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邵博士科研隨筆(第三篇):船舶的能效分析之EEDI和EEXI
發(fā)布日期:2022-06-09 點(diǎn)擊量:14021

邵博士科研隨筆來(lái)自于賽思億內(nèi)部學(xué)習(xí)資料,主要是邵博士給技術(shù)人員有關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)的培訓(xùn)資料,挑選有代表性的發(fā)布,與業(yè)內(nèi)的朋友共享。

   背 景 介 紹   

本文檔主要是對(duì)最近討論比較多的EEDI以及EEXI進(jìn)行了一些解讀。很顯然這個(gè)已經(jīng)超出了賽思億的專業(yè)水平,所以中間可能有不少理解偏差和理解較淺薄的地方,然而我們還是需要擁抱這個(gè)知識(shí)。


    什么是EEDI和EEXI    

EEDI的英文全稱是“Energy Efficiency Design Index”,中文名字是“新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)”,主要考察船舶消耗的能量換算成CO2排量和船舶有效能量換算成CO2排量的比例指數(shù)。EEDI指數(shù)越高,能源效率越低,主要用于考察新船。

EEXI的英文全稱是“Energy Efficiency Existing ship Index”,中文名字是“現(xiàn)有船舶能效指數(shù)”,主要用于考察已建成的船舶,考察的主要內(nèi)容和EEDI類似,但是具體的計(jì)算方法略有不同。


    EEDI的定義    

1 、EEDI的公式

EEDI用于衡量CO2的排放對(duì)于船舶運(yùn)力的比例,僅僅對(duì)新造船有效,用以保證新造船的設(shè)計(jì)可以滿足能效的要求。EEDI不能用于對(duì)于已造船舶的能效評(píng)估。

經(jīng)過(guò)多年的演化,EEDI形成了如下的計(jì)算公式:

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1.1 EEDI的公式的分子分析

上述公式一看很晃眼,我們結(jié)合分子和分母來(lái)考察。先看分子如下:

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分子由四種顏色的小公式組成,每一個(gè)小公式基本認(rèn)為是4個(gè)參數(shù)的乘積,分別是:

1、f,校正系數(shù),無(wú)單位量綱,一般考慮了某些船型等,會(huì)有詳細(xì)的表格用以查詢,我們并不太需要糾結(jié)這些參數(shù)。

2、P,功率,單位是kW。

3、SFC,單位功率下的油耗值,單位是g/kWh。

4、CF,單位油耗下的CO2排放值,單位是t(CO2)/t(Fuel),當(dāng)然也可以認(rèn)為是沒(méi)有量綱。

乘在一起之后,單位是g/h。

在對(duì)上述分子公式的主要下標(biāo)進(jìn)行一些解釋,總結(jié)如下:

1、ME,代表主機(jī)。

2、AE,代表日用負(fù)載。

3、PTI,輔助電推功率。

4、eff,特殊節(jié)能技術(shù)(其實(shí)我也不甚明白具體所指)。

結(jié)合上述分析,我們可以將分子公式按照顏色總結(jié)成如下的描述,即:

1、紅色部分,代表了主機(jī)的CO2排放量。

2、淺藍(lán)色部分,代表了日用電源的CO2排放量。

3、綠色部分,代表了電推的CO2排放量。

4、深藍(lán)色部分,代表了由于采用特殊的節(jié)能技術(shù)而降低的CO2排放量。

乘在一起之后,單位是g/h。

換句話說(shuō),EEDI的公式的分子計(jì)算了船舶所有耗能設(shè)備導(dǎo)致的CO2總排放量,單位是g/h。

1.2 EEDI的公式的分母分析

再回過(guò)頭來(lái)看EEDI的分母如下:

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包含了3個(gè)部分:

1、那群f,代表了各種計(jì)算時(shí)候的校正系數(shù),無(wú)單位量綱,主要是希望EEDI可以兼顧盡量多的技術(shù)和船型,這里不做過(guò)于詳細(xì)的分析。

2、Capacity,視船型不同,代表船舶的吃水量,根據(jù)船型不同,單位可以是DWT,也可以是GT,總之最終單位是t。

3、Vref,船舶的航行速度,單位是kn(節(jié)),或者是nm/h(海里/小時(shí))。

乘在一起之后,單位是t·nm/h。

換句話說(shuō),EEDI的公式的分母計(jì)算了船舶的做功能力,單位是t·nm/h。

1.3 EEDI公式總結(jié)

可以看到EEDI的公式就是衡量船舶排放的CO2的量/船舶的做功能力,單位是g/tnm。

從這個(gè)單位就可以看出來(lái),EEDI就是衡量把1t物品移動(dòng)1nm(海里)所產(chǎn)生的CO2的重量。

EEDI越大,則船舶做功的能效越好,排放越少;反之亦然。

 

2、EEDI的一些參數(shù)說(shuō)明

2.1 PME(主機(jī)功率)及其相關(guān)參數(shù)

PME定義為主機(jī)額定裝機(jī)功率(MCR)的75%。由于一般認(rèn)為主機(jī)不會(huì)100%負(fù)荷運(yùn)行,因此75%被認(rèn)為是一個(gè)比較公平的工作點(diǎn)。

因此CFME和SFCME都需要主機(jī)工作在75%的MCR時(shí)的油耗和CO2的排放進(jìn)行代入。

2.2 PAE(日用功率)及其相關(guān)參數(shù)

和PME類似,PAE也相當(dāng)重要,而且PAE取值會(huì)影響CFAE和SFCAE的取值,最終影響總的CO2的排放量的計(jì)算。

PAE一般根據(jù)總推進(jìn)功率來(lái)估算,根據(jù)總推進(jìn)功率大于或者小于10000kW,分別有比較嚴(yán)格的經(jīng)驗(yàn)公式可以套用。然而即便如此,經(jīng)驗(yàn)公式也有可能和實(shí)際相去甚遠(yuǎn)。所以PAE也允許根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算書(shū)來(lái)獲得。

2.3 CF

主要燃料的CF定義了燃燒該燃料之后向空氣排放CO2的重量,主要由燃料本身的碳當(dāng)量決定。視燃料類型的不同,CF差距很大,可以參見(jiàn)表格 1。

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表格 1 主要燃料的CF參數(shù)

可以看到重油的CO2排放量小于輕燃油,輕燃油又小于普通柴油,這是令人比較驚訝的,但是總體上三者差距并不大。

如果能使用LNG,則可以在CO2的排放上有較為顯著的降低。

進(jìn)一步,如果能使用甲醇和乙醇,由于碳當(dāng)量的顯著降低,CO2的排放的下降將導(dǎo)致EEDI的計(jì)算產(chǎn)生顯著的優(yōu)勢(shì)。

2.4 SFC

SFC定義了燃料每產(chǎn)生1kWh所消耗的質(zhì)量g。SFC和很多因素都有關(guān)系。一個(gè)EEDI的計(jì)算可以參見(jiàn)表格 2。

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表格 2 一個(gè)EEDI的計(jì)算例子

從表格 2可以看到,主機(jī)導(dǎo)致的SFCME和發(fā)電機(jī)組導(dǎo)致的SFCAE具有很顯著的差距,分別是165g/kWh和210g/kWh。

2.5 Capacity及其相關(guān)參數(shù)

定義為夏季滿水下的吃水,其中運(yùn)輸船用DWT(載重噸)來(lái)計(jì)算,客船或者客滾船用GT(總噸)來(lái)計(jì)算,集裝箱船用70%DWT來(lái)計(jì)算。

2.6 Vref及其相關(guān)參數(shù)

Vref定義為無(wú)風(fēng)無(wú)浪條件下,在用于EEDI計(jì)算的工況下(比如PME為75%MCR情況下)的船舶的航速。

Vref也可以在試航中獲得,并根據(jù)風(fēng)浪和負(fù)載等情況修正獲得。

 

3 、EEDI的標(biāo)準(zhǔn)限值和執(zhí)行階段

根據(jù)上述公式計(jì)算出來(lái)的EEDI,稱為Attained EEDI(EEDI計(jì)算值)必須要小于一個(gè)限定值才能算合格,這個(gè)限定值稱為Required EEDI(EEDI限定值)。即Attained EEDI < Required EEDI才能過(guò)關(guān)。

遺憾的是,Required EEDI是一個(gè)變化的值,說(shuō)先隨著船舶噸位的增加而越來(lái)越嚴(yán)格(當(dāng)然這是顯而易見(jiàn)的,大船總比小船污染少),更為令人發(fā)指的是,隨著時(shí)間變化,Required EEDI將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。一個(gè)Required EEDI的示意圖參見(jiàn)圖表 1。

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圖表 1 EEDI在不同階段的標(biāo)準(zhǔn)

隸屬于IMO(國(guó)際海事組織)的MEPC(海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì))將Required EEDI的設(shè)定分為了3個(gè)階段,目前已經(jīng)開(kāi)始了第一階段的執(zhí)行,要求在2010年的基礎(chǔ)上進(jìn)一步下降3%。到了2050年,則Required EEDI要在2010年的基礎(chǔ)上下降30%。據(jù)說(shuō)現(xiàn)在在醞釀第四階段。

 

4、軸帶發(fā)電的EEDI計(jì)算

EEDI采用一種非常理性的方式計(jì)算軸帶發(fā)電的EEDI值如果我們聚焦EEDI的分子部分的紅色主機(jī)功率排放部分和淺藍(lán)色的日用電源的排放部分,則傳統(tǒng)的計(jì)算公式為:

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如果主機(jī)里面有一部分功率用于PTO了。則該公式變?yōu)椋?/span>

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也就是說(shuō),能量仍然守恒的,主機(jī)節(jié)約的PTO功率被用于日用電了。然而,兩者的系數(shù)CF和SFC有區(qū)別,特別是SFC的取值,參見(jiàn)2.4的描述,兩者的差距可以達(dá)到10%~20%之間。

這是軸帶項(xiàng)目降低EEDI的主要原理。

假設(shè)軸帶的功率占據(jù)主機(jī)功率的10%,CF和SFC相差15%,EEDI可以下降1.5%。

假設(shè)軸帶的功率占據(jù)主機(jī)功率的15%,CF和SFC相差20%,EEDI可以下降3%。


    EEXI的定義,以及和EEDI的區(qū)別    

EEXI側(cè)重于對(duì)于現(xiàn)有船舶的能效認(rèn)定,特別針對(duì)那些生產(chǎn)較早而沒(méi)有在設(shè)計(jì)階段計(jì)算過(guò)EEDI的船舶而言。

EEXI的基本計(jì)算方法和EEDI的計(jì)算方法高度相似,即無(wú)論是計(jì)算公式還是公式所代表的含義都是完全一致的,也針對(duì)這個(gè)原因,只要EEDI已經(jīng)驗(yàn)證,并且Attained EEDI < Required EEDI,那么Attained EEDI就可以直接認(rèn)定為Attained EEXI。

就是因?yàn)閮烧吒叨认嗨?,因此這里主要提一下EEXI和EEDI的不同之處。

1、PME(主機(jī)功率)的認(rèn)定

EEDI將PME定義為主機(jī)額定裝機(jī)功率(MCR)的75%。

然而在EEXI計(jì)算中,允許對(duì)主機(jī)安裝一個(gè)非永久性的“限功率裝置”(Shaft / Engine Power Limitation),此時(shí)主機(jī)的MCR就變成了MCRlim,PME也可以定義為MCRlim的83%,兩者取小。

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圖表 2 MCRlim示意圖

這個(gè)MCRlim真的是一個(gè)大殺器,本質(zhì)上給EEXI的計(jì)算提供了一個(gè)合法的降功率輸出的“后門”。我們知道P/Vref基本上呈現(xiàn)出隨著功率上升而越來(lái)越不經(jīng)濟(jì)的情況,換句話說(shuō)增加50%的功率輸出不可能得到50%航速的提升。所以法的降功率輸出計(jì)算可以顯著提升EEXI的計(jì)算值。

2、PAE(日用功率)的認(rèn)定

EEDI可以接受經(jīng)驗(yàn)公式,或者采用電力負(fù)荷計(jì)算書(shū)來(lái)認(rèn)定PAE。EEXI在此基礎(chǔ)上接受使用實(shí)際運(yùn)營(yíng)的年度平均值來(lái)認(rèn)定PAE

EEXI還增加了郵輪和客滾船的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

3、SFC的認(rèn)定

SFC定義了燃油消耗率,最好可以根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行插值計(jì)算。然而一些較早的船可能連臺(tái)架試驗(yàn)報(bào)告也不具備,此時(shí)EEXI的計(jì)算給出了一個(gè)缺省參考值。即:

SFCME ≈ 190g/kWh

SFCAE ≈ 215g/kWh

仍然,主機(jī)的認(rèn)定顯著優(yōu)于發(fā)電機(jī)組的認(rèn)定。

EEXI的SFC認(rèn)定還可以接受經(jīng)驗(yàn)證方批準(zhǔn)的由制造商提供的SFC值。


   結(jié)                論   

本文檔介紹了EEDI和EEXI的若干基礎(chǔ)知識(shí),可以達(dá)到如下結(jié)論:

1、EEDI和EEXI衡量把1t物品移動(dòng)1nm(海里)所產(chǎn)生的CO2的重量,也就是船舶使用的能效指數(shù)。

2、EEDI主要用于考察新船,EEXI主要用于考察已建成船舶。

3、EEDI和EEXI的計(jì)算方式基本一致,略有區(qū)別。

4、EEDI的限定標(biāo)準(zhǔn)采用分階段執(zhí)行的方式,會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。

5、采用軸帶發(fā)電,可以降低EEDI或者EEXI幾個(gè)百分點(diǎn)。

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