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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
發布日期:2022-06-09 點擊量:11448

邵博士(shi)科(ke)研隨筆(bi)來自于賽思(si)億內(nei)部學習資料(liao),主要是邵博士(shi)給技術人(ren)員有關技術基礎(chu)的培訓(xun)資料(liao),挑選(xuan)有代表性的發布(bu),與業內(nei)的朋友共(gong)享(xiang)。

   背 景 介(jie) 紹(shao)   

本(ben)文檔主要(yao)是(shi)對最近討論(lun)比(bi)較多(duo)的(de)EEDI以及(ji)EEXI進行了(le)一些解讀。很顯然(ran)這個(ge)已經(jing)超出了(le)賽思億的(de)專(zhuan)業水(shui)平,所(suo)以中間(jian)可能有不少理解偏(pian)差和理解較淺薄的(de)地方,然(ran)而我們還是(shi)需要(yao)擁抱這個(ge)知識(shi)。


    什(shen)么是EEDI和EEXI    

EEDI的英文全稱是“Energy Efficiency Design Index”,中文名字是“新船能效設計指數”,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。EEDI指數越高,能源效率越低,主要用于考察新船。

EEXI的(de)(de)英(ying)文(wen)全稱是“Energy Efficiency Existing ship Index”,中文(wen)名字是“現有船舶(bo)能效指(zhi)數”,主要(yao)用于(yu)考(kao)察已建成的(de)(de)船舶(bo),考(kao)察的(de)(de)主要(yao)內容和EEDI類似,但是具體的(de)(de)計(ji)算方法略有不同。


    EEDI的定(ding)義    

1 、EEDI的公式

EEDI用于衡量CO2的排放對于船舶運力的比例,僅僅對新造船有效,用以保證新造船的設計可以滿足能效的要求。EEDI不能用于對于已造船舶的能效評估。

經過多年的(de)演化(hua),EEDI形成了如(ru)下的(de)計算公式:

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1.1 EEDI的公式的分子分析

上述公式一看很(hen)晃眼(yan),我們結(jie)合分(fen)子和(he)分(fen)母(mu)來(lai)考察(cha)。先看分(fen)子如(ru)下:

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分子由(you)四種顏(yan)色的小公式組成,每一個(ge)(ge)小公式基本(ben)認為是4個(ge)(ge)參(can)數的乘(cheng)積,分別(bie)是:

1、f,校正系數,無單位量綱,一般考慮了某些船型等,會有詳細的表格用以查詢,我們并不太需要糾結這些參數。

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),當然也可以認為是沒有量綱。

乘在一(yi)起之(zhi)后,單位是g/h。

在對(dui)上(shang)述分(fen)子(zi)公式(shi)的主要下(xia)標進行一些(xie)解釋(shi),總結(jie)如下(xia):

1、ME,代表主機。

2、AE,代表日用負載。

3、PTI,輔助電推功率。

4、eff,特殊節能技術(其實我也不甚明白具體所指)。

結(jie)合上述分析(xi),我們可以將分子公式(shi)按照顏色(se)總結(jie)成如下的描述,即(ji):

1、紅色部分,代表了主機的CO2排放量。

2、淺藍色部分,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、深藍色部分,代表了由于采用特殊的節能技術而降低的CO2排放量。

乘在一起(qi)之后,單位是g/h。

換句話說,EEDI的公式的分子計算了船舶所有耗能設備導致的CO2總排放量,單位是g/h。

1.2 EEDI的公式的分母分析

再回過頭(tou)來(lai)看EEDI的(de)分母如下:

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包(bao)含了3個部(bu)分:

1、那群f,代表了各種計算時候的校正系數,無單位量綱,主要是希望EEDI可以兼顧盡量多的技術和船型,這里不做過于詳細的分析。

2、Capacity,視船型不同,代表船舶的吃水量,根據船型不同,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),或者是nm/h(海里/小時)。

乘(cheng)在一起之(zhi)后,單位(wei)是(shi)t·nm/h。

換句話說,EEDI的公式的分母計算了船舶的做功能力,單位是t·nm/h。

1.3 EEDI公式總結

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。

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

EEDI越大,則(ze)船(chuan)舶(bo)做功的(de)能(neng)效越好,排(pai)放越少;反之亦然(ran)。

 

2EEDI的一些參數說明

2.1 PME(主機功率)及(ji)其相(xiang)關參數(shu)

PME定義為主機額定裝機功率(MCR)的75%。由于一般認為主機不會100%負荷運行,因此75%被認為是一個比較公平的工作點。

因此CFME和SFCME都需要主機工作在75%的MCR時的油耗和CO2的排放進行代入。

2.2 PAE(日用功率)及其相關參數

和PME類似,PAE也相當重要,而且PAE取值會影響CFAE和SFCAE的取值,最終影響總的CO2的排放量的計算。

PAE一般根據總推進功率來估算,根據總推進功率大于或者小于10000kW,分別有比較嚴格的經驗公式可以套用。然而即便如此,經驗公式也有可能和實際相去甚遠。所以PAE也允許根據電力負荷計算書來獲得。

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量決定。視燃料類型的不同,CF差距很大,可以參見表格 1。

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表格 1 主要燃料的CF參數

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。

進一步,如果能使用甲醇和乙醇,由于碳當量的顯著降低,CO2的排放的下降將導致EEDI的計算產生顯著的優勢。

2.4 SFC

SFC定義了燃料每產生1kWh所消(xiao)耗的(de)質(zhi)量g。SFC和很多因素都有關系。一個EEDI的(de)計算可以(yi)參(can)見表格 2。

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表格 2 一個EEDI的計算例子

從表格 2可以看到,主機導致的SFCME和發電機組導致的SFCAE具有很顯著的差距,分別是165g/kWh和210g/kWh。

2.5 Capacity及其相關參數

定義為(wei)夏季(ji)滿水下的吃(chi)水,其中運(yun)輸(shu)船(chuan)用DWT(載重噸)來計算,客船(chuan)或者客滾船(chuan)用GT(總噸)來計算,集裝箱船(chuan)用70%DWT來計算。

2.6 Vref及其相關參數

Vref定義為無風無浪條件下,在用于EEDI計算的工況下(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,并根據風浪和負載等情況修正獲得。

 

3 、EEDI的標準限值和執(zhi)行階段

根據(ju)上(shang)述(shu)公式計算出來的EEDI,稱為Attained EEDI(EEDI計算值)必須(xu)要小于一個限(xian)定值才能(neng)算合格(ge),這個限(xian)定值稱為Required EEDI(EEDI限(xian)定值)。即Attained EEDI < Required EEDI才能(neng)過關。

遺(yi)憾的(de)(de)是(shi)(shi),Required EEDI是(shi)(shi)一(yi)個變(bian)化的(de)(de)值,說先隨著(zhu)(zhu)船(chuan)舶(bo)噸位的(de)(de)增加而(er)越(yue)來(lai)越(yue)嚴格(ge)(當然這是(shi)(shi)顯而(er)易見的(de)(de),大船(chuan)總比小船(chuan)污染(ran)少),更(geng)為令人發指的(de)(de)是(shi)(shi),隨著(zhu)(zhu)時(shi)間變(bian)化,Required EEDI將會越(yue)來(lai)越(yue)嚴格(ge)。一(yi)個Required EEDI的(de)(de)示(shi)意圖參見圖表 1。

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圖表 1 EEDI在不同階段的標準

隸屬于IMO(國際海(hai)事組(zu)織(zhi))的(de)MEPC(海(hai)洋環境保護委員會(hui))將Required EEDI的(de)設定分為了3個階段(duan)(duan),目前已經開(kai)始(shi)了第(di)一階段(duan)(duan)的(de)執(zhi)行,要求(qiu)在(zai)(zai)2010年的(de)基(ji)礎上進一步下降3%。到(dao)了2050年,則Required EEDI要在(zai)(zai)2010年的(de)基(ji)礎上下降30%。據說現在(zai)(zai)在(zai)(zai)醞釀(niang)第(di)四階段(duan)(duan)。

 

4、軸帶發電的EEDI計算

EEDI采用一種非(fei)常理性的(de)方式計算軸帶發(fa)電(dian)的(de)EEDI值如果(guo)我(wo)們聚焦EEDI的(de)分子(zi)部(bu)分的(de)紅色(se)主(zhu)機功率排(pai)放(fang)部(bu)分和淺(qian)藍色(se)的(de)日用電(dian)源(yuan)的(de)排(pai)放(fang)部(bu)分,則(ze)傳統的(de)計算公式為:

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如(ru)果主機里面有一部分功率(lv)用于PTO了(le)。則該公式變為(wei):

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也就是說,能量仍然守恒的,主機節約的PTO功率被用于日用電了。然而,兩者的系數CF和SFC有區別,特別是SFC的取值,參見2.4的描述,兩者的差距可以達到10%~20%之間。

這是軸帶(dai)項目降低EEDI的主(zhu)要原理。

假設軸(zhou)帶的(de)功率占(zhan)據主機(ji)功率的(de)10%,CF和SFC相(xiang)差15%,EEDI可以下(xia)降1.5%。

假設軸帶的功率占(zhan)據主(zhu)機(ji)功率的15%,CF和SFC相(xiang)差20%,EEDI可以下降3%。


  &nbsp; EEXI的定(ding)義,以及和EEDI的區(qu)別(bie)    

EEXI側重于對于現有船舶的(de)能效認定,特別(bie)針對那些生產較早而沒有在設計階段(duan)計算過EEDI的(de)船舶而言。

EEXI的(de)(de)基(ji)本計(ji)算方法和EEDI的(de)(de)計(ji)算方法高度相似,即無論是計(ji)算公式還(huan)是公式所代表的(de)(de)含義都是完全一致(zhi)的(de)(de),也針對這個原(yuan)因,只要EEDI已經驗證,并(bing)且Attained EEDI < Required EEDI,那么Attained EEDI就可以(yi)直接認定為Attained EEXI。

就是因(yin)為兩(liang)者高度相似,因(yin)此這里主(zhu)要提一下(xia)EEXI和EEDI的不同(tong)之(zhi)處。

1、PME(主機功率)的認定

EEDI將PME定義為主機額定裝機功率(MCR)的75%。

然而在EEXI計算中,允許對主機安裝一個非永久性的“限功率裝置”(Shaft / Engine Power Limitation),此時主機的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MCRlim真的是一個大殺器,本質上給EEXI的計算提供了一個合法的降功率輸出的“后門”。我們知道P/Vref基本上呈現出隨著功率上升而越來越不經濟的情況,換句話說增加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算可以顯著提升EEXI的計算值。

2、PAE(日用功率)的認定

EEDI可以接受經驗公式,或者采用電力負荷計算書來認定PAE。EEXI在此基礎上接受使用實際運營的年度平均值來認定PAE

EEXI還增加了(le)郵(you)輪和客滾船的經驗(yan)計算公(gong)式。

3、SFC的認定

SFC定義了燃(ran)油消耗率,最好可以根據臺架試驗報告進行(xing)插值(zhi)計算。然而(er)一(yi)些較早的(de)船可能連臺架試驗報告也不(bu)具備,此時EEXI的(de)計算給(gei)出(chu)了一(yi)個缺省參(can)考值(zhi)。即:

SFCME ≈ 190g/kWh

SFCAE ≈ 215g/kWh

仍然,主機的認(ren)定顯著優于發電機組(zu)的認(ren)定。

EEXI的(de)SFC認(ren)定還可(ke)以接(jie)受經驗(yan)證方批準的(de)由制造商提供的(de)SFC值。


&nbsp;  結                論   

本(ben)文(wen)檔介紹了(le)EEDI和EEXI的若干(gan)基礎知識(shi),可以達到(dao)如下結論:

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

2、EEDI主(zhu)要(yao)用于(yu)考(kao)察(cha)新船,EEXI主(zhu)要(yao)用于(yu)考(kao)察(cha)已建(jian)成船舶(bo)。

3、EEDI和EEXI的(de)計算方(fang)式基本一致(zhi),略有區別。

4、EEDI的(de)限定標(biao)準采用分階段執行(xing)的(de)方式,會(hui)越來越嚴格。

5、采用軸帶發電,可以(yi)降低(di)EEDI或者EEXI幾個百(bai)分點。

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