世界经济的发展对矿产能源的需求越来越大。能源消耗过程中产生大量的碳排放, 破坏了地球环境。尽管

大船单位能耗极大下降, 经济效益特征明显, 但是单船排放量仍十分巨大。譬如, 14 000箱位的大型集装

箱船每天消耗燃油300 t左右, 碳排放量每天为996.608 t。[1]

对于减少船舶排放的问题, 国内众多研究从船舶动力技术、船舶阻力优化、复合环保技术以及其他节能环

保技术的角度进行了研究。漆福洁介绍了船舶能效设计指数 (EEDI) 的由来, 详细分析了其计算公式及

EEDI基线公式, 提出了降低CO2排放措施。[2]郑宝成提出了具体的措施, 包括修改喷油器、住宿、导航、

供暖, 安装和使用最佳主机的可能解决办法。连廷耀分析了能效管理计划制定所存在的问题, 并在此基础

上从船舶航行与设备、船舶运营管理与人员两个角度提出船舶能效管理的具体优化措施, 具有较强的参考

意义。[3]苏一提出基于能效管理的船舶航速系统优化设计, 计算船舶营运的经济航速, 与航行航线、航

空公司的气象、水门等相结合, 持续调整船舶航行速度的模型。[4]上述研究多集中于理论研究, 针对船

舶能效营运指数 (EEOI) 不同方面的影响因素进行分析并给出改进措施。

本研究从EEOI的定义出发, 考虑船舶运行中EEOI的影响因素, 通过对新美洲轮实际运行数据的分析, 结合

理论计算, 对能效指标进行进一步研究, 探索降低船舶能效运营指数的有效途径, 从而为船舶节能减排提

供参考。

1 船舶能效运营指数 (EEOI)
1.1 基本概念
船舶能效营运指数 (ship energy efficiency operation indicator, EEOI) 是指船舶单位运输作业所排

放的CO2量, 是消耗燃油所排放的CO2与货物周转量的比值。

1.2 EEOI公式解析
2009年IMO发布MEPC.1/Circ.684指南, 其中EEOI可表示为:

 
式中:表示船只营运二氧化碳排放量, Q表示船只运输所做的功。[5]

从公式 (1) 可以看出, EEOI反映了船舶载货量与运输距离的乘积即单位货物周转量的二氧化碳排放量,

因此公式 (1) 也可以变为:

 
式中:i为燃油类型, FCi为一个航次某类燃油的消耗量, CFi为燃油i的燃油量与CO2量转换系数, Mcargo为

客船所载货物 (t) 或所做的功 (标箱或乘客数量) 或总吨, D为对应所载货物或所做的功的距离 (海里)

。

在计算船舶一段时间或几个航程的EEOI平均值时, 公式可变为:

 
从以上公式各项因子的含义可以看出, 船舶能效营运指数 (EEOI) 主要与主副机、锅炉等燃料消耗导致的

排放、船舶航行距离及载货量有关;对于主机、副机和锅炉的CO2排放不但要计算船舶航行期间的排放值,

还要计算在港停泊期间的排放值。因此, 要降低船舶能效营运指数值, 除了需要总体上考虑如何降低主副

机和锅炉的燃油消耗量外, 船舶航线的优化、船舶总能系统效率的提高也是降低船舶能效营运指数的有效

方法。[6]

2 EEOI的影响因素
2.1 新美洲轮柴油机技术参数
本研究以新美洲轮为例, 从增压器数量、船舶航速、装卸货以及主机气缸注油率等方面进行实验, 探究各

因素对船舶能效运营指数的影响。该轮柴油机技术参数如表1所示。该轮机舱为配备轴带发电机, 除废气

锅炉和废气涡轮增压器等常规的节能装置, 其他的节能减排装置未另外安装。

表1 新美洲轮柴油机技术参数     下载原表

 表1 新美洲轮柴油机技术参数
2.2 增压器运行数量
船舶行驶过程中需要根据船舶吃水、船体清洁状况、海况及航道状况等调整主机转速。[7]合理配置增压

器数量是调整主机转速的主要方法, 这可以有效提高船舶能效。

在航行中测得3台增压器工况下的能效数据, 再减少增压器数量, 得到2台增压器工况下的能效数据, 如图

1所示。从图1可以看出, 3台增压器工况下的效率最大值为105%左右, 2台增压器工况下的效率最大值为

123%左右;同时, 曲线幅值对应的角相位并没有发生变化。这表明通过适当减少增压器的运行数量, 例如

将增压器数量从3台减少为2台, 可以有效提高运行效率。

 图1 2台增压器与3台增压器的效率对比
图1 2台增压器与3台增压器的效率对比   下载原图

同时, 项目组也研究了从不同数量增压器工况下切断单个增压器的能效变化状况。如图2所示, 相比标准

曲线, 分别从2台、3台、4台增压器工况切断单个增压器的能效有不同程度的降低;从最优发动机低负载性

能上对比, 2台增压器中切断1台, 能够承受最大负载为40%;3台增压器中切断1台, 能够承受最大负载为

65%;4台增压器中切断1台, 能够承受最大负载为75%。

 图2 从多个增压器中切断单个增压器后的能效变化
图2 从多个增压器中切断单个增压器后的能效变化   下载原图

2.3 船舶航速
船舶航速优化是提升能效的重要手段, 在规定时间内, 以低速航行的船舶能耗率比中高速航行的船舶能耗

率低, 以较低的负载行驶能够大大地提升能效。[8]根据新美洲轮航行数据可得负载与耗油率的关系, 如

图3所示。在低于75%的负载下, 单位功率耗油量随着负载的增加而减小;在75%处降到最低点181.5g/kW·h

左右, 在75%以上工况下, 单位功率耗油量急剧上升。

 图3 负载对耗油率的影响
图3 负载对耗油率的影响   下载原图

以巴生到苏伊士航段为例, 航行里程大约为4 800 n mile, 可将负载取25%、50%和75%进行计算, 平均滑

失率为15%, 25%负载对应的实际航速为15.6 kn, 功率为17 130 kW, 耗油率为193.4 g/kW·h;50%负载对

应实际航速为19.6 kn, 功率为34 260 kW, 耗油率为185.2 g/kW·h;75%负载对应的实际航速为22.4 kn,

功率为51 390 kW, 耗油率为181.5 g/kW·h。

 
 
 
通过计算可得, 25%负载能够在相同航行里程中省几百吨燃油, 较大地提升能量使用率, 能够满足船舶正

常行驶的最低航速。新美洲轮实际航行时, 在规定时间内完成航行任务情况下时, 使用25%负载航行, 中

间使用50%负载运行1 h为最佳。

2.4 装卸货时间
为了节省燃油消耗, 船舶正常航行时需要降速行驶。在固定航段有固定的时刻表, 为了能够充分降速行驶

并且不耽误航行时间, 减少港口的装卸货时间是关键环节。

以巴生到苏伊士航段为例, 总长4 800 n mile, 正常行驶12天, 若装卸货每天节省2 h, 则节省24 h。在

不节省24 h的情况下, 航行负载相当于32%, 耗油量为1 172 t, 而节省24 h的情况下, 航行负载相当于

25%, 耗油量为1 019 t, 总共节省153 t燃油。因此, 优化装卸货时间也是提升能效的重要途径。

2.5 主机气缸油注油率
船舶的节能减排不只体现在燃料油的节省, 对主机气缸油的节约控制也是一笔可观的成本节约, 能够有效

改善EEOI。以MAN B&W12K98MC-C型主机为例, 额定功率为68 520 kW, 额定转速为104 r/min, 使用SHELL

牌ALEXIA50气缸油, TBN值为70。按主机50%负载运行 (当前普遍降低负载运行, 功率为34 260 k W, 转速

为83 r/min) , 每月主机运行520 h计, 若注油率从1.2 g/kW·h调低到0.70 g/kW·h (减少0.50

g/kW·h) , 则主机一年总做功213 782 400 kW·h, 可节约气缸油106 891 200 g, 约106.9 t, 按保守价

每吨1万元计算, 可节约106.9万元。

3 结束语
在综合国内众多理论研究的基础上, 通过船舶能效运营指数公式结合实船运行分析数据, 从优化增压器数

量、航速、装卸货以及主机汽缸油注油率等方面探讨了改善船舶能效运营指数的效果, 验证了相关计算理

论的正确性, 可以作为船舶运营管理的参考。海况、气象等外部因素对船舶航行成本有较大影响, 因此对

其成本的控制还需要进一步深入研究。