基于船舶日志的船舶主機(jī)碳排放核查

薛樹業(yè)

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院、船舶能效數(shù)據(jù)中心，上海 201306）

0 引言

國際航運(yùn)碳減排是全球應(yīng)對氣候變化行動(dòng)的一個(gè)重要方面，而船舶碳排放相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、報(bào)告、核查是航運(yùn)碳減排的一項(xiàng)重要措施和基礎(chǔ)工作。國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（Marine Environment Protection Committee，MEPC）第76 屆會(huì)議通過的2021 年《防污公約》附則VI 修正案（第MEPC.328(76)號(hào)決議）規(guī)定的收集和報(bào)告船舶燃油消耗數(shù)據(jù)相關(guān)機(jī)制和我國的《船舶能耗數(shù)據(jù)收集管理辦法》已于2019 年1 月1 日起實(shí)施。

根據(jù)《防污公約》，主管機(jī)關(guān)須根據(jù)《2022 年船舶燃油消耗數(shù)據(jù)和營運(yùn)碳強(qiáng)度主管機(jī)關(guān)驗(yàn)證導(dǎo)則》（第MEPC.348（78）號(hào)決議）核查船舶報(bào)告的相關(guān)數(shù)據(jù)，而該導(dǎo)則提出為便于數(shù)據(jù)驗(yàn)證，主管機(jī)關(guān)可核查船舶官方日志等文件?！?022 年船舶能效管理計(jì)劃編制導(dǎo)則》（第MEPC.346（78）號(hào)決議）強(qiáng)烈建議（船舶）定期進(jìn)行碳排放監(jiān)測，以核查數(shù)據(jù)的一致性以及協(xié)助驗(yàn)證；應(yīng)使用每日報(bào)告（如中午報(bào)告）或更高頻率的數(shù)據(jù)來監(jiān)測船舶的燃料消耗等碳排放數(shù)據(jù)。船舶日志記錄了相關(guān)數(shù)據(jù)，因此可基于船舶日志來核查船舶每日或更高頻率的碳排放數(shù)據(jù)。

船舶主機(jī)作為主要的碳排放源，其碳排放數(shù)據(jù)的核查評(píng)估對整艘船舶至關(guān)重要。目前，船舶主機(jī)一般為主柴油機(jī)（以下統(tǒng)稱主機(jī)），因此，通過研究主機(jī)、螺旋槳的特性，基于航海日志和輪機(jī)日志等船舶日志記錄的船舶每日營運(yùn)參數(shù)，利用功率、油耗率之間的關(guān)系，估算船舶主機(jī)每日的油耗量等碳排放數(shù)據(jù)，結(jié)合船舶裝載、污底、深/淺水航區(qū)、窄水道、風(fēng)浪流等情況對船機(jī)槳配合的影響，判斷主機(jī)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)是否在工作范圍內(nèi)，可為評(píng)估船舶日志記錄的主機(jī)碳排放數(shù)據(jù)的合理性提供依據(jù)，供相關(guān)方參考。

1 主機(jī)、螺旋槳的相關(guān)特性

主機(jī)的動(dòng)力性指標(biāo)包括平均指示壓力pi、指示功率pi、機(jī)械效率ηm、平均有效壓力pe、有效功率Pe等；經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括指示油耗率gi、指示熱效率ηi、有效油耗率ge和有效熱效率ηe等。柴油機(jī)ηi、gi、ηe、ge、ηm的范圍見表1 所示[1]。

表1 柴油機(jī)ηi、gi、ηe、ge、ηm 的范圍

主機(jī)的pe和轉(zhuǎn)速n是互相獨(dú)立的參數(shù)，因此根據(jù)pe和n的變化情況，主機(jī)特性可分為速度特性、負(fù)荷特性、推進(jìn)特性、調(diào)速特性、限制特性等。在不同特性下，主機(jī)的動(dòng)力性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)會(huì)有不同的變化規(guī)律，并在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。主機(jī)允許工作范圍是由一組特定的特性曲線限定的，如圖1 中陰影部分所示，主機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)pe和n應(yīng)落在陰影部分區(qū)域內(nèi)。圖1 中：橫坐標(biāo)為主機(jī)轉(zhuǎn)速相對額定轉(zhuǎn)速的百分比，縱坐標(biāo)為主機(jī)功率相對額定功率的百分比；曲線l為等排氣溫度限制線，曲線3 為等扭矩限制線；曲線2 為全負(fù)荷速度特性線，曲線4 為超負(fù)荷速度特性線曲線，曲線8為最低負(fù)荷速度特性線；曲線5 為額定功率下的調(diào)速特性線，曲線6 為超負(fù)荷功率下的調(diào)速特性線；曲線7 為恒定的額定轉(zhuǎn)速下的功率線，曲線9 最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的功率線，曲線10 為最低運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下的功率線；曲線11 為推進(jìn)特性曲線[1]。

圖1 主機(jī)允許工作范圍

主機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的功率與螺旋槳的吸收功率相等，因此主機(jī)的工況變化規(guī)律與螺旋槳有著相同的特性曲線11，即主機(jī)發(fā)出功率、螺旋槳吸收功率分別與轉(zhuǎn)速成三次方比例關(guān)系；當(dāng)船舶阻力增大時(shí)，該特性曲線變得陡峭、比例系數(shù)變大，反之則變得平坦、比例系數(shù)變小。在船舶阻力改變的工況下，如風(fēng)浪流、深/淺水航區(qū)、窄水道、裝載、船舶污底以及船舶轉(zhuǎn)向等，以及調(diào)距槳槳葉角度發(fā)生改變時(shí)，螺旋槳的運(yùn)行工況影響主機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速，使功率與轉(zhuǎn)速三次方比例關(guān)系發(fā)生變化，并在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

綜上，根據(jù)主機(jī)、螺旋槳的相關(guān)特性、允許工作范圍及機(jī)槳的配合，即功率、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，基于船舶日志中記錄的各項(xiàng)參數(shù)值（尤其是主機(jī)運(yùn)行參數(shù)、船舶外部工況參數(shù)），結(jié)合主機(jī)技術(shù)文件中的有效油耗率，估算主機(jī)每日的油耗量等碳排放數(shù)據(jù)，可用來推斷船舶日志記錄的主機(jī)油耗量、轉(zhuǎn)速等是否合理。

2 船舶日志中的碳排放相關(guān)記錄

船舶日志主要包括航海日志和輪機(jī)日志，是反映船舶生產(chǎn)活動(dòng)的原始記錄和法定文件，其中記錄的多項(xiàng)參數(shù)和事項(xiàng)與船舶碳排放息息相關(guān)，是船舶報(bào)告的碳排放相關(guān)數(shù)據(jù)的重要來源。根據(jù)船舶日志記錄的每日各項(xiàng)營運(yùn)信息，可以估算主機(jī)日油耗，因此船舶日志記錄可為核查評(píng)估船舶日志中記錄的主機(jī)日油耗等碳排放數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)支撐，幫助判斷其記錄的合理性，是船舶碳排放數(shù)據(jù)核查的重要依據(jù)。

根據(jù)《GB 18093-2000 航海日志》，航海日志中航行、氣象/海況部分須至少按每班記錄，2 次（即2 h 一次）的頻率記錄規(guī)定的內(nèi)容，中午測算部分在每日中午由二副統(tǒng)計(jì)填入，記事欄部分須據(jù)實(shí)按時(shí)間順序填寫有關(guān)船舶動(dòng)態(tài)現(xiàn)象及動(dòng)作，重大事項(xiàng)記錄部分由船長或大副記載船上非經(jīng)常性及重大事件。其中與船舶碳排放密切相關(guān)的項(xiàng)目有：計(jì)程儀讀數(shù)、實(shí)測時(shí)速、推進(jìn)器轉(zhuǎn)速、氣象海況（包括風(fēng)、波浪、氣溫等）、抵離港前船首尾吃水、中午測算（包括重油/輕油的消耗量、添加量、現(xiàn)存量，晝夜航程、晝夜平均航速）、影響船舶能耗的事件（包括保障船舶安全或救助海上人命事件、冰區(qū)航行）等。

根據(jù)《GB 18436-2022 輪機(jī)日志和車鐘記錄簿》，Auto-0 級(jí)機(jī)艙的內(nèi)燃機(jī)船輪機(jī)日志應(yīng)每天至少記錄3 個(gè)班次，其中與主機(jī)碳排放核查密切相關(guān)的項(xiàng)目有：主機(jī)平均轉(zhuǎn)速、負(fù)荷指示、工作時(shí)間，主機(jī)燃料油/柴油的今日消耗、上日存結(jié)，以及正午報(bào)告中的理論航速、實(shí)際航速、滑失率、風(fēng)向、風(fēng)力、海況等。

3 主機(jī)碳排放核查評(píng)估

忽略燃油品種、環(huán)境因素修正等變量的影響，不考慮主機(jī)老化、性能下降以及燃油中的雜質(zhì)、不完全燃燒等因素，對于營運(yùn)中的船舶，主機(jī)在一定穩(wěn)定運(yùn)行工作時(shí)間內(nèi)的油耗量可按式（1）計(jì)算：

式中：Q主主為主機(jī)在一定穩(wěn)定運(yùn)行工作時(shí)間內(nèi)的油耗量，t；P主主為主機(jī)在時(shí)間T 內(nèi)平均有效輸出功率，其值為輪機(jī)日志中記錄的負(fù)荷指示與主機(jī)額定功率的乘積，kW；T 為輪機(jī)日志中記錄的主機(jī)運(yùn)行工作時(shí)間，h；ge為主機(jī)在P主主下的有效耗油率，g/（kW·h）。對于ge值的獲取，可通過查閱船舶主機(jī)氮氧化物技術(shù)案卷或船舶試航報(bào)告等技術(shù)資料，得到主機(jī)在25%、50%、75%、100%額定功率工況下的有效耗油率，再通過線性插值的方法，獲取P主下的有效耗油率ge。

參考《2022 年船舶燃油消耗數(shù)據(jù)和營運(yùn)碳強(qiáng)度主管機(jī)關(guān)驗(yàn)證導(dǎo)則》中規(guī)定的差異范圍為±5%，超過此范圍則為重大差異，綜合考慮船舶日志中記錄值的測量誤差、記錄頻次以及主機(jī)油耗量估算值受燃油品種、環(huán)境、主機(jī)性能、油耗率取值、燃油燃燒轉(zhuǎn)化效率、燃油中的雜質(zhì)等多種因素影響，可將主機(jī)油耗量估算值相對船舶日志記錄值的合理絕對偏差定為5%以內(nèi)，否則為不合理，需要進(jìn)一步核查評(píng)估。

如某滿載船舶，其主機(jī)額定功率為9 500 kW，在某航次期間的某日24h 的時(shí)間段內(nèi)，輪機(jī)日志記錄的主機(jī)負(fù)荷指示為54%，主機(jī)正常運(yùn)行，各項(xiàng)參數(shù)正常。查閱船舶技術(shù)資料并通過插值法得到主機(jī)在該負(fù)荷下使用船用柴油的有效耗油率ge為180g/（kW·h），則在該日24h 內(nèi)主機(jī)消耗的船用柴油的質(zhì)量可估算為Q主=9500kW×54%×24h×180g/（kW·h）×〖10〗^(-6)=22.16t，同時(shí)根據(jù)船用柴油和重質(zhì)燃料油的低熱值比例關(guān)系（船用柴油和重質(zhì)燃料油的低熱值分別取42 700、40 200kJ/kg），將估算得到的主機(jī)消耗的船用柴油的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為23.54 t 重質(zhì)燃料油。而船舶輪機(jī)日志中記錄的該日主機(jī)重質(zhì)燃料油消耗量為23.93 t，估算值相對記錄值的絕對偏差為1.6%，在合理范圍內(nèi)，可以接受。查閱該日航海日志，無異常事件，船舶航行在大洋上，風(fēng)為東南向、3～4 級(jí)，浪為東南向、2～3 級(jí)，推進(jìn)器轉(zhuǎn)速（即主機(jī)轉(zhuǎn)速）為85 r/min，主機(jī)功率和轉(zhuǎn)速符合柴油機(jī)和螺旋槳的相關(guān)特性，與船舶滿載靜水試航報(bào)告中的主機(jī)功率、轉(zhuǎn)速（航速）曲線相比，在相同主機(jī)功率下，主機(jī)轉(zhuǎn)速相對較小，這是因?yàn)榇笆軞庀蠛r、船體清潔度等的影響，船舶阻力增大，主機(jī)推進(jìn)特性曲線變得相對陡峭。綜上，該船舶輪機(jī)日志上記錄的主機(jī)該日的油耗量等碳排放數(shù)據(jù)是合理的。

4 總結(jié)與展望

根據(jù)《防污公約》及相關(guān)導(dǎo)則的要求，基于主機(jī)特性、船舶日志，提出一種簡易的估算船舶主機(jī)油耗量的方法，進(jìn)而與船舶日志記錄的油耗量相比，結(jié)合船舶營運(yùn)狀況，來核查評(píng)估船舶主機(jī)營運(yùn)碳排放情況。由于主機(jī)油耗量的估算值受多種因素影響，其與記錄值的絕對偏差可定在5%以內(nèi)。未來可綜合考慮主機(jī)油耗量估算值的各種影響因素，根據(jù)更多的主機(jī)碳排放相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)值，提出更加準(zhǔn)確的計(jì)算評(píng)估模型，確定合理的估算值相對記錄值的偏差范圍，為主機(jī)碳排放核查提供理論依據(jù)。