大型集裝箱船能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)仿真研究

周 科，陳 輝，管 聰

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

大型集裝箱船能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)仿真研究

周 科，陳 輝，管 聰

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

為應(yīng)對(duì)IMO提出的日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，降低船舶EEOI值，本文分析了EEOI的數(shù)學(xué)計(jì)算公式以及簡(jiǎn)化公式，并以某8063TEU大型集裝箱船為目標(biāo)船，基于MATLAB/Simulink建立了船舶能效系統(tǒng)的仿真模型。通過(guò)仿真研究，分析了船舶航速、航期、載貨量、航程對(duì)船舶EEOI的影響，同時(shí)研究分析了EEOI對(duì)航速、載貨量、航程變化的敏感性。結(jié)果表明隨著航期的增加船舶EEOI逐漸減??；EEOI對(duì)航速的敏感性最高，對(duì)載貨量的敏感性其次，而對(duì)航程的敏感性較低；降低主機(jī)工作負(fù)荷從而降低航速，以及提高船舶載貨量都能有效降低船舶EEOI值，而增加航程則對(duì)降低EEOI值效果不明顯。

船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)；船舶能效系統(tǒng)；仿真模型；敏感性分析

0 引 言

隨著全球?qū)厥覛怏w排放問(wèn)題的愈發(fā)重視，作為溫室氣體排放大戶的航運(yùn)業(yè)，將承受越來(lái)越大的壓力。為促進(jìn)船舶節(jié)能和減少溫室氣體的排放，國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）提出船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，EEDI）、船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)（Energy Efficiency Operation Indicator，EEOI）、建立碳排放市場(chǎng)機(jī)制等3項(xiàng)關(guān)鍵控制措施。其中EEOI主要針對(duì)營(yíng)運(yùn)船舶，強(qiáng)制要求營(yíng)運(yùn)船舶建立、實(shí)施和保持船舶能效管理計(jì)劃。船舶能效管理計(jì)劃為航運(yùn)企業(yè)提供了船舶營(yíng)運(yùn)能效指數(shù)EEOI作為監(jiān)測(cè)手段，用來(lái)評(píng)估營(yíng)運(yùn)船舶CO2排放水平，并為今后制定營(yíng)運(yùn)船舶的CO2排放基線做準(zhǔn)備[1,2]。

目前研究EEOI主要有2種方法，一種是基于實(shí)際營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果對(duì)EEOI進(jìn)行改善；另一種則是基于理論分析建立船舶能效營(yíng)運(yùn)模型，通過(guò)計(jì)算分析對(duì)EEOI提出改善方向和意見(jiàn)。建立合適的船舶能效營(yíng)運(yùn)模型對(duì)EEOI影響因素和因素對(duì)EEOI影響大小進(jìn)行分析研究，具有實(shí)際意義。

1 船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)數(shù)學(xué)建模

船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)（EEOI）被定義為船舶單位運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量的CO2排放值，是船舶營(yíng)運(yùn)能效具有代表性的值[3]。EEOI是國(guó)際統(tǒng)一的營(yíng)運(yùn)船舶能效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，能夠協(xié)助船東、船舶經(jīng)營(yíng)者和相關(guān)單位及組織評(píng)估其船隊(duì)在實(shí)際營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的CO2排放性能。根據(jù)《船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)（EEOI）自愿使用導(dǎo)則》[4]對(duì)一個(gè)航次的EEOI定義如下：

式中：j為燃油類型；FCj為在航程中燃油j的消耗總量，t；CFj為燃油j的燃油量與CO2排放量的轉(zhuǎn)換系數(shù)，即CO2排放因子，指每消耗1噸j燃油排放的CO2質(zhì)量，t（CO2）/t（燃油）；mcargo為載貨量，t，視情況而定；D為航程，船舶載貨航行的距離，n mile。

在船舶航行過(guò)程中，可能?？慷鄠€(gè)中途港，在每個(gè)港口進(jìn)行裝卸作業(yè)，進(jìn)而載貨量發(fā)生變化[5]。船舶在航行的一段時(shí)間內(nèi)，一個(gè)航次被分為多個(gè)航段，式（1）只適用于一個(gè)航段，并不適用于整個(gè)航次的計(jì)算，則需將式（1）細(xì)化，引入航段變量i，則可以得到整個(gè)航次船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)EEOIvoyage的計(jì)算公式：

式中：i為航段序號(hào)；j為燃油類型；FCji為在i航段中燃油j的消耗總量，t；mcargo,i為航段i載貨量，t，視情況而定；Di為航段i的里程，船舶i航段載貨航行的距離，n mile。

由于不同航段船舶載貨量并不相同，為計(jì)算方便，引入載貨率因子R，定義如下：

則航段i載貨量mcargo,i可表示為：

那么可改寫EEOIvoyage公式如下：

其中：DWd為船舶設(shè)計(jì)載重量，t；Ri為航段i載貨率；Di為航段i船舶航行里程，n mile。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，一個(gè)航次中燃油總消耗量FC可分解為船舶主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐的油耗量。主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐燃油消耗分別約占總油耗量的87%，11%，2%。因此式（5）可以進(jìn)一步改寫為：

式中：FCM，ji為航段i主機(jī)油耗量，t；FCA，ji為航段i輔機(jī)油耗量，t；FCB，ji航段i鍋爐油耗量，t；CFME、CFAE、CFBE分別為主機(jī)使用燃油、輔機(jī)使用燃油、鍋爐使用燃油的CO2排放因子。

主機(jī)燃油消耗量FCM有計(jì)算公式：

式中：PM為主機(jī)功率，kW；SFCM為主機(jī)燃油消耗率，kg/（kWh）；TM為主機(jī)工作時(shí)間，h。

將式（7）代入式（6）得

根據(jù)EEOI的定義可以看出，EEOI值越小則表明船舶單位周轉(zhuǎn)量?jī)?nèi)排放的CO2越少，能耗越低，能效越高。根據(jù)EEOI的計(jì)算公式可以看出，EEOI是一個(gè)綜合型的數(shù)據(jù)，與船舶主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐燃油消耗以及各類燃油的CO2排放因子有關(guān)，與船舶設(shè)計(jì)載重量、船舶貨物裝載量、航程也有關(guān)。這些影響因素可以歸結(jié)為兩類：一類是船舶自身數(shù)據(jù)；一類是船舶營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)。營(yíng)運(yùn)中的船舶自身數(shù)據(jù)很難改變，而船舶營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)則相對(duì)容易調(diào)整和管理，下文將對(duì)船舶能效系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，分析研究船舶營(yíng)運(yùn)狀態(tài)對(duì)EEOI的影響。

2 大型集裝箱船能效系統(tǒng)仿真建模

現(xiàn)選取某8063 TEU集裝箱船為目標(biāo)船，其參數(shù)如表1所示。

目標(biāo)船舶設(shè)計(jì)航速為25 kn，所配備的主機(jī)為MAN 12K98ME-C型，最大持續(xù)功率為68 470 kW，最大持續(xù)轉(zhuǎn)速為104 rpm。

表 1 目標(biāo)船主要參數(shù)Tab. 1 The main parameters of the target ship

2.1 船舶能效系統(tǒng)主機(jī)模型

基于模塊化的建模思想在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了如圖1所示的船舶主機(jī)模型。柴油機(jī)系統(tǒng)劃分為壓氣機(jī)、空冷器、鼓風(fēng)機(jī)、掃氣箱、氣缸、排氣管、廢氣渦輪、負(fù)載以及調(diào)速器等子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)分別由不同的模塊表示。詳細(xì)的主機(jī)模型搭建及驗(yàn)證過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

圖 1 主機(jī)仿真模型Fig. 1 The main engine model

主機(jī)模型輸入量為主機(jī)轉(zhuǎn)速n，經(jīng)過(guò)模型計(jì)算，輸出量為主機(jī)輸出功率Peng，主機(jī)燃油消耗率SFCM。

2.2 船舶能效系統(tǒng)螺旋槳模型

主機(jī)模型中負(fù)載為螺旋槳，因此建立了螺旋槳的仿真模型，如圖2所示。

輸入量為螺旋槳轉(zhuǎn)速，以及表1中船體和螺旋槳相關(guān)參數(shù)，輸出量為船速和螺旋槳扭矩。其中螺旋槳的轉(zhuǎn)速由主機(jī)模型計(jì)算輸入給負(fù)載螺旋槳，螺旋槳扭矩反饋回軸系模塊。這樣搭建出一個(gè)完整的船、機(jī)、槳工作模型。

2.3 船舶能效系統(tǒng)EEOI計(jì)算模型

在船舶實(shí)際航行過(guò)程中，變化因素過(guò)多，為方便計(jì)算討論，假設(shè)目標(biāo)船以固定航速航行，環(huán)境因素不變，一個(gè)航次全程僅停靠出發(fā)港口和到達(dá)港口。目前集裝箱船用燃油類型幾乎均為HFO，而各類燃油CO2排放因子差別較小，因此將CO2排放全部基于HFO計(jì)算。查閱資料，HFO的CO2排放因子為3.114 4[8]。停港期間輔機(jī)和鍋爐仍在工作，船舶輔機(jī)和鍋爐的工作時(shí)間為航行時(shí)間和在港時(shí)間之和，則式（8）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

式中：PM，PA，PB分別為主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐的功率，kW；SFCM，SFCA，SFCB分別為主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐的燃油消耗率，kg/kW·h；tP為船舶在港時(shí)間，h；VS為船舶航速，kn。

圖 2 螺旋槳仿真模型Fig. 2 The propeller model

通過(guò)查閱目標(biāo)船資料，可知在整個(gè)航次周期即船舶航行和在崗期間，副機(jī)和鍋爐兩者的總油耗為平均18 t/d，從而建立EEOI計(jì)算模型如圖3所示。

圖 3 EEOI計(jì)算模型Fig. 3 The EEOI calculation model

2.4 船舶能效系統(tǒng)仿真模型

結(jié)合2.1～2.3，基于Matlab/Simulink搭建船舶能效仿真模型如圖4所示。將主機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速輸入至Nord schedule模塊，通過(guò)船、機(jī)、槳匹配模型得到相應(yīng)的航速，可通過(guò)在船舶相關(guān)變量輸入模塊中對(duì)載貨因子進(jìn)行調(diào)整修改對(duì)應(yīng)船舶載貨量，而船舶的航程則在EEOI計(jì)算模塊中進(jìn)行輸入。

圖 4 船舶能效仿真模型Fig. 4 The ship energy efficiency calculation model

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 航速對(duì)EEOI的影響

設(shè)定航程D為6 000 n mile，載貨率因子R分別取1，0.8，0.6，0.4時(shí)，研究了主機(jī)在100%到35%負(fù)荷變化時(shí)，大型集裝箱船舶航速VS與EEOI的關(guān)系，仿真曲線如圖5所示。

圖 5 航速VS與EEOI仿真曲線Fig. 5 The simulation of voyage speed and EEOI

對(duì)比分析4條曲線，當(dāng)固定橫坐標(biāo)時(shí)，同一主機(jī)負(fù)荷即在同一航速下，R取1時(shí)的EEOI值最小，R取0.4時(shí)的EEOI值最大，說(shuō)明同一航速下，載貨量越大EEOI值越小，船舶能效越高。

分別分析4條曲線，當(dāng)航程一定，主機(jī)負(fù)荷從100%負(fù)荷下降到35%負(fù)荷時(shí)，航速?gòu)?6.31 kn降到18.15 kn，載貨率 R 為 1 時(shí)，EEOI值從 11.46×10-6t/（t·nm）下降到 6.88×10-6t/（t·nm）；載貨率 R 為 0.8 時(shí)，EEOI值從 14.33×10-6t/（t·nm）下降到 8.6×10-6t/（t·nm）；載貨率 R 為 0.6 時(shí)，EEOI值從 19.1×10-6t/（t·nm）下降到 11.47×10-6t/（t·nm）；載貨率 R 為 0.4 時(shí)，EEOI值從 28.66×10-6t/（t·nm）下降到 17.2×10-6t/（t·nm）。4 條曲線變化趨勢(shì)一致，隨著航速的減小，船舶EEOI值也逐漸減小，航速與EEOI呈現(xiàn)高度的正相關(guān)性。

可以發(fā)現(xiàn)降低航速有利于降低船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)，但是降低航速會(huì)增加航運(yùn)周期。圖6顯示了不同載貨量時(shí)航期與EEOI的關(guān)系。

圖 6 航期與EEOI的仿真曲線Fig. 6 The simulation of sailing period and EEOI

從圖6中可以看出，隨著航期的增加，EEOI值逐漸減小。航運(yùn)公司可以根據(jù)航期和EEOI之間的關(guān)系，結(jié)合實(shí)際營(yíng)運(yùn)情況，來(lái)決定營(yíng)運(yùn)策略，優(yōu)先考慮降低EEOI值還是優(yōu)先保證航行周期。

3.2 載貨量對(duì)EEOI的影響

設(shè)定航程D為6 000 n mile，主機(jī)負(fù)荷分別為100%，80%，60%，40%時(shí)，研究不同載貨量情況下，即調(diào)整載貨率因子R，EEOI的變化情況，如圖7所示。

圖 7 載貨率R與EEOI仿真曲線Fig. 7 The simulation of full rate and EEOI

對(duì)比分析4條曲線，當(dāng)固定橫坐標(biāo)時(shí)，載貨率不變，船舶載貨量一定，主機(jī)分別在100%，80%，60%，40%負(fù)荷下工作的EEOI值依次減小，說(shuō)明隨著船舶航速降低，船舶EEOI值逐漸減小，與圖6分析結(jié)果一致。

分別分析4條曲線，當(dāng)航程一定，船舶載貨量逐漸減小，載貨率由1下降到0.35時(shí)，當(dāng)主機(jī)在100%負(fù)荷下工作時(shí)，船舶EEOI值從11.46×10-6t/（t·nm）升高到32.73×10-6t/（t·nm）；當(dāng)主機(jī)在80%負(fù)荷下工作時(shí)，船舶 EEOI值從 10.19×10-6t/（t·nm）升高到29.12×10-6t/（t·nm）；當(dāng)主機(jī)在60%負(fù)荷下工作時(shí)，船舶 EEOI值從 8.79×10-6t/（t·nm）升高到 25.12×10-6t/（t·nm）；當(dāng)主機(jī)在40%負(fù)荷下工作時(shí)，船舶EEOI值從 7.29×10-6t/（t·nm）升高到 20.82×10-6t/（t·nm）。4條曲線變化趨勢(shì)一致，隨著載貨量的增加，船舶EEOI值逐漸減小，載貨量與EEOI呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

當(dāng)載貨率從0.35增加到1時(shí)，船舶EEOI值有顯著降低，因此提高船舶載貨率，即增加載貨量，對(duì)降低船舶EEOI有明顯作用，同時(shí)這一措施也符合航運(yùn)公司的經(jīng)濟(jì)利益。

3.3 航程對(duì)EEOI的影響

設(shè)定主機(jī)在100%負(fù)荷下工作，轉(zhuǎn)速恒定不變，載貨量為滿載狀態(tài)，R取1，EEOI隨航程變化情況如圖8所示。

圖 8 航程D與EEOI仿真曲線Fig. 8 The simulation of voyage distance and EEOI

從圖中可以看出，在航速和載貨量不變時(shí)，航程為 2 100 n mile 時(shí)，EEOI值為 12.16×10-6t/（t·n mile）；航程為 6 000 n mile時(shí)，EEOI值為 11.46×10-6t/（t·n mile）。隨著航程的增加，船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)逐漸降低，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，但是航程的增加對(duì)EEOI的降低比較有限。

3.4 航速、載貨量、航程對(duì)EEOI影響對(duì)比

為了比較航速、載貨量、航程對(duì)EEOI影響的大小，設(shè)定目標(biāo)大型集裝箱船舶在VS=20 kn，D=6 000 n mile，R=70%的標(biāo)準(zhǔn)營(yíng)運(yùn)狀態(tài)，利用單因素敏感分析法，先設(shè)定2個(gè)參數(shù)不變，另一個(gè)參數(shù)在初始狀態(tài)的-30%～30%之間內(nèi)變化，每隔5%仿真計(jì)算得到一個(gè)EEOI值，并計(jì)算其與EEOI初始值的變化率，繪制敏感性曲線如圖9所示。

從圖中可以看出，航速在-30%～30%之間變化時(shí)，EEOI隨航速變化的變化率在-30.96%～44.73%之間，EEOI的變化率在0%～30%區(qū)間比在0%～-30%區(qū)間的更大，說(shuō)明EEOI對(duì)較高航速的變化比對(duì)較低航速的變化更為敏感；載貨量在-30%～30%之間變化時(shí)，EEOI隨載貨量變化的變化率在-23.04%～42.93%之間，EEOI的變化率在0%～30%區(qū)間比在0%～-30%區(qū)間的更小，說(shuō)明EEOI對(duì)較低載貨量的變化比對(duì)較高載貨量的變化更為敏感；航程在-30%～30%之間變化時(shí)，EEOI隨航程變化的變化率在-1.08%～2.07%之間，EEOI的變化率在整個(gè)區(qū)間內(nèi)都比較小。

圖 9 EEOI對(duì)航速、載貨量、航程的敏感性Fig. 9 Sensitivity of EEOI to voyage speed full rate and voyage distance

通過(guò)比較3個(gè)營(yíng)運(yùn)參數(shù)對(duì)EEOI的影響可以得出，航程在-30%～30%之間變化時(shí)，EEOI的變化率很小，EEOI的值增加和減少的很小，幾乎不變，EEOI對(duì)航程變化的敏感性較低；載貨量在-30%～30%之間變化時(shí)，EEOI的變化率較大，EEOI值增加和減少的較大，EEOI對(duì)載貨量變化的敏感性較高；航速在-30%～30%之間變化時(shí)，EEOI的變化率最大，EEOI的值增加和減少的最大，說(shuō)明EEOI對(duì)載貨量變化的敏感性最高。因此增加航程對(duì)降低EEOI值并沒(méi)有明顯效果，而降低航速，增加載貨量，則是提高船舶能效水平，降低EEOI值的有效手段。降低航速，減少油耗，增加載貨量，提高運(yùn)輸效率，既符合環(huán)境效益又符合航運(yùn)公司經(jīng)濟(jì)利益。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析推導(dǎo)EEOI計(jì)算公式，發(fā)現(xiàn)航速、載貨量、航程均能影響大型集裝箱船舶EEOI值。通過(guò)建立船舶能效系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示航速變化對(duì)EEOI值影響最大，載貨量變化其次，航程變化最小。通過(guò)降低船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)降低航速，以及增加船舶載貨量是有效降低船舶EEOI的措施，增加航程能一定程度降低EEOI值，雖影響有限，但是為大型集裝箱船舶規(guī)劃最佳航線仍然十分必要，不僅要考慮經(jīng)濟(jì)性還要考慮到安全性。其中降低航速導(dǎo)致的航期增加，文章給出了航期與EEOI的變化曲線，航運(yùn)公司可結(jié)合實(shí)際情況，優(yōu)先保證航行周期還是降低船舶EEOI。

[1]李可順, 劉伊凡, 孫培廷. 船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)仿真建模[J]. 中國(guó)航海, 2014, 02: 105-108, 121.LI Ke-shun, LIU Yi-fan, SUN Pei-ting. Modeling and simulation of ship energy efficiency operation indicator[J].Navigation of China, 2014, 02: 105-108, 121.

[2]孫聲遠(yuǎn). 船舶能效管理計(jì)劃及其管理措施和技術(shù)措施[J]. 航海技術(shù), 2013, 02: 59-61.SUN Sheng-yuan. Ship energy efficiency management plan and its management measures and technical measures[J]. Marine Technology, 2013, 02: 59-61.

[3]張劍. 基于縱傾優(yōu)化的船舶能效研究[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2015.

[4]MEPC 59/Circ. 684. Guidelines for voluntary use of the ship energy efficiency operational indicator (EEOI) [R]. London:IMO, 2009. 8.

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

[6]International Maritime Organization. Prevention of air pollution from ships, second IMO GHG study 2009[R]. London: IMO,2009.

[7]GUAN C, THEOTOKATOS G, ZHOU P L, CHEN H.Computational investigation of a large containership propulsion engine operation at slow steaming conditions[J]. Applied Energy, 2014, 130: 370-383.

[8]倪俊凱. 船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué),2010.NI Jun-kai. Research on ship energy efficiency operational indicator[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2010.

Computational analysis of a large containership energy efficiency operation indicator

ZHOU Ke, CHEN Hui, GUAN Cong
(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

With the stringent emission regulation proposed by IMO, this paper analyzed the EEOI formula and the simplified one in order to find a way to reduce the respective EEOI value of the ship. Taking one 8063TEU containership as the target ship, the ship energy efficiency system model was built in MATLAB/Simulink environment. The impact of the voyage speed, the sailing period, the full rate as well as voyage distance on the EEOI were analyzed through the simulation, respectively. Additionally, the research investigated the sensibility of the voyage speed, the cargo capacity and the voyage distance by the EEOI. The study indicates that the EEOI decreases as the rise of the sailing period. Besides that the EEOI has the most impact on the voyage speed sensibility, and the cargo capacity is less influenced whereas it has the least effect on the voyage distance. The lower load of the main engine leading to the corresponding decline of the voyage speed and the growth of the cargo capacity will reduce the EEOI value effectively. However, the increase of the voyage distance does not have a sparkling effect on the reduction of the EEOI.

ship energy efficiency operation indicator；ship energy efficiency system；modeling and simulation；sensitivity analysis

U664.121.1

A

1672-7649(2017)11-0169-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.032

2016-09-05；

2016-09-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51579200)

周科(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇拜啓C(jī)系統(tǒng)仿真及控制技術(shù)。