營運船舶主機能效和碳排放等級評定方法

叢巖，宋立國，潘新祥，池華方，韓志偉，吳曉光

大連海事大學 輪機工程學院，遼寧大連116026

0 引 言

營運船舶排放的尾氣是大氣中溫室氣體的主要來源之一［1］。國際海事組織（IMO）于2014年發布的第2次溫室氣體研究報告中指出，2007年全球海運業的CO2排放量達10.4億噸，占當年CO2總排放量的3.3%［2］。報告還預測，隨著海運貿易的增長，若不采取有效措施，到2050年，營運船舶的溫室氣體排放量相比2007年將增加150%～250%［3-4］。

2005年，IMO提出以船舶CO2排放指數作為評價CO2排放的標準。2009年，在IMO海洋環境保護委員會（MEPC）召開的第59次會議上，船舶CO2排放指數被正式更名為“船舶能效營運指數”（EEOI），并制定了包括新船“能效設計指數”（EEDI）、EEOI和“船舶能效管理計劃”（SEEMP）等在內的相關文件。2011年7月，在MEPC召開的第62次會議上，首次將強制性的國際航行船舶溫室氣體減排措施以《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL）附則Ⅵ修正案的形式提交會議表決，并獲得各締約國的一致通過［5-6］。該修正案將EEDI作為衡量新建船舶能效設計性能的指標，并針對不同類型、噸位船舶需達到的能效水平給出了強制性規定［7-9］。在2012年通過的SEEMP導則中，還推薦使用EEOI作為營運船舶的自愿性能效管理目標和能效水平監測指標［10］。此外，IMO主張在航運業內不加區分地對所有船舶實行全球一致的溫室氣體排放強制標準［11］。為此，目前的新建船舶（包括普通民船、特種船和軍艦）已經大量使用了電控主機、電力推進等節能減排新技術［12］。

按照IMO的有關規定，我國已在新建船舶中強制實施了EEDI要求，而對于EEOI，一旦技術成熟，航運企業的營運船舶也將強制執行。2012年6月，我國交通運輸部發布了2個行業性標準：《營運船舶燃料消耗限值及驗證方法》和《營運船舶CO2排放限值及驗證方法》。在上述標準中，將“營運船舶”定義為“取得交通運輸營運資質”的船舶，并從船舶設計角度對營運船舶的燃料消耗和CO2排放提出了規定及驗證程序。

目前，包括IMO在內的國內外機構、航運企業都在積極研發適用于營運船舶主要能耗設備的能效和碳排放強度評定及等級劃分標準。但截至目前，針對主機、鍋爐、發電柴油機等設備，特別是作為能耗和碳排放主要源頭的主推進柴油機，尚未提出有效且可操作的標準。

鑒于此，本文將針對船舶主推進柴油機在營運條件下的能效水平，提出其能效等級劃分方法來表征船舶主機碳排放強度，探索營運船舶主機的能效指標及計算方法，制定出能效和碳排放等級劃分標準，以為IMO、航運企業的船舶能效管理及碳排放總量控制奠定基礎。

1 能效評定的難點及能效計量指標篩選的標準

1.1 能效和碳排放評定的難點

每艘營運船舶的主推進柴油機各有特殊性，其外部條件變化大且不能控制，使得營運船舶主機的運行工況很難統一。主推進柴油機能效和碳排放強度指標及評定在國內外也都無被認可的精確量化方法。碳排放總量統計面臨準確計量的問題。

1.2 能效計量指標篩選的標準

盡管人們對能效概念的理解不同，能效計量指標也存在不同的形式，但具有如下共同的特征：能效計量指標是一個比值（或增加值），由輸入和輸出的相對數量關系決定；計算能效計量指標的輸入為能耗，輸出為能耗實現的產品或服務；根據不同目的和描述對象，輸入和輸出可以有多種形式及度量方法。

能效指標是能效管理和立法的基礎指標。亞太能源中心指出，能效指標的基本任務是后果評估、目標評價和評估同等群體的相對形勢，使其在能效政策的制定和評估中發揮重要作用。由此，營運船舶主推進柴油機使用的能效指標應符合如下5個標準：

1）目標性。

應能對其能效進行精確的計量和評價。

2）合理性。

應符合能效的內涵及特征，在一定程度上能體現出能耗與輸出有效功率之間的關系，而不能背離。

3）可行性。

能效指標計算用的基礎數據應容易獲得，計算方法簡單，可對其進行監控和核實；基礎數據應是現有的、可查的或可測量的，例如燃油密度、燃油熱值、主推進柴油機輸出軸的扭矩、單位時間消耗的燃油質量等；計算過程不能過于復雜。

4）系統性。

既可縱向比較主推進柴油機能效水平的變化趨勢，也可橫向比較不同主推進柴油機間的能效差異，且能反映主推進柴油機的能效特征。

5）導向性。

在采用某一指標對主推進柴油機能效水平進行計量或者設置了一定的能效目標后，應能促使航運公司采取改善主推進柴油機能效狀況以實現能效目標的措施。

2 船舶主機能效和碳排放強度的評定

在交通部法制司立項的“營運船舶能效和碳排放強度等級及評定方法研究（一期）”項目的資助下，本文項目組赴中遠海運集團下屬公司和中外運長航集團公司開展了調研工作。此次調研的常規營運船舶為上述公司船隊中典型的主推進低速二沖程柴油機，主機功率均超過3 000 kW，經過調研，項目組獲取了大量數據。經匯總、統計、計算和分析，確定了主推進柴油機的能效指標，提出了能效水平和碳排放強度評定方法及等級劃分標準。基于數據分析，考慮評定方法的可操作性、客觀性和科學性，對調研的營運船舶主機進行能效評定時采取不按照用途、噸位等分類的原則。

2.1 能效指標的確定及計算

經過調研，項目組發現研究的營運船舶中主機燃油消耗率（SFOC）與機型、技術狀態和管理水平關系較大，與主機功率大小無直接關系，受外界環境因素的影響小。因此，在運行功率下，主機燃油消耗率與說明書標定的額定值的偏離程度可反映出主推進柴油機的實際能效水平。

在研究了德國MAN公司各典型型號柴油機（包括 6S70MC，6G45ME-C9.5，5S60ME-C8.5，6S65ME-C8.5，6G70ME-C9.5，5S35ME-B9，6S35MC MK.7等）的說明書和臺架試驗報告后發現，上述柴油機的燃油消耗率曲線在75%～90%負荷范圍內走勢平緩，且處于較低水平。圖1所示為5S60ME-C8.5型柴油機的燃油消耗率與負荷變化關系曲線。由圖可知，在75%～90%負荷約束條件下，柴油機的燃油消耗率波動小，這有助于對船舶主推進柴油機進行能效評價。

在確定營運船舶的能效指標時，需要考慮主機的功率儲備、工況和營運特點等因素，通常主機的營運功率為額定功率的90%，此時可認為主機在90%負荷下運行，這在調研數據中得到了印證。為了體現“營運”的特征，以便科學、合理地進行測量和計算，最終評定營運船舶的主機能效和碳排放水平，項目組將營運功率作為采集數據和計算主機能效指標的約束條件。

圖1 5S60ME-C8.5型主推進柴油機燃油消耗率曲線Fig.1 SFOC curves of 5S60ME-C8.5 main propulsion diesel engines

本文所提方法將船舶主推進柴油機營運燃油消耗率作為船舶主機的能效指標，即船舶主推進柴油機在90%負荷下運行時，利用柴油機單位時間內消耗的燃油質量與輸出有效功率的比值來評定船舶主推進柴油機的能效狀況。營運燃油消耗率的計算式為

式中：M為單位時間內消耗的燃油質量，kg/h；gy為主機的營運燃油消耗率，g（/kW·h）；Ny為主推進柴油機的有效功率，kW。其中，M可由質量流量計測量出耗油質量或體積流量計測量出耗油體積后計算得到，Ny則由扭力計測出的扭矩值和柴油機轉速計算得到。

2.2 各級能效劃分閾值的計算方法

在計算主推進柴油機能效等級劃分閾值時，關鍵是要確定能效等級劃分閾值的偏離系數η，即能效偏離系數，并按下式計算：

式中，ge為額定燃油消耗率，g（/kW·h）。將營運功率下實驗所得的各數據值計算后代入式（1），可得各主機的營運燃油消耗率gy。將主機的gy和ge值代入式（2），可得每臺主推進柴油機的能效偏離系數。表1所示為部分主機參數和能效偏離系數。

本文參考《交通運輸行業能效、二氧化碳排放強度等級及評定方法通則》和交通部對能耗設備能效劃分的一般原則，將營運船舶主機的能效等級劃分為3級。1，2，3級的主機占被調研主機總數的比例分別指前15%、中間70%和后15%。

在被調研的110艘營運船舶（推進方式為單機單槳）主機中，將能效水平排在前17位的主機劃分為1級能效，其在所有調研營運船舶主機中占比15.5%；將能效水平排在中間77位的主機劃分為2級能效，占比70%；將能效水平排在后16位的主機劃分為3級能效，占比14.5%。定義η1為1，2級能效等級劃分閾值的偏離系數，即為調研后最終確定為1級能效的主機中最差能效水平主機的偏離系數值1.97%；定義η2為2，3級能效等級劃分閾值的偏離系數，即為調研后最終確定為2級能效的主機中最差能效水平主機的偏離系數值7.72%。考慮到儀器設備測量誤差等因素對數值具有一定影響，本文將η1，η2的值分別定為2%和8%。由此，按下式可計算得到營運船舶的主推進柴油機各能效等級劃分閾值。

表1 調研的營運船舶主機燃油消耗率及能效偏離系數Table 1 SFOC and energy efficiency deviation coefficients of operation ships'main engines in survey

式中：g1為1，2級能效等級劃分閾值，g（/kW·h）；g2為2，3級能效等級劃分閾值，g（/kW·h）。

2.3 能效等級的確定

本文將船舶的主推進柴油機營運燃油消耗率gy與該型柴油機的1，2級能效等級劃分閾值g1和2，3級能效等級劃分閾值g2進行比較，即可確定主推進柴油機的能效等級和碳排放強度。確定能效等級如下：1級為最高級，2級為平均級，3級為限定級。

3 實驗驗證與計算分析

圖2所示為大連海事大學教學實習船“育鯤”輪的主推進柴油機，型號MAN 6S35MC，額定功率4 440 kW，額定油耗率188.1 g（/kW·h），實驗開始時累計運行時間12 395 h。

在90%負荷設定條件下的實驗數據表明，“育鯤”輪主推進柴油機燃油消耗率受外部因素（例如，主機的掃氣溫度、進氣溫度、進氣壓力和燃油熱值）的影響很小。表2所示為上述因素給主推進柴油機燃油消耗率帶來的影響，結果與文獻［13］和“育鯤”輪主機說明書描述的一致，即主機在營運功率下，燃油消耗率波動小。因此，將營運船舶主機營運燃油消耗率作為主機能效指標是可行的。

圖2“育鯤”輪主推進柴油機Fig.2 Main propulsion diesel engine of YUKUN ship

表2“育鯤”輪主推進柴油機燃油消耗率與外部因素的關系Table 2 Relationship between SFOC of main engine in YUKUN ship and external factors

在營運功率和使用臺架報告中規定的燃油條件下，“育鯤”輪主機的部分參數值如表3所示，其中扭矩值由扭矩測量儀測出，燃油消耗質量由精度為0.5級的流量計測量得出。此外，額定燃油消耗率ge由主機說明書查得。

表3“育鯤”輪主推進柴油機能效實驗數據Table 3 Main propulsion diesel engine energy efficiency test data of YUKUN ship

由表3數據及式（1）計算得出“育鯤”輪主推進柴油機的營運燃油消耗率gy=190.03 g（/kW·h）。將額定燃油消耗率ge和能效偏離系數η1的值代入式（3），得出該型主推進柴油機的1，2級能效等級劃分閾值g1=191.86 g（/kW·h）。將額定燃油消耗率ge和能效偏離系數η2代入式（4），得出2，3級能效等級劃分閾值g2=203.15 g（/kW·h）。通過比較，得出“育鯤”輪主推進柴油機的能效水平為1級能效，1級能效也代表了“育鯤“輪主機的碳排放強度狀況。

由實驗驗證與計算分析可知：

1）主推進柴油機的營運燃油消耗率是船舶主機在營運功率下工作時，輸出軸每輸出1 kW·h的有效功率所消耗的燃油量，即單位時間內主機的燃油消耗質量與輸出的有效功率之間的比值。營運燃油消耗率作為主機的能效值，體現了“營運”的特征，能夠有效且科學地反映主機的能效水平，在適用范圍內符合“目標性“和”合理性“要求。對于營運船舶的主推進柴油機來說，計算營運有效燃油消耗率簡單，且所需的數據較易獲得，故符合“可行性”要求。

2）主推進柴油機的營運燃油消耗率能有效反映營運船舶主推進柴油機的能效水平和碳排放強度情況，并通過數值來體現差異，可“縱向”地反映和評價“育鯤”輪柴油機在不同時期的主機狀態及能效水平，也可“橫向”地評價不同品牌主機的能效和碳排放水平，符合“系統性”的要求。

3）根據營運船舶主推進柴油機營運燃油消耗率的變化及趨勢，可對“育鯤”輪主推進柴油機在設計和管理等方面進行針對性的改進。“育鯤”輪主推進柴油機的能效等級客觀地反映了主機在管理水平、技術狀態、碳排放及節能方面的實際狀況，航運公司可以此了解營運船舶主推進柴油機的能效特征及能效狀態，有針對性地開展管理工作，提升能效水平。此外，不同機型柴油機在長期使用過程中性能的優劣和實際的能效及碳排放強度可為新建船舶主機的選型提供參考。這些都符合“導向性”的要求。

本文針對“育鯤”輪主推進柴油機的能效和碳排放強度的確定及等級的評定方法科學、合理且可操作性強，可為進一步評定“育鯤”輪的能效和碳排放強度及等級打下基礎。

4 結 論

本文分析了營運船舶主機能效和碳排放強度評定方法的難點，提出將船舶主推進柴油機的營運燃油消耗率作為船舶主機的能效指標并確定了計算方法。通過計算，將營運船舶主機劃分為3個能效等級，確定了各級能效等級劃分閾值的偏離系數及計算方法，通過將主推進柴油機營運燃油消耗率同該型柴油機的各級能效等級劃分閾值進行比較來確定主機的能效等級。通過對實船能效實驗所得數據的分析和計算，得出如下結論：

1）“育鯤”輪（主機營運油耗率為190.03g/kW·h）等營運船舶主機的營運燃油消耗率能夠合理反映營運船舶主機的能效水平和碳排放強度，這與船舶EEOI的評價結論相一致。可見，能效水平和碳排放強度是可以通過計算獲得的，本文所用方法可以確定營運船舶的主機能效值，計算方法科學。

2）所提出的主機能效和碳排放等級的評定方法符合交通部對能耗設備能效評定及等級劃分方法的一般性原則，方法科學、簡單、可操作性強。

3）所選能效指標及能效等級評定方法在“目標性”、“合理性”、“可行性”、“系統性”、“導向性”方面符合亞太能源中心的要求。

本文提出的評定方法使營運船舶的主機具備了可操作的、科學的能效評定手段和等級標準，研究成果為航運企業的節能減排、落實能效管理體系工作、為我國有效應對國際海運溫室氣體減排談判的嚴峻形勢，以及維護國家及行業利益提供了有力的技術支撐。