关于EEDI衡准基线的研究

关于EEDI衡准基线的研究 关于EEDI衡准基线的研究 51卷第4期(总第193期) 2010年12月 中国造船 SHIPBUILDINGOFCHINA Vo1.51No.4(SerialNo.193) Dec.2010 文章编号:1000—4882(2010)04—0051—7 关于EEDI衡准基线的研究 李百齐,程红蓉 (中国船舶科学研究中心,上海200011) 摘要 EEDI(能效指数)是衡量船舶在航行中CO2排放量的考核指标,EEDI衡准基线则是船舶CO2排放 量合格与否的分界线.通过对EEDI的本质和影响因素的详细分析研究,提出了以装载量为自变量,以船速 为参变量,按不同船舶类别达和生成EEDI衡准基线的方法.实例验证结果表明,该方法合理,实用,有 效,与目前不计船速影响的方法相比,准确性有了明显的改善,可以作为EEDI衡准基线正确表达和生成的 一 种新方法. 关键词:船舶;能效设计指数(EEDI);衡准基线;装载量;船速;功率 中图分类号:U661.31文献标识码:A 0引言 节能减排是现代和未来船舶的主要特征和发展趋势,也是新船设计中最重要的硬性要求之一. D,(能效设计指数)则是衡量船舶节能减排性能的考核指标.在国际海事组织(IMO)正式推行 EE2=),考核指标之后,如果新船设计方案的EE2=),不达标,那么该方案将被否决;如果新建船的髓2=), 不达标,那么它将不能投入营运. EEDI的计算公式已由IMO给出….EEDI衡准基线则是EEDI合格与不合格的分界线,即超过 衡准基线值的EED,是不合格的,低于衡准基线值的D,是合格的.EE2=),衡准基线的确定是一个 值得探讨的重要课题.首先,EED,衡准基线的确定应具有合理性,就是说它应该代表当代船舶COz 排放量的平均水平.如果把它定为当代过分先进船舶的水平,则这个衡准基线就显得太苛刻了,就会 因脱离现实而制约世界船舶工业和航运业的发展;如果把它定为当代过分落后船舶的水平,则这个衡 准基线就显得要求太低了,就会因太容易达标而使节能减排成为一句空话.其次,EED,衡准基线的 确定应具有科学性,就是说它的确定应该体现所有重要因素的影响.目前,衡准基线仅被看作为装载 量和船舶类型的函数,而对衡准基线有重要影响的船速却被忽略了[2-4].这样做不仅导致所得的衡准基 线存在不科学,精度不高等缺陷,而且还会使人们进入不断降低船舶的航速指标以减少ED,值的误 区.这正是本文所要研究解决的问题. 1EEDI的本质 任何运载器(包含船舶在内)的运输效率都可以用下式表达 收稿日期:2010--11.12:修改稿收稿日期:2010—11.21 中国造船学术论文 === 鲁'? 式中,是运载器运输效率,是运载器的装载量(或称装载质量),g是重力加速度,是运载器的 速度,P是运载器的主机功率,是运载器装载物所受的重力或运载器的有效举力(=),尺是 运载器所遭受的阻力,是运载器的有效举阻比,是运载器的推进系数,而1/K可以称为运载器 的运输功耗系数. 由公式(1)可见,运载器的运输效率是运载器单位主机功率所产生的有效举力与速度之乘积,等于 运载器的有效举阻比与推进系数之乘积.它是一个无因次量,在千克,米,秒单位制中,的单位是 N,的单位是m/s,P的单位是w. 公式(1)中的g是常数,它可以去掉.引入质量运输效率' , ::(2) Pg '是有因次量,它的意义是单位主机功率所携带的装载量与所产生的速度之乘积.而1/K'可 以称为质量运输功耗系数: 1/K,::(3) ' VK" 它的含义是单位装载量以单位速度运行时所需要的主机功率,即每kg装载量以每m/s速度运行时所需 要的主机功率W数,或每t装载量以每m/s速度运行时所需要的主机功率kw数,在运载器是船舶时, 常用t为单位,常用l(n为单位,P常用kW为单位. 现从公式(3)可以引出EEDI的表达式.EEDI是船舶航行时平均每小时,每吨装载量, 每节航 速由主机和辅机所排放的CO2的质量,也就是船舶航行时平均每吨装载量,每海里由主机和辅机所排 放的CO2的质量.为了讨论分析的简便,本文暂只考虑主机的CO2排放量,这不会影响到结论的正确 性.要想知道船舶主机每吨装载量,每海里CO2的排放量,只需将公式(3)两边分别乘以主机耗油量SFC (g/(kW.h))和油耗与CO2排放量之间的转换系数CF即可 )?SFC"CF=等(4) 公式(4)就是EEDI的主要部分(主机)EEDI的表达式,这里尸应理解为实际消耗的主机功率, 并且只考虑静水工况.通常,公式(4)中各个变量所用的单位是:为t,V为kn,P为kW,SFC为 g/(kW.h),CF为无因次数,而EEDI则为g/(t'nm).于是 删=—P.SFC.CF( g/(t'nm))(5) ? 现在来考察EEDI所取决的变量.和可以视为独立的自变量;P显然是,和船型的函 数;而SFC与机型有关,但优秀机型的C基本上相同,故把SFC看作为不变值不致于产生明显的 误差.至于CF,对同种燃油则是常数.所以EEDI可以看作为,和船型的函数,即 EEDI=f(,,船型)(6) 在公式(6)中的"船型''可以理解为由船舶类别,主尺度,主参数,船体线型和螺旋桨几何形状等组成. 由于船舶的主尺度,主参数,船体线型和螺旋桨几何形状等在设计时都与船舶类别,和密切 相关,因此都可视为船舶类别,和的函数,于是有 (总第193期)李百齐,等:关于EEDI衡准基线的研究 51卷第4期 EEDI=s(4,,船舶类别) 2EEDIm衡准基线的生成 (7) 公式(7)意味着EEDI衡准基线可以以为自变量,以和船舶类别为参变量来生成,如图1 所示. 图1某一船舶类别的EEDIm衡准基线不意图 图l为某船舶类别肋,衡准基线与和的关系图.图1中(J=1,2,3,...,JV)可取规格化的值, 如14kn,14.5kn,15kn,…,17kn,其具体的数值系列可视船舶的类别而定. 如目标船的不在规格化的数值上,可以用等海军常数法换算到最接近的规格化速度上去,譬 如目标船的最接近于值,则认为在和时的海军常数相等,即 A2/3.V3A. , —— =—————————..O P只 = — 目标船在时的 EEDIm= (9) (10) 各类船的脚,衡准基线的生成方法如下: (1)广泛收集各类船舶的船型和性能资料,建立船型性能数据库,并不断予以扩充,以此作为衡 准基线确定和更新的数据源,形成对衡准基线研究的有效支持. (2)将船型性能数据库的所有船按功能用途划分为不同类别,如散货船,油船,集装箱船,LPG 船,LNG船,客滚船,汽车滚装船,豪华游船,各种高性能船等.子样越多且分类越细,则生成的衡 准基线就越能反映各类船的客观特征,其准确性和权威性就越高. (3)根据每一类船的速度范围,确定规格化速度系列的数值(,:1,2,3,...,N1. 中国造船学术论文 (4)按照上述目标船速度修正方法,将同一类船中每艘船的规格化为与最接近的规格化值 ,并求出相应的和朋D,mj,则点(,EEDI删)就是参变量=某一常值时衡准基线生成的参 考点,对这些参考点进行拟合或回归分析就口J'以得到该值时的衡准基线.不同值的衡准基线就组 成了该类船的衡准基线图谱. 3EED1m衡准基线生成方法的实例验证 上一节阐述的各类船EED1衡准基线的生成方法,即将EED1衡准基线视为,和船舶类 别的函数,以为自变量,以为参变量,按照小同船舶类别表示既D,的衡准基线的方法,应该 是比较合理而又现实的.现以三大主流船型为实例予以验证. 三大主流船型指的是散货船,油船和集装箱船.散货船和油船均为大方形系数低速船,可视作同 一 类船,具有共同的EED1衡准基线;集装箱船是中等方形系数中高速船,属另一类船,具有不同 于前者的EED,衡准基线. 中国船舶科学研究中心已建成的船型技术性能数据库拥有600余艘船舶子样,汇集了各种船的船 型资料和相应的船模试验资料,以及采用标准方法换算到实船的实船快速性资料,这为生成EED1 衡准基线提供了丰富的数据来源.由于Jp对EEDI值的影响十分重要,为了可靠起 见,本文将公式 (5)中的主机功率改用螺旋桨收到功率Pd代替,因为数据库中提供的由船模试验数据换算而得的实 船Pd能更准确地表征该船的快速性能.设采用Pd时的砸D,记为D,d,则有 EEDI一(g/(t-nm) 在公式(11)中,耗油量SFC取200g/(kW.h),转换系数CF取3.11,与文献[2]的取值稍有差别. 从船型性能数据库中采集的近代三大主流船型子样的,V和,NN2--~的方法对上述两 类船进行的规格化处理和以为自变量,以为参变量,以EEDId为因变量的基于最小二乘法原 理的拟合,可以获得这两类船的EEDIInd衡准基线图谱,参见图2和图3.表1和表2分别给出了相 应于图2和图3的各规格化速度时的拟合函数?A中的系数a和6以及对应的相关指数R. 图2散货船和油船EEDlmd衡准祭线 5l卷第4期(总第l93期)李百齐,等:关于EEDI衡准基线的研究 表1散货船和油船EEDImd衡准基线公式中的系数 注:EEDlmd衡准基线公式为a?A,R.为公式拟合的相关指数. 窝 /t 图3集装箱船EEDImd衡准基线 表2集装箱船EEDImd衡准基线公式中的系数 O0 注:EEDIm拟合公式为a?A,R为公式拟合的相关指数. 由图2和图3可见:(1)不同类别船舶的EEDId衡准基线图谱是不同的,要生成正确的EEd 衡准基线图谱必须首先对船舶进行正确的分类.在生成D,d衡准基线图谱时将散货船和油船视为 同一类别的船是合适的.(2)船速对Ed衡准基线的影响是显着的,因此,船速必须作为影 响ED,d衡准基线的一个重要参变量,参与EEd衡准基线图谱的生成.(3)以为自变量,以 为参变量,按不同船舶类别表示ED,d衡准基线图谱的方法是合理的. 与此同时,为了充分发挥现有资料的作用,文中还顺便给出了这两类船的与,的关系曲线 图谱,可用于进行三大主流船型的功率初估,参见图4和图5.表3和表4分别给出了相应于图4和图 5的各规格化速度时的拟合函数a?A中的系数a和b以及对应的相关指数. 51卷第4期(总第193期)李百齐,等:关于EEDI衡准基线的研究57 4结语 本文对EED,主要部分做了论证分析和实例验证,其方法和结论对完整的D, 就是说,船舶EED,的衡准基线不能仅归结为以为自变量的曲线,而应该是以为 参变量,按照不同船舶类别表示的脚,衡准基线图谱.如果按照这样的方法来规范 的生成和表达,将有助于EED,的正确实施和健康发展,这也是作者撰写本文的主要 参考文献: 也是适用的.这 自变量,以为 EED,衡准基线 目的. Interimguidelinesonthemethodofcalculationoftheenergyefficiencydesignindexfornews hips[C]//Annexl7,MEPC 59/24/Add.1,MarineEnvironmentProtectionCommittee,IMO,10Sep.,2009. Recalculationofenergyefficiencydesignindexbaselinesforcargoships[C]//GHG—WG2/2/7,IntersessionalMeetingof GreenhouseGasWorkingGroup,IMO,4Feb.,2009. TechnicalconsiderationofbaselinesforEnergyEfficiencyDesignIndex(EEDI)[C]//GHG —WG2/2/18,Intersessional MeetingofGreenhouseGasWorkingGroup,IMO,6Feb.,2009. 刘雅玲.新造船能效设计指数介绍与分析[J].中国造船,2009,50(4):165—170. udyonEEDIBaseline LiBaiqi,ChengHongrong (ChinaShipScientificResearchCenter,Shanghai200011,China) Abstraet EEDl(EnergyEfficiencyDesignIndex)isaCO2emissionindexofashipinnavigation.Inthispaper,by meansofdetailresearchontheessenceofEEDIanditsfactors,amethodforexpressingandgeneratingEEDI baselineispresented.Inthismethod,theEEDIbaselineisexpressedasafunctionofcapacity,shipspeedand shiptype.Forthesameshiptype,capacityandshipspeedaredefinedasavariableandaparameter respectively.Itisshown疗 omexamplecalcualationandverificationthatthismethodisreasonable.practical andeffective.ComparedwiththecommonmethodinwhichshipspeedeffectiSnegelected.themethod presentedinthispapercanobtainhigherprecision. Keywords:ship;EEDI;baseline;capacity;shipspeed;power 作者简介 李百齐男,1941年生,研究员,博士生导师.主要从事船舶流体力学,船舶性能等方面 的研究工作. 程红蓉女,1979年生,工程师,硕士研究生.主要从事船舶性能分析,预报与优化方面 的研究工作. ?