邢 輝, 段樹林, 梁炳南, 劉勤安

(大連海事大學(xué) 輪機工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

基于船舶營運數(shù)據(jù)的海運廢氣排放量測算

邢 輝, 段樹林, 梁炳南, 劉勤安

(大連海事大學(xué) 輪機工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

為準(zhǔn)確測算全球范圍內(nèi)的海運廢氣排放，提出一種基于船舶營運數(shù)據(jù)的測算方法。建立基于燃料消耗的排放測算模型，確定與燃料相關(guān)的排放因子和與設(shè)備相關(guān)的排放因子；建立基于船舶活動過程的排放測算模型，確定不同負(fù)荷工況下燃油消耗率與柴油機負(fù)荷之間的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)燃油消耗率和基于燃料消耗的排放因子得到54臺不同類型柴油機基于能量消耗的排放因子。應(yīng)用所建立的2種測算模型，計算并對比目標(biāo)船2014年的廢氣排放量，以驗證利用自上而下和自下而上2種方法得到的海運廢氣排放量測算結(jié)果的有效性。結(jié)果表明:2種模型得到的CO2排放量近似相等，但基于船舶活動過程的NOx，CO，SO2和PM排放量分別比基于燃料消耗的計算結(jié)果偏高13.47%，4.88%，3.92%和1.87%;計算結(jié)果具有可比性但也表現(xiàn)出差異?；谌剂舷牡呐欧艤y算方法比較簡便易行，而基于船舶活動過程的排放測算結(jié)果相對更準(zhǔn)確。

海上運輸；廢氣排放；排放因子；燃油消耗率；海運船舶

Abstract: To estimate accurately the global shipping emissions, an operational data-based estimation approach for exhaust emissions from sea-going ships is proposed. The fuel consumption-based emission calculation model is established, and the fuel-related emission factors and the equipment-related emission factors are defined. The ship activity-based emission calculation model is also established. Moreover, the relationships of Specific Fuel Oil Consumptions (SFOC) against engine load are fitted based on emissions test reports of 54 marine diesel engines. The energy-based emission factors of different types of marine diesel engines for NOx, CO, CO2, SO2and PM are determined by combining the conversion of energy-based emission factors and fuel-based emission factors. The two emission calculation models on a target ship in 2014 are calculated to verify the effectiveness of the estimating results based on top-down and bottom-up methods respectively. The results show that the CO2emissions based on the two models are approximately equal, but the ship activity-based NOx, CO, SO2and PM emissions are more than the fuel consumption-based emissions by 13.47%, 4.88%, 3.92% and 1.87% respectively. The fuel consumption-based emissions calculation method is relatively simple; however, the results from ship activity-based emissions calculation method are relatively more accurate.

Keywords: maritime transport; exhaust emission; emission factor; specific fuel oil consumption; sea-going ship

海上運輸在為經(jīng)濟社會發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)的同時，也對大氣污染物及溫室氣體排放帶來了較大影響。為控制海運廢氣排放，一些區(qū)域性或全球性政策正陸續(xù)出臺。為制定有效的排放控制措施，首先要做的工作就是準(zhǔn)確預(yù)測海運廢氣排放的區(qū)域和數(shù)量。[1]目前，國內(nèi)外對海運廢氣排放測算所采用的方法[1-5]主要有根據(jù)船舶消耗的燃油量采用的自上而下的方法和根據(jù)船舶活動過程采用的自下而上的方法2種。2種計算模型為各機構(gòu)和學(xué)者[3-10]所大量采用，但所得到的排放清單有明顯的不確定性。[2]例如，文獻(xiàn)[1]通過對比發(fā)現(xiàn)不同學(xué)者測得的2001年國際海運CO2排放量在4.4億～8.2億t，2004年和2005年在5.2億～9.6億t；而國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)針對2007年國際海運CO2排放達(dá)成的共識性數(shù)據(jù)為8.7億t。[3]

為得到有效的海運廢氣排放測算方法，提出參照IMO給出的船舶能效營運指數(shù)(Energy Efficiency Operational Indicator，EEOI)計算方法，通過采用基于船舶營運數(shù)據(jù)的操作性方法比較準(zhǔn)確地測算全球海運廢氣排放。對目標(biāo)船舶應(yīng)用測算模型，分別基于自上而下和自下而上的方法對比該船2014年的廢氣排放量，以驗證測算結(jié)果的有效性和測算方法的可操作性。

1 研究方法

參照IMO開展船舶溫室氣體排放測算研究的方法[3-4]，分別采用基于燃料消耗的排放測算模型(模型1,自上而下的方法)和基于船舶活動過程的排放測算模型(模型2,自下而上的方法)開展單船年排放量的測算。

1.1基于燃料消耗的排放測算模型

通過對船舶輪機日志和油類記錄簿進(jìn)行統(tǒng)計分析，可得到船舶1 a當(dāng)中各種類型的燃料消耗量，采用自上而下的計算模型可粗略估算出單艘船舶各成分廢氣的年排放量。估算式為

(1)

式(1)中：Ef為基于燃料消耗的年排放量，kg；M為年燃料消耗量，t；EFf為基于燃料消耗的排放因子，kg/t；m為設(shè)備種類，包括主機、副機和燃油輔鍋爐；n為燃料種類；k為排放物種類。

1.1.1燃料相關(guān)的排放因子

不同類型燃料的含碳量(C%)和含硫量(S%)有差異，其主要對CO2,SO2和PM排放因子有影響。根據(jù)CO2和碳分子量的關(guān)系，確定CO2排放因子[3]；假設(shè)有97.75%的硫轉(zhuǎn)化為SO2[3]，根據(jù)SO2和硫分子量的關(guān)系，確定SO2排放因子；顆粒物排放與硫含量有較大關(guān)聯(lián)，其組成包括有機物質(zhì)、碳粒、硫酸鹽、灰分和水分等，目前還缺少比較全面的數(shù)據(jù)，這里根據(jù)IMO研究報告[3]的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到PM排放因子的計算式。若燃料采用液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)或液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas, LPG)，則各排放物排放因子按IMO研究報告[3]取值。因此，基于燃料消耗的CO2，SO2和PM排放因子見表1。

表1 基于燃料消耗的CO2，SO2和PM排放因子 kg/t

1.1.2設(shè)備相關(guān)的排放因子

設(shè)備相關(guān)的排放因子主要涉及NOx和CO排放及燃?xì)廨啓C、蒸汽輪機和燃油輔鍋爐的PM排放。這里參照IMO研究報告[4]取值(見表2)；燃油輔鍋爐NOx，CO和PM排放因子參照蒸汽輪機取值。

1.2基于船舶活動過程的排放測算模型

1.2.1計算模型

主機、副機和燃油輔鍋爐是船上最主要的排放源。主機和副機的廢氣排放與發(fā)動機標(biāo)定功率(P)、負(fù)荷因子(LF)、運轉(zhuǎn)時間(T)及基于能量消耗的排放因子(EFe)有關(guān)。這里將LF定義為主機和副機的實際運行負(fù)荷Pa與標(biāo)定功率P的比值，即LF=Pa/P；將EFe定義為每千瓦時的能量消耗所對應(yīng)的廢氣排放量。LF隨船舶運行工況、航速、裝載條件、天氣及海況的變化而變化；而EFe與發(fā)動機類型、生產(chǎn)年份和實際負(fù)荷有關(guān)。對于不同船舶或不同航次，因具體的船舶活動過程存在差異，因此其排放量也存在差異。

船舶在一個航次中可能會?？慷鄠€港口，因此針對各個航段分別進(jìn)行廢氣排放量計算。航段定義為船舶從離開一個港口至離開下一個港口所經(jīng)歷的時間段。在一個航段內(nèi)，船舶主機、副機和燃油輔鍋爐會處于不同的運行狀態(tài)，這里將其運行工況劃分為以下3個階段：

(1) 海上定速巡航工況，主機、副機和燃油輔鍋爐運行工況視為恒定不變；

表2 NOx，CO和PM排放因子 kg/t

(2) 抵、離港機動操縱工況，主機降負(fù)荷運行，副機并車運行，燃油輔鍋爐按在港工況運行；

(3) 停泊工況，主機停用，副機和燃油輔鍋爐按在港工況運行。

因此，某船1 a中某種成分廢氣的排放量計算式可表示為

(2)

(5)

式(2)～式(5)中：Ee為基于能量消耗的年排放量，kg；ME為主機；AE為副機；BOILER為燃油輔鍋爐；P為標(biāo)定功率，kW；M為年燃料消耗量，t；N為運行的發(fā)動機臺數(shù)；LF為負(fù)荷因子；T為運行時間，h；EFe為基于能量消耗的排放因子，g/(kW·h)；EFf為基于燃料消耗的排放因子，kg/t；i為某1 a中各航段編號；j為運行工況編號；k為廢氣成分編號；n為燃料種類。

在一個航段內(nèi)，各工況的Pa按主機、副機實際負(fù)荷取值。燃油輔鍋爐都是間歇性、變負(fù)荷運行的，文獻(xiàn)[5]根據(jù)鍋爐標(biāo)定功率及運行時間測算廢氣排放量的方法有待商榷。船舶實際運行過程中對鍋爐僅關(guān)注其日耗油量，因此這里對鍋爐廢氣排放量的計算仍按基于燃料消耗的測算方法進(jìn)行。各航段內(nèi)主機和副機的運行臺數(shù)、實際負(fù)荷、運行時間及鍋爐耗油量均可從船舶輪機日志與副機日志中獲得。

1.2.2排放因子的確定

主機和副機基于能量消耗的排放因子與基于燃料消耗的排放因子存在以下轉(zhuǎn)換關(guān)系。

EFe=SFOC·EFf·10-3

(6)

式(6)中：EFe為基于能量消耗的排放因子，g/(kW·h)；EFf為基于燃料消耗的排放因子，kg/t；SFOC為燃油消耗率，g/(kW·h)。

基于燃料消耗的排放因子EFf根據(jù)表1取值。燃油消耗率與柴油機負(fù)荷有關(guān)，這里通過對我國不同柴油機生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的54臺船用柴油機母型機臺架試驗報告(其中：二沖程低速主機17臺；四沖程中速主機9臺；四沖程高速主機7臺；四沖程中速副機5臺，帶調(diào)距槳定速運轉(zhuǎn)的四沖程中速主機8臺；四沖程高速副機8臺)進(jìn)行統(tǒng)計分析，擬合得到不同負(fù)荷工況下柴油機燃油消耗率與負(fù)荷因子之間的對應(yīng)關(guān)系。

按推進(jìn)特性運轉(zhuǎn)的主機SFOC與負(fù)荷因子之間的關(guān)系采用二次多項式進(jìn)行擬合，即

SFOC(ME)=gmin(ME)CF(ME)(aLF2-bLF+c)

(7)

按負(fù)荷特性運轉(zhuǎn)的副機SFOC與負(fù)荷因子之間的關(guān)系采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，即

SFOC(AE)=gmin(AE)·CF(AE)·LF-d

(8)

式(7)和式(8)中：SFOC為燃油消耗率，g/(kW·h)；ME為主機；AE為副機；gmin為說明書上標(biāo)注的最低燃油消耗率(這里記為理論最低燃油消耗率)，g/(kW·h)；LF為負(fù)荷因子，%；CF為最低燃油消耗率修正系數(shù)；a，b，c，d為方程系數(shù)。

帶調(diào)距槳定速運轉(zhuǎn)的主機SFOC與負(fù)荷因子之間的關(guān)系按式(8)計算。理論最低燃油消耗率gmin根據(jù)各船舶具體機型獲得。各擬合公式的系數(shù)及決定系數(shù)R2見表3。

表3 燃油消耗率擬合公式的系數(shù)

由上述知，不同轉(zhuǎn)速的柴油機按推進(jìn)特性運轉(zhuǎn)和按負(fù)荷特性運轉(zhuǎn)，其SFOC與負(fù)荷因子之間有近似一致的的變化規(guī)律，可分別用二次多項式和冪函數(shù)來反映。但對于不同的柴油機，其SFOC存在差異，這里通過gmin來反映。此外，考慮到發(fā)動機的使用年限，實際的SFOC會發(fā)生變化，這里通過CF對gmin進(jìn)行修正來反映這種變化。若視CF=1，則將主機和副機理論最低燃油消耗率gmin代入到式(7)及式(8)中，得到柴油機各工況下的燃油消耗率；再結(jié)合實際運行負(fù)荷和運行時間，計算得到主機和副機年燃油消耗量通常應(yīng)低于輪機日志的統(tǒng)計結(jié)果。這一方面是由于輪機日志記錄的燃油消耗量是根據(jù)加裝燃油的數(shù)量計算的，對于重質(zhì)燃油通常可能包含少量的雜質(zhì)和水分；另一方面考慮到發(fā)動機的使用年限和性能狀況，其實際的最低燃油消耗率一般應(yīng)高于gmin。這里采用CF對gmin進(jìn)行修正，確保2種模型用于計算的燃油消耗量近似相等。CF根據(jù)式(9)計算得到。

CF=[MFO+MDO-MFC]/MFC

(9)

式(9)中：MFO為實際的重油消耗量(忽略雜質(zhì)和水分含量)，t；MDO為實際的輕油消耗量，t；MFC為按理論最低燃油消耗率gmin計算的燃油消耗量，t。

2 模型應(yīng)用

大連海事大學(xué)教學(xué)實習(xí)船“育鯤”輪6 106總噸，主機為MAN B&W 6S35MC-C低速二沖程柴油機，帶調(diào)距槳恒速運轉(zhuǎn)，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為173 r/min。對其2014年的航海日志、輪機日志、副機日志和油類記錄簿進(jìn)行統(tǒng)計分析，分別采用基于燃料消耗和基于船舶活動過程的測算方法計算其2014年的廢氣排放量。

2.1基于燃料消耗測算模型的統(tǒng)計參數(shù)

“育鯤”輪2014年所加裝燃油的類型及消耗量見表4。實際操作中，燃油消耗總量通過統(tǒng)計2014年輪機日志的燃油存量記錄及該船2014年度的加油量測算得到，所得數(shù)據(jù)基本能反映該船2014年的燃油消耗量；主機、副機和鍋爐的燃油消耗量通過統(tǒng)計每天的燃油消耗量記錄得到。需說明,由于一般船舶均未針對主機、副機和鍋爐分別配置燃油消耗計量裝置，輪機日志中各設(shè)備的燃油消耗量往往是輪機部人員根據(jù)經(jīng)驗大致記錄的，因此輪機日志記錄的數(shù)據(jù)可能與各設(shè)備實際燃油消耗量并不完全相符，導(dǎo)致測算結(jié)果存在一定的誤差。

表4 “育鯤”輪2014年燃油類型及消耗量

2.2基于船舶活動過程測算模型的統(tǒng)計參數(shù)

“育鯤”輪主機和副機基本參數(shù)見表5。采用基于船舶活動過程的測算模型時，需統(tǒng)計的實船參數(shù)包括：各航段內(nèi)定速巡航工況和機動操縱工況下的主機實際運行功率、運行時間、燃料類型及含硫量；各航段內(nèi)定速巡航工況、機動操縱工況和停泊工況下的副機運行臺數(shù)、實際運行功率、運行時間、燃料類型及含硫量；各航段內(nèi)鍋爐日耗油量、燃料類型、含硫量及使用各燃料時的運行時間?！坝H”輪為專用教學(xué)實習(xí)船，不存在貨物裝卸情況，因此無明確意義上的航次，其航段難以從時間和空間上明確分割。根據(jù)該船2014年船舶動態(tài)的統(tǒng)計分析，結(jié)合主機和副機的運行工況，從時間上將其2014年的航行情況分割為9個航段，各航段參數(shù)統(tǒng)計見表6。

表5 “育鯤”輪主機和副機基本參數(shù)

主機在機動操縱階段燃用MDO，在定速巡航階段視為僅燃用LFO；副機各工況視為僅燃用LFO。機動操縱階段主機和副機負(fù)荷波動較大，主機實際負(fù)荷取標(biāo)定工況的10%，副機負(fù)荷取平均值。機動操縱工況廢氣排放量的測算結(jié)果存在較大的不確定性，但考慮到該工況運行時間僅占全年各工況總運行時間的1.91%，認(rèn)為計算結(jié)果可信。

表6 “育鯤”輪2014年主機和副機運行參數(shù)統(tǒng)計

3 結(jié)果與討論

3.1基于燃料消耗的廢氣排放量測算

根據(jù)式(1)、表1、表2和表4，計算得到“育鯤”輪2014年廢氣排放量(見表7)。

3.2基于船舶活動過程的廢氣排放量測算

根據(jù)式(7)～式(9)和表4～表6，確定“育鯤”輪2014年主機最低燃油消耗率修正系數(shù)為1.04，副機最低燃油消耗率修正系數(shù)為1.11。根據(jù)式(2)～式(6)、式(8)及表3～表6，計算得到“育鯤”輪2014年廢氣排放量(見表8)。

表7 “育鯤”輪2014年廢氣排放量(模型1) kg

表8 “育鯤”輪2014年廢氣排放量(模型2) kg

3.32種模型的對比

對比表7和表8，以基于燃料消耗的廢氣排放量測算結(jié)果為基準(zhǔn)，基于船舶活動過程的NOx，CO，CO2，SO2和PM測算值偏差分別為13.47%，4.88%，-0.11%，3.92%及1.87%。2種模型測算的結(jié)果表現(xiàn)出較好的一致性，得到的CO2排放量近似相等。對理論最低燃油消耗率gmin進(jìn)行修正可確保2種測算模型的燃油消耗量近似相等，因此總體來看2種測算方法得到的排放數(shù)據(jù)具有可比性，其NOx，CO，SO2和PM測算結(jié)果表現(xiàn)出的差異主要來自于基于能量消耗的排放因子。但是,柴油機負(fù)荷對基于能量消耗的排放因子的影響主要體現(xiàn)在低負(fù)荷工況上，而實際上一艘船舶1 a中低負(fù)荷運行的時間相對來說較短，因此總的測算結(jié)果差別不大。

應(yīng)用基于燃料消耗的廢氣排放測算模型時會產(chǎn)生誤差，一方面是由于輪機日志的記錄可能無法真實反映各設(shè)備實際的燃油消耗量，另一方面采用恒定不變的排放因子而忽略運行工況的影響也會帶來誤差。采用該模型測算時，只需統(tǒng)計1 a中各設(shè)備的燃油消耗總量，結(jié)合給定的排放因子即可方便、快捷地得出船舶廢氣排放量?；诖盎顒舆^程的排放測算模型對船舶動力裝置的運行工況進(jìn)行詳細(xì)分類，考慮具體工況的負(fù)荷情況，并利用所確立的船舶主機和副機基于能量消耗的排放因子與柴油機負(fù)荷因子之間的對應(yīng)關(guān)系，可較為準(zhǔn)確地進(jìn)行船舶廢氣排放量測算。應(yīng)用基于船舶活動過程的排放測算模型的難點在于準(zhǔn)確獲取各工況的負(fù)荷和運行時間；海上定速巡航工況和停泊工況一般均能準(zhǔn)確地獲知，而靠、離港機動操縱時主機和副機運行參數(shù)均較難準(zhǔn)確獲知。但是，考慮到該工況在總運行時間中占比較小，認(rèn)為測算結(jié)果可信。

在基于船舶活動過程的廢氣排放測算模型中，依然存在輪機日志的記錄不能真實反映各設(shè)備實際燃油消耗量所帶來的誤差的情況，但該模型所使用的排放因子更科學(xué)、合理。此外，基于船舶活動過程的廢氣排放測算模型對船舶各航段和運行工況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計過程比較繁瑣，導(dǎo)致該方法存在一定的弊端。因此，在不過分追求準(zhǔn)確性的條件下，基于燃料消耗的廢氣排放測算模型更簡便易行。

4 結(jié)束語

1) 提出一種基于船舶營運數(shù)據(jù)的海運廢氣排放量測算的操作性方法，分別建立基于燃料消耗和基于船舶活動過程的排放測算模型，確定模型參數(shù)。該方法對準(zhǔn)確測算全球海運廢氣排放總量有一定的參考價值。

2) 分別采用基于燃料消耗和基于船舶活動過程的測算方法計算目標(biāo)船舶2014年的廢氣排放量，2種模型測算的結(jié)果表現(xiàn)出較好的一致性，計算的CO2排放量近似相等。但是，基于船舶活動過程的NOx，CO，SO2和PM排放量分別比采用基于燃料消耗的計算結(jié)果偏高13.47%，4.88%，3.92%和1.87%，計算結(jié)果具有可比性，但也表現(xiàn)出差異。

3) 基于船舶活動過程的排放測算模型中，主機和副機基于能量消耗的排放因子目前僅針對柴油機，缺少雙燃料發(fā)動機、燃?xì)廨啓C和蒸汽輪機的基于能量消耗的排放因子，后續(xù)還需通過大量的樣本測試完善相關(guān)數(shù)據(jù)。此外，各船舶并未定期進(jìn)行實船排放測試，因此具體船舶基于能量消耗的排放因子無法準(zhǔn)確獲知，通過臺架測試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正得到的排放因子會給測算結(jié)果帶來一定的誤差。

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MethodstoEstimateExhaustEmissionsfromSea-GoingShipsAccordingtoOperationalData

XINGHui,DUANShulin,LIANGBingnan,LIUQin’an

(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

X736.3

A

2016-05-16

交通運輸部科技計劃項目(2015328225150); 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(3132016336)

邢 輝(1980—), 男, 湖北浠水人, 副教授, 博士生, 主要從事船舶柴油機動力裝置性能評價與優(yōu)化方面的研究。 E-mail: xingcage@163.com

1000-4653(2016)03-0093-06