基于营运数据的船舶能耗评估方法研究_周诗楠.pdf

第 31 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.31 No.1Jan.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言随着全球工业化发展，温室气体排放问题日益加剧，在过去的 40 年中，全球温度逐年攀升，抑制全球气候变暖增速刻不容缓。船舶航运目前仍是国际贸易运输的主要途径，海运为全球带来经济性和便利性的同时，也对海洋环境造成了恶劣影响。国际海事组织（IMO）始终致力于解决船舶造成的大气污染问题，在 MEPC72 次议上，IMO 就船舶温室气体减排问题展开讨论，并颁布了初步战略1，该战略着眼于国际航行船舶年温室气体排放量，以 2008 年水平为标准，并规定 21 世纪中叶时的水平要相较标准减少至少一半。IMO 在 MEPC76 会议上，正式引入了船舶营运碳强度指标（CII）的概念2，这一概念用于衡量国际航运船舶的 CO2排放量，并以Attained CII和Required CII来衡基于营运数据的船舶能耗评估方法研究周诗楠1,2，孙文愈1,2，王艳霞1,2，邹姝妍1,2（1.中国船舶科学研究中心，上海 200011；2.深海技术科学太湖实验室，江苏 无锡 214083）摘 要：船舶温室气体减排始终是船舶业及航运业的重要议题，近年来，国际海事组织 IMO 加大了船舶碳排放强度的监管力度。本文基于 IMO 颁布的船舶营运碳强度指标 CII，提出了一种逐日营运碳排放强度的评估方法，用以监测营运船舶碳排放强度水平，便于在船舶营运过程中及时控制和干预营运碳排放强度。同时，以实船营运数据为例，对该方法进行说明和演示。在此基础之上，验证了船舶的主机功率和转速与船舶营运碳排放强度的强相关性，为降低船舶营运碳排放强度提出了有效方法。关键词：船舶营运；船舶能效；营运碳强度中图分类号：U661.32 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2019.02.035引用格式周诗楠，孙文愈，王艳霞，等.基于营运数据的船舶能耗评估方法研究 J.船舶物资与市场,2023,31(1):111-114.收稿日期：2022-08-20作者简介：周诗楠（1994-），女，助理工程师，研究方向为船舶能效分析。量船舶的营运碳强度。IMO 在 MEPC78 会议上，对CII的计算评估方法进行了修订3，并明确指出，2023 年 1月 1 日之后，将针对总吨 5000 t 以上的国际航行船舶强制执行CII的年度评级工作，评级不达标的船舶将无法正常营运。因此，应对和解决CII的强制执行迫在眉睫，亟需有效地监管手段。油船是国际航运的主流船型之一，其承担着重要的能源输送任务。本文从油船营运数据入手，基于CII的计算评级方法，建立船舶逐日营运碳排放强度评估模型，在此基础之上，针对影响船舶营运碳强度的关键因素进行分析，为应对船舶CII的强制执行提供解决思路。1 油船营运数据分析油船是涉及到国际航线较多的一类船型，在各项减排规则的压力之下，油船的设计和优化的难度与日俱图 1 国际航行油船中国往返中东地区航线图船舶物资与市场第 31 卷 第 1 期 112 增，同时，船舶能效将随着营运时间的增长逐步降低，而CII的评估规则使得营运船舶面临着巨大的履约压力。船舶营运数据信息能够从多方面反映船舶营运情况 4，本文收集了 18 型油船在 2019 年和 2020 年的实船运营数据，并选取中国往返中东地区的航线进行分析，其航线如图 1 所示。对于油船中国往返中东地区的航线而言，一般分为2种工况，从中国到中东地区为压载工况（Ballast 工况），从中东地区到中国为满载工况（Loaded 工况），往返称为一个航次。图 2 和图 3 分别展示了本文所收集的 18型油船在 2019 年和 2020 年不同航次的航速情况，对于Ballast 工况，其总平均航速约为 12.1 kn，对于 Loaded工况，其总平均航速约为 12.2 kn。v/kn序号年总平均航速航次平均航速图 2 中国往返中东地区航线上 Ballast 工况下总平均航速序号航次平均航速v/kn年总平均航速图 3 中国往返中东地区航线上 Loaded 工况下总平均航速图 4 和图 5 分别展示了本文所收集的 18 型油船在 2019 年和 2020 年不同航次的油耗情况，对于 Ballast工况，其总平均油耗约为 41.32 t，对于 Loaded 工况，其总平均油耗约为 56.31 t。船舶营运能效的优化一般体现在航线优化、航速优化和纵倾优化方面5。对于油船而言，中国-中东航线是经验证的常用且成熟的航线，从航行路线角度上看，优化空间较小，而纵倾优化是贯穿船舶设计和营运周期的优化过程，上述 2 种优化手段需要采集大量的船舶设计与营运能效数据。船舶航速优化是其中比较直接可控的技术，仅通过降航速就能够达到降低船舶排放的目的，然而船舶降速区间受到实际营运过程中的经济和商业因素的限制，本文所统计的平均航速和油耗数据能够在一定程度上反映中国-中东航线的油船营运状态，可以作为航速优化的参考。2 船舶营运碳强度计算方法 MEPC78会议上对船舶营运碳强度指标CII的计算、评级及修正方法进行了修订，规定 Attained CII 为船舶在一个日历年中排放的 CO2总质量与其运输功之比，可表示为：Attained CII=M/W，（1）M 为一年中船舶的 CO2排放总量，g，可表示为：M=FCj CFj，（2）式中：j 为燃油类型；FCj为 IMO 的 DCS 系统公布的该船在该年中燃油 j 消耗的总量，g；CFj为燃油 j 的碳转化系数。W 为一年中该船的总运输功，单位为 DWTn mile或 GTn mile，可表示为：W=C Dt，（3）式中：C 为船舶运载能力；Dt为一年中该船的航行总里程，n mile。oil/t序号年总平均油耗航次平均油耗oil/t序号年总平均油耗航次平均油耗图 4 中国往返中东地区航线上 Ballast 工况下总平均油耗图 5 中国往返中东地区航线上 Loaded 工况下总平均油耗第 1 期 113 周诗楠，等：基于营运数据的船舶能耗评估方法研究CII 以 2019 年的碳强度排放水平为参考基准，其计算方式：CIIref=aC-c，（4）式中：系数 a 和 c 是根据 IMO 基于 2019 年的参考基准回归拟合出的参数。CII 的折减系数为：Required CII=(1-Z/100)CIIref，（5）式中：Z 为折减系数，随着年份的增加而增大。IMO 定义了 4 个边界，用以评定船舶营运碳强度水平，并依据该边界划分结果，将船舶的碳强度排放水平分为 A 至 E 五个等级。边界值的计算公式为：superior boundary=exp(d1)Required CII lower boundary=exp(d2)Required CII upper boundary=exp(d3)Required CII inferior boundary=exp(d4)Required CII，（6）式中：superior boundary 为优秀边界，lowerboundary 为良好边界，upper boundary 为合格边界，inferior boundary为较差边界；d1，d2，d3和 d4为 IMO 基于 2019 年的参考基准回归得到的值，其数值与船舶类型相关。图 6 为 CII 评级示意图，船舶 CII 水平根据 Attained CII 所处的评级区间确定。较差边界EDCBA合格边界Required CIId1d2d3d4良好边界优秀边界图 6 船舶 CII 评级示意图2023 年之后，从事国际航运的船舶，每一年均需要对其 CII 水平进行验证，CII 评级为 A、B 和 C 级的船舶，即为营运能效达标的船舶，对于营运能效不达标的船舶，将无法获得 CII 符合声明。3 船舶逐日营运碳排放强度评估方法船舶 CII 的评级需要在下一日历年进行，考虑到Attained CII 与船舶营运方式有关，及时衡量船舶营运碳排放强度水平并对其进行调整，有利于下一日历年时船舶CII的评级。本文提出一种逐日营运碳强度评估方法，用于监测船舶营运碳强度的水平及其变动。定义 Daily CII 为该日历年内截至第 n 天的船舶营运碳排放强度，公式为：DailyDailyMDaily CWII=，（7）式中：MDaily为该年内截至第n天的船舶CO2排放总质量，如下：,1 nDailyi jFjiMFCC=，（8）式中：j 为燃油类型，FCi,j为船舶在该年内第 i 天消耗燃油 j 的质量（单位：g），CFj为燃油 j 碳转化系数。WDaily为船舶在该年内截至第n天的总运输功，如下式：1 nDailyiiWCD=。（9）式中：C 为船舶运载能力，Di为船舶在该年内第 i 天的航行距离，n mile。以某一油船（简称为 SHIPA）2020 年的营运数据为例，表 1 为该船舶 2020 年 CII 评级参考线。表 1 SHIPA 的 2020 年 CII 评级参考线序号名称值1Attained CII2.3862优秀边界1.9573良好边界2.2194合格边界2.5305较差边界3.055 图 7 为该船舶在 2020 年逐日营运碳排放强度变化情况，船舶在营运航行时，其营运碳排放强度存在波动，若营运碳排放强度过高，则需要及时进行干预，避免造成船舶 CII 评级较差的情况。CII/(g/kWh)Daily CII -Required CII 优秀边界 良好边界 合格边界 较差边界图 7 SHIPA 的 2020 年逐日营运碳排放强度变化情况4 基于船舶逐日营运碳排放强度评估的分析研究基于本文提出的船舶逐日营运碳排放强度评估方法，验证得到船舶主机功率和转速与船舶营运碳排放强度呈正相关。图 8 和图 9 分别为 2020 年 SHIPA 的主机船舶物资与市场第 31 卷 第 1 期 114 功率、转速与逐日营运碳排放强度的关系。Daily CII/(g/kWh)Pavg,n/kW5000 7000 9000 11000 13000 15000图 8 2020 年 SHIPA 的 Pavg,n与 Daily CII 的关系Daily CII/(g/kWh)navg,n/(r/min)45.00 50.00 55.00 60.00 65.00 图 9 2020 年 SHIPA 的 navg,n与 Daily CII 的关系其中，Pavg,n为该日历年内，截至第 n 天的主机平均功率，navg,n为该日历年内，截至第 n 天的主机平均转速，从图中可以看出，该船的逐日营运碳排放强度值与主机功率和转速存在着高度的正相关性，因此可以通过控制船舶主机转速的方式，达到降低船舶 CII 的效果。同时，这种方式也直接导致了船舶航速降低，具体在营运过程中，需结合实际情况，考虑经济性和实用性，不能无限制地降低航速。除此之外，Attained CII 的值受到了多种因素的影响，包括船体线型、航行环境和船舶养护情况等等，部分营运状况较差的船舶，其 CII 水平也较差。由于评定规则中折减系数的存在，Required CII 的值不可避免地逐年递减，从而导致了 CII 评级边界的降低，即便船舶在营运过程中没有收到其他因素的影响，其 CII 评级仍然会出现逐年下降的趋势。因此，改变船舶营运方式，及时对船舶营运状态进行评估尤为重要。5 结语船舶营运碳排放强度 CII 是国际海事组织 IMO 为制约营运船舶温室气体排放而提出的衡量指标，其衡量标准由船舶历史数据回归而确定。CII 能够客观科学地对比同类型船舶的营运能效表现，评价方法简单，结果明确。CII 于 2023 年 1 月 1 日正式生效，对于船舶营运公司而言，计算评估船舶 CII 水平迫在眉睫，本文提出的船舶逐日营运碳排放强度评估方法能够有效地监测营运船舶的碳排放强度水平变化，实现了 CII 指标评估与警示的功能，为营运船