薛树业
（上海海事大学商船学院、船舶能效数据中心，上海 201306）
国际航运碳减排是全球应对气候变化行动的一个重要方面，而船舶碳排放相关数据的收集、报告、核查是航运碳减排的一项重要措施和基础工作。国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）海上环境保护委员会（Marine Environment Protection Committee，MEPC）第76 届会议通过的2021 年《防污公约》附则VI 修正案（第MEPC.328(76)号决议）规定的收集和报告船舶燃油消耗数据相关机制和我国的《船舶能耗数据收集管理办法》已于2019 年1 月1 日起实施。
根据《防污公约》，主管机关须根据《2022 年船舶燃油消耗数据和营运碳强度主管机关验证导则》（第MEPC.348（78）号决议）核查船舶报告的相关数据，而该导则提出为便于数据验证，主管机关可核查船舶官方日志等文件。《2022 年船舶能效管理计划编制导则》（第MEPC.346（78）号决议）强烈建议（船舶）定期进行碳排放监测，以核查数据的一致性以及协助验证；
应使用每日报告（如中午报告）或更高频率的数据来监测船舶的燃料消耗等碳排放数据。船舶日志记录了相关数据，因此可基于船舶日志来核查船舶每日或更高频率的碳排放数据。
船舶主机作为主要的碳排放源，其碳排放数据的核查评估对整艘船舶至关重要。目前，船舶主机一般为主柴油机（以下统称主机），因此，通过研究主机、螺旋桨的特性，基于航海日志和轮机日志等船舶日志记录的船舶每日营运参数，利用功率、油耗率之间的关系，估算船舶主机每日的油耗量等碳排放数据，结合船舶装载、污底、深/浅水航区、窄水道、风浪流等情况对船机桨配合的影响，判断主机相关运行参数是否在工作范围内，可为评估船舶日志记录的主机碳排放数据的合理性提供依据，供相关方参考。
主机的动力性指标包括平均指示压力pi、指示功率pi、机械效率ηm、平均有效压力pe、有效功率Pe等；
经济性指标包括指示油耗率gi、指示热效率ηi、有效油耗率ge和有效热效率ηe等。柴油机ηi、gi、ηe、ge、ηm的范围见表1 所示[1]。
表1 柴油机ηi、gi、ηe、ge、ηm 的范围
主机的pe和转速n是互相独立的参数，因此根据pe和n的变化情况，主机特性可分为速度特性、负荷特性、推进特性、调速特性、限制特性等。在不同特性下，主机的动力性指标和经济性指标会有不同的变化规律，并在一定范围内波动。主机允许工作范围是由一组特定的特性曲线限定的，如图1 中阴影部分所示，主机正常运转时pe和n应落在阴影部分区域内。图1 中：横坐标为主机转速相对额定转速的百分比，纵坐标为主机功率相对额定功率的百分比；
曲线l为等排气温度限制线，曲线3 为等扭矩限制线；
曲线2 为全负荷速度特性线，曲线4 为超负荷速度特性线曲线，曲线8为最低负荷速度特性线；
曲线5 为额定功率下的调速特性线，曲线6 为超负荷功率下的调速特性线；
曲线7 为恒定的额定转速下的功率线，曲线9 最低稳定转速下的功率线，曲线10 为最低运转转速下的功率线；
曲线11 为推进特性曲线[1]。
图1 主机允许工作范围
主机在稳定运转时发出的功率与螺旋桨的吸收功率相等，因此主机的工况变化规律与螺旋桨有着相同的特性曲线11，即主机发出功率、螺旋桨吸收功率分别与转速成三次方比例关系；
当船舶阻力增大时，该特性曲线变得陡峭、比例系数变大，反之则变得平坦、比例系数变小。在船舶阻力改变的工况下，如风浪流、深/浅水航区、窄水道、装载、船舶污底以及船舶转向等，以及调距桨桨叶角度发生改变时，螺旋桨的运行工况影响主机的功率和转速，使功率与转速三次方比例关系发生变化，并在一定范围内波动。
综上，根据主机、螺旋桨的相关特性、允许工作范围及机桨的配合，即功率、转速之间的关系，基于船舶日志中记录的各项参数值（尤其是主机运行参数、船舶外部工况参数），结合主机技术文件中的有效油耗率，估算主机每日的油耗量等碳排放数据，可用来推断船舶日志记录的主机油耗量、转速等是否合理。
船舶日志主要包括航海日志和轮机日志，是反映船舶生产活动的原始记录和法定文件，其中记录的多项参数和事项与船舶碳排放息息相关，是船舶报告的碳排放相关数据的重要来源。根据船舶日志记录的每日各项营运信息，可以估算主机日油耗，因此船舶日志记录可为核查评估船舶日志中记录的主机日油耗等碳排放数据提供数据支撑，帮助判断其记录的合理性，是船舶碳排放数据核查的重要依据。
根据《GB 18093-2000 航海日志》，航海日志中航行、气象/海况部分须至少按每班记录，2 次（即2 h 一次）的频率记录规定的内容，中午测算部分在每日中午由二副统计填入，记事栏部分须据实按时间顺序填写有关船舶动态现象及动作，重大事项记录部分由船长或大副记载船上非经常性及重大事件。其中与船舶碳排放密切相关的项目有：计程仪读数、实测时速、推进器转速、气象海况（包括风、波浪、气温等）、抵离港前船首尾吃水、中午测算（包括重油/轻油的消耗量、添加量、现存量，昼夜航程、昼夜平均航速）、影响船舶能耗的事件（包括保障船舶安全或救助海上人命事件、冰区航行）等。
根据《GB 18436-2022 轮机日志和车钟记录簿》，Auto-0 级机舱的内燃机船轮机日志应每天至少记录3 个班次，其中与主机碳排放核查密切相关的项目有：主机平均转速、负荷指示、工作时间，主机燃料油/柴油的今日消耗、上日存结，以及正午报告中的理论航速、实际航速、滑失率、风向、风力、海况等。
忽略燃油品种、环境因素修正等变量的影响，不考虑主机老化、性能下降以及燃油中的杂质、不完全燃烧等因素，对于营运中的船舶，主机在一定稳定运行工作时间内的油耗量可按式（1）计算：
式中：Q主主为主机在一定稳定运行工作时间内的油耗量，t；
P主主为主机在时间T 内平均有效输出功率，其值为轮机日志中记录的负荷指示与主机额定功率的乘积，kW；
T 为轮机日志中记录的主机运行工作时间，h；
ge为主机在P主主下的有效耗油率，g/（kW·h）。对于ge值的获取，可通过查阅船舶主机氮氧化物技术案卷或船舶试航报告等技术资料，得到主机在25%、50%、75%、100%额定功率工况下的有效耗油率，再通过线性插值的方法，获取P主下的有效耗油率ge。
参考《2022 年船舶燃油消耗数据和营运碳强度主管机关验证导则》中规定的差异范围为±5%，超过此范围则为重大差异，综合考虑船舶日志中记录值的测量误差、记录频次以及主机油耗量估算值受燃油品种、环境、主机性能、油耗率取值、燃油燃烧转化效率、燃油中的杂质等多种因素影响，可将主机油耗量估算值相对船舶日志记录值的合理绝对偏差定为5%以内，否则为不合理，需要进一步核查评估。
如某满载船舶，其主机额定功率为9 500 kW，在某航次期间的某日24h 的时间段内，轮机日志记录的主机负荷指示为54%，主机正常运行，各项参数正常。查阅船舶技术资料并通过插值法得到主机在该负荷下使用船用柴油的有效耗油率ge为180g/（kW·h），则在该日24h 内主机消耗的船用柴油的质量可估算为Q主=9500kW×54%×24h×180g/（kW·h）×〖10〗^(-6)=22.16t，同时根据船用柴油和重质燃料油的低热值比例关系（船用柴油和重质燃料油的低热值分别取42 700、40 200kJ/kg），将估算得到的主机消耗的船用柴油的质量转换为23.54 t 重质燃料油。而船舶轮机日志中记录的该日主机重质燃料油消耗量为23.93 t，估算值相对记录值的绝对偏差为1.6%，在合理范围内，可以接受。查阅该日航海日志，无异常事件，船舶航行在大洋上，风为东南向、3～4 级，浪为东南向、2～3 级，推进器转速（即主机转速）为85 r/min，主机功率和转速符合柴油机和螺旋桨的相关特性，与船舶满载静水试航报告中的主机功率、转速（航速）曲线相比，在相同主机功率下，主机转速相对较小，这是因为船舶受气象海况、船体清洁度等的影响，船舶阻力增大，主机推进特性曲线变得相对陡峭。综上，该船舶轮机日志上记录的主机该日的油耗量等碳排放数据是合理的。
根据《防污公约》及相关导则的要求，基于主机特性、船舶日志，提出一种简易的估算船舶主机油耗量的方法，进而与船舶日志记录的油耗量相比，结合船舶营运状况，来核查评估船舶主机营运碳排放情况。由于主机油耗量的估算值受多种因素影响，其与记录值的绝对偏差可定在5%以内。未来可综合考虑主机油耗量估算值的各种影响因素，根据更多的主机碳排放相关数据，结合专家经验值，提出更加准确的计算评估模型，确定合理的估算值相对记录值的偏差范围，为主机碳排放核查提供理论依据。
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