船舶的燃油用量，從而最大限度地提高船隊運營效益，為船舶公司的科學(xué)運營起到了良好的指導(dǎo)和借鑒作用。

目前，我司采用的測量方法、測量儀器已通過船級社認可，還有計算軟件尚需通過船級社驗證，之后一套完整的EEDI測量套盒就可以申請產(chǎn)品認證，從而獲得產(chǎn)品證書。

4 測量方法的實際應(yīng)用意義

在測量過程中，傳感器的正確布置、各測量點的數(shù)據(jù)搜集和傳輸，使快速獲取EEDI數(shù)值成為可能，同時也獲取了相關(guān)的EEOI數(shù)據(jù)，為以后的碳排放及交易做出了準備。

在測量過程中，各種測量方法、儀器的運用、各種數(shù)據(jù)的采集，給船東和船廠提供了更加準確體現(xiàn)船舶狀況的信息，拓寬了船舶監(jiān)控信息的準確獲取方法。

以前從未使用過的儀器在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，雖然增加了行業(yè)的復(fù)雜程度，但提高了船舶運營監(jiān)控的精準程度，使船舶管理更趨于科學(xué)化、現(xiàn)代化。

正確使用和研發(fā)測量儀器是離散數(shù)據(jù)采集的必要手段，而軟件的研發(fā)將離散數(shù)據(jù)有機整合，在該課題的攻關(guān)過程中，將離散的數(shù)據(jù)整合為有效的分析數(shù)據(jù)庫，該系統(tǒng)測量方法可以為以后測量課題提供有益的借鑒。

[1] IMO MEPC.214（63）號決議. 2012年EEDI檢驗與認證導(dǎo)則, 2013.

[2] IMO MEPC212(63)號決議. 2012年達到的EEDI值（Attained EEDI）計算導(dǎo)則, 2013.

[3] CCS中國船級社. 船舶能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）指南, 2012.

[4] MAN B&W S60ME-C8-TII PROJECT GUIDE, 2014.

[5] L28/32H Gensets PROJECT GUIDE, 2014.

[6] CCS中國船級社. 船舶能量消耗分布與節(jié)能指南, 2014.

Study of EEDI Real Ship Verification Measuring Technology

Ren Xiao-li, Lin Hong-shan
(Guangzhou Wenchong Shipyard Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510727, China)

The article describes the accurate measurement of the fuel oil consumption and the sea wave for EEDI real ship verification measurement. It provides the referent test method for EEDI measurement to shipbuilding technicians.

EEDI; flow meter; fuel oil consumption; significant wave high

U671.99

A

10.14141/j.31-1981.2015.03.016

新能源生產(chǎn)過程中的高效節(jié)能降耗技術(shù)，廣州市黃埔區(qū)產(chǎn)學(xué)研科技攻關(guān)項目（編號：201352）。

任曉莉（1969-），女，高級工程師，研究方向：船舶輪機系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計，國際海事公約規(guī)范規(guī)則。