任晓莉,林洪山
(广州文冲船厂责任有限公司,广东广州 510727)
EEDI实船验证测量技术研究
任晓莉,林洪山
(广州文冲船厂责任有限公司,广东广州 510727)
本文主要描述了EEDI实船验证测量过程中,燃油消耗量精准测量和浪高及波浪周期的精准测量的解决方法,为EEDI测量提供了可借鉴的实验手段,供业界技术人员参考借鉴。
EEDI;流量计;燃油消耗;有义波高
由于科技发展及扩大生产使CO2排放量日益增加,IMO国际海事组织针对CO2排放引起全球变暖日趋恶化的现象,从1997年开始逐年召开MEPC会议,来探讨如何控制CO2的减排,合理设立减排目标,为延缓地球环境恶化做出努力。
1.1 EEDI发展历程
1997年IMO开始研究CO2排放,MEPC57提出新造船“CO2设计指数”和营运船“CO2排放指数”概念;
2008年10月召开的MEPC58将“CO2设计指数”概念改名为“能效设计指数EEDI”;
2009年7月召开MEPC59,以通函形式下发新造船 EEDI设计指数计算方法临时导则;
2011年7月15号MEPC62届讨论的结果是:2013年1月1号开始对大于400GT的船舶强制实行MARPOL VI满足EEDI要求,并分三个阶段逐步提升EEDI的要求;
2012年3月2号MEPC63届讨论的结果是船舶能效管理计划SEEMP,其中包括船舶能效运营指数EEOI的计算、能效设计指数(EEDI)检验和发证,应用于所有400GT以上新造船舶,客船不适用,工程船则由具体船旗国确定,该修正案于2013年1月1日默认生效。
对排放和减排不达标的造船厂或船东将实行超标买单的罚款[1]。至此,EEDI标准及实施要求就落实了,以后IMO将逐年提高标准并修正完善。
1.2 EEDI定义
IMO对EEDI定义了两个数值,一个是这一类
船舶允许达到的EEDI基准线值(required EEDI baseline value),也就是该类船舶允许排放CO2的极限值;另一个是单船会达到的EEDI值(attained EEDI),即该船将会排放的CO2数值。这两个值都是通过指数形式反映CO2排放数量的。
基准线公式是专家针对不同船型,通过大量的实船统计数据,应用回归分析的方法,归纳整理出的模拟的基准值计算公式。每艘船舶依据相应船型的基准线值公式计算会得到一个基准线值;而根据船舶建造中各设备和设计的理论数据,可以计算得出本船即将达到的EEDI值,当本船即将达到的EEDI值低于基准线值时,该船的设计就达到了环保要求。
EEDI:新造船能效设计指数(船舶性能指标);EE Index=CO2排放量/运输量;
EEOI:能效运营指数(记录营运船的CO2排放数据);
EEOI=燃油消耗量×碳排放系数/(单次运输量×运输距离);单船基准线值:baseline value=a*DWT-c;指定船舶会达到的EEDI值的计算公式[2]:
其中:
为技术改进产生的减排(油耗节省量所对应的CO2排放量);
fi· Capacity· Vref·fw 为运输量(载重吨,航速)。
PME:主柴油机推进功率(轴功率);
CFME:主机燃油消耗量基于其含碳量转换为CO2排放量的一个无量纲系数,碳转换系数;
SFCME:每台主柴油机单位燃油消耗量的功率加权平均值(标准的低热值燃油42700kj/kg);
PAE:指在为保障船舶在正常最大海况下以船速(Vref)和最大载运能力(capacity)营运所需的辅机功率;
CFAE:辅机燃油消耗量基于其含碳量转换为CO2排放量的一个无量纲系数,碳转换系数;
SFCAE:每台辅柴油机单位燃油消耗量的功率加权平均值(标准的低热值燃油42700kj/kg);
PPTI:对于主机安装了轴马达的,轴马达的额定功率消耗的75%除以发电机的加权平均效率;
fj:用于补偿船舶特殊设计因素的修正系数(冰区加强,有推进冗余的穿梭油轮,其它特殊船舶);
PAEeff:当船舶在PME状态下由于采用创新型电力能效技术而减少的辅机功率;
Peff:在75%主机功率下创新型能效技术用于推进的输出功率;
fi:对capacity的修正系数;
Capcity:载运能力;
Vref:假定无风无浪的气象条件下,公式定义中的主机轴功率时以及公式定义中的载运能力capacity下的深水中的航速;
fw:是一个表示船舶在波高、浪频和风速的代表性海况(如蒲氏等级6)下的航速降低的无量纲系数。
1.3 目前业界存在的问题
1)针对不同船型,进一步完善精准公式,准确适用各类船型;
2)如何适当选取相关系数,才能准确反映相关因素的贡献值;
3)如何正确获得公式中的数据,以及数据的权威性。
从以上分析可以看出,IMO提出的两个EEDI值都是理论计算得出的,而船舶实际是否能达到预计的将要达到的EEDI值还需要进一步的测量验证。目前世界各大船级社和IMO国际海事组织,都没有统一的标准的测量方法指南及测量体系。具体如何实施EEDI数据的测量还属于各界研究的课题。单船会达到的EEDI值公式中涉及到的相关参数有:主辅机功率、耗油量、航速、载重吨位等。从上述指数公式中可以看出,EEDI基准线值主要是由船舶的载重吨确定的,也就是说相同载重吨的该类型的船舶基本都应达到这个EEDI数值,它是对该类船舶的一个基本要求。而单船会达到的EEDI值反应了该船CO2排放量指标及经济性能指标,通过船舶基本设计及设备参数的选取,可以计算出该船会达到的EEDI值。
交船试航时需要对单船会达到的EEDI值做修正性验证。船级社再根据实验及实验报告,颁发相应证书。由于试航时,风浪、吃水、实时的船舶功率工况等都会影响到EEDI相关数据的记录和选取,如何科学、准确地获得船舶运营过程中,相应航速下功率,油耗的问题是值得船厂技术人员和船舶检验人员钻研的课题。
我司经过五年多EEDI跟踪性研究,通过多艘集装箱船和散货船EEDI测量的研究摸索,不断改进和汲取先进的测量方法,并自行研究测量工具和测量方法,获取了科学准确的数据,取得了DNV GL、BV、CCS等世界著名船级社的认可,并取得了相关设备专利。
如CCS要求的验证程序[3](见图1),本文探讨的是试航阶段的最终验证中数据的准确获取。
图1 CCS的验证程序
3.1 测量方法
我司目前采用的差分DGPS定位测速法准确获取航速,风速风向仪获取风速,空船实验获取空船重量,吃水测量传感器等均能获取准确的载重吨数据,轴功率测量仪和转速表获取主辅机功率,这些方法都采用了精密的科学仪器,能科学准确地获取相关数值,
目前船级社允许以船模试验数据作为参考和验证卷宗文件之一。为了与水池实验数据相吻合,试航过程中也要做相应的工况测试,其中尚未解决且非常重要的几个参数,主要是:主机在75%MCR功率下单位燃油消耗量的检测,辅机在50%MCR功率下单位燃油消耗量的检测。为了准确校正航速,应尽量准确获取海浪周期和波高。
3.2 测量过程中解决的问题
1)航速测量中测波仪的引进
在以前的试航过程中,由于对波浪和波浪周期的测量要求不严格,大多是按有经验的船长来目测浪高和波浪周期的。但是EEDI要求的航速验证对浪高和波浪周期,要能与水池实验相对应,准确的有义波高的获取就显得尤为重要,因此在测量过程中,我们租用了SZF型波浪浮标测波仪,从而保证了获取准确的浪高和波浪周期数据。
该仪器能够自动输出有义波高,工作方式有定时测量、连续测量两种。在定时测量方式中具有测量间隔3h(标准定时测量方式)和1h两种状态,测量间隔3h工作状态应能够自动加密转换成1h工作状态。
数据采集间隔:0.5s;0.25s。(1)测量指标,见表1
表1 测量指标
(2)浮标内波浪数据处理
波浪浮标在每次测量结束后,对波高、倾斜角、方位角的采样数据进行处理,得到波浪特征值最大波高(HMAX)、平均波高(HMEAN)、有义波高(H1/3)和十分之一大波波高(H1/10)、及对应的周期值(TMAX、TMEAN、T1/3、T1/10)和按16个方位角划分的波向出现率。
(3)GPS定位功能
浮标内装有GPS定位接收机。GPS接收机每小时一次自动接收GPS卫星系统对浮标的位置定位数据并发射定位数据。当浮标移位时,将启动报警声讯器。
(4)接收处理机数据接收、存储和传输
接收处理机具有数据接收、打印、存储和转送功能。
微型打印机打印观测时间(年、月、日、时、分),波浪统计特征值、波向出现率及浮标电池电压值和GPS定位数据。
2)主辅机油耗的准确获取
传统做法是,在主机的进油口和回油口分别设置流量计,差值即为燃油消耗量。这样就忽略了燃油的泄漏量,泄漏的燃油并没有对CO2的产生有所贡献,如果忽略不计泄漏量,其实是夸大了EEDI的数值,而且燃油的泄漏量其实是会占到燃油消耗量的0.3%,一个支线集装箱船以42吨/天燃油量的船估计,被忽略的泄漏量就达到了0.2吨/天。
一般的燃油流量计需要一定的流体压力,连续的流量方能正常工作,船用主机燃油泄漏量流量较低(1700TEU集装箱船约5 l/h[4,5]),且泄漏的燃油压力接近大气压力,如果烧重油时粘度大,流量计量困难,目前还没有一种连续测量的流量计可以满足该工况要求。为了准确计量泄漏量,我司研制了一种简洁的脉冲式燃油泄漏测量流量计,能满足低流量、低压力、高粘度重油的流量测量,并获得了相关专利。
测量原理是燃油流体流过一个小容器,容器装满后触动一个安装于容器上部的浮子开关,控制容器底部的电磁阀卸放容器中的燃油,若干秒后电磁阀自动关闭,开始第二次测量,不断循环可满足连续测量的要求,小容器的容积乘以浮子开关动作次数,再除以时间,用一个电子计数器就可以显示流量。小容器外用蒸汽伴行管,可解决重油的高粘度问题。
本项目的创新点是用一个容器测量燃油流量的不连续测量自动转换成连续的测量,解决了低压、低流量燃油流量的计量问题。
3)EEDI及EEOI计算软件的编制
在与国外有关公司的接触过程中,了解到有公司已研制出EEDI数值验证用实测计算软件。我司也参考类似软件,开发了相关软件,运用传感器、综合测量的数据,实时计算并记录船舶的EEDI和EEOI数值。EEDI计算所需的数据是采集的实时数据[6],EEOI要求采集的数据是以时间轴为基础的积累数据,记录不同季节,不同航线上相关载重吨,航速对应的油耗、SOx、NOx、航行路线等,并将数据实时传输到岸上船舶公司总部。软件界面如图2所示。
图2 软件界面
船舶公司通过EEDI和EEOI数据分析和积累,科学地制定相关航线的航速来规范船员的操作习惯,控制船舶的燃油用量,从而最大限度地提高船队运营效益,为船舶公司的科学运营起到了良好的指导和借鉴作用。
目前,我司采用的测量方法、测量仪器已通过船级社认可,还有计算软件尚需通过船级社验证,之后一套完整的EEDI测量套盒就可以申请产品认证,从而获得产品证书。
在测量过程中,传感器的正确布置、各测量点的数据搜集和传输,使快速获取EEDI数值成为可能,同时也获取了相关的EEOI数据,为以后的碳排放及交易做出了准备。
在测量过程中,各种测量方法、仪器的运用、各种数据的采集,给船东和船厂提供了更加准确体现船舶状况的信息,拓宽了船舶监控信息的准确获取方法。
以前从未使用过的仪器在船舶领域的应用,虽然增加了行业的复杂程度,但提高了船舶运营监控的精准程度,使船舶管理更趋于科学化、现代化。
正确使用和研发测量仪器是离散数据采集的必要手段,而软件的研发将离散数据有机整合,在该课题的攻关过程中,将离散的数据整合为有效的分析数据库,该系统测量方法可以为以后测量课题提供有益的借鉴。
[1] IMO MEPC.214(63)号决议. 2012年EEDI检验与认证导则, 2013.
[2] IMO MEPC212(63)号决议. 2012年达到的EEDI值(Attained EEDI)计算导则, 2013.
[3] CCS中国船级社. 船舶能效设计指数(EEDI)指南, 2012.
[4] MAN B&W S60ME-C8-TII PROJECT GUIDE, 2014.
[5] L28/32H Gensets PROJECT GUIDE, 2014.
[6] CCS中国船级社. 船舶能量消耗分布与节能指南, 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
新能源生产过程中的高效节能降耗技术,广州市黄埔区产学研科技攻关项目(编号:201352)。
任晓莉(1969-),女,高级工程师,研究方向:船舶轮机系统开发设计,国际海事公约规范规则。