CC BY
63УДК 502.5:629.5.03
В.В. Медведев, С.Н. Киселёв
Санкт-Петербургский государственный морской технический университет,
Санкт-Петербург, 190121 e-mail: v_v_medvedev@mail.ru
РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ EEDI
Объектом пристального внимания Международной морской организации (ИМО) являются вопросы снижения вредного воздействия судоходства на окружающую среду. Для уменьшения выбросов парниковых газов ИМО ввело требования к уровню конструктивного коэффициента энергетической эффективности (ККЭЭ - EEDI) новых судов. Предложенная в работе программа, реализующая вычисления EEDI, позволяет обсчитывать варианты практической реализации различных способов повышения энергетической эффективности судов. Это может служить обоснованием выбора наилучшего варианта. Графический интерфейс (GUI) и код программы написаны с помощью языка программирования Python версии 3.6 с помощью интегрированной среды разработки (IDLE) PyCharm 2017.2.4. Результатом расчета программы является вывод достигнутого коэффициента EEDI, а также графика с положением вычисленного показателя относительно базовой линии. Программа предназначена для использования в учебном процессе и научно-исследовательской работе.
Ключевые слова: выбросы парниковых газов, энергоэффективность судна, защита морской среды.
V.V. Medvedev, S.N. Kiselev
Saint-Petersburg State Marine Technical University, St. Petersburg, 190121 e-mail: v_v_medvedev@mail.ru
DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION OF THE PROGRAM FOR EEDI ENERGY EFFICIENCY DESIGN COEFFICIENT CALCULATING
The focus of the International Maritime Organization (IMO) is on reducing the harmful impact of shipping on the environment. To reduce greenhouse gas emissions IMO imposed requirements for the level of constructive coefficient of the energy efficiency (EEDI) of new vessels. The proposed program implementing EEDI calculations allows to calculate variants for practical use of various ways of the ship energy efficiency improvement. This can serve as a justification for choosing the best option. The graphical interface (GUI) and the program code are written using the Python programming language version 3.6 with the PyCharm 2017.2.4 integrated development environment (IDLE). The result of the program calculation is the deduction of the achieved EEDI coefficient, as well as the graph with the position of the calculated indicator relative to the baseline. The program is intended for use in the teaching process and research work.
Key words: greenhouse gas emissions, ship energy efficiency, marine environment protection.
Введение
Международная морская организация (International Maritime Organization - IMO, далее ИМО) с прошлого века проводит политику, направленную на сокращение выбросов диоксида углерода (CO2) с судов [1]. Важным инструментом этой политики является конструктивный коэффициент энергетической эффективности (ККЭЭ - EEDI). Он предназначен для использования как при постройке новых судов, так и при их эксплуатации [2]. После вступления в силу MEPC.212(63) Руководство по методу расчета EEDI (Energy Efficiency Design Index), а затем MEPC.245(66) поставлена цель - обеспечить требуемый уровень EEDI, который определяется установленными нормами (базовыми линиями). Предусмотрено несколько фаз уменьшения этого уровня. После прошедшей нулевой фазы следующая действует до 31 декабря 2019 г., далее -последуют еще две. Уже изначально был зафиксирован достаточно жесткий требуемый уровень. В последней фазе, после 1 января 2025 г., величина снижения должна составить до 30%. Данная
цель вполне достижима и может быть реализована различными способами [3]. Известны примеры специальных калькуляторов для вычисления EEDI, например, популярный некоторое время BIMCO EEDI Calculator (на сайте BIMCO на момент публикации он уже не действует). Однако их неудобно использовать в рамках как учебного процесса, так и в научно-исследовательской работе, так как отсутствие доступа к коду программ не позволяет контролировать процесс расчета, особенно для оригинальных способов повышения энергоэффективности. Целью данной работы является выяснение актуальных принципов расчета EEDI с последующим созданием и отладкой программы-калькулятора для вычисления вышеупомянутого коэффициента.
Анализ формулы конструктивного коэффициента энергетической эффективности
(ККЭЭ/EEDI)
В качестве исходных материалов для описания формулы были использованы источники [1], [4-9]. Анализ указанных источников показал, что формула для расчета EEDI находится в процессе перманентного совершенствования. Последнее касается состава входящих в формулу величин, толкования этих величин и алгоритмов их определения. Можно констатировать, что этот процесс еще не завершен, т. к. остаются «белые» пятна, касающиеся реализации сложных способов повышения энергетической эффективности судов, например при использовании гибридных установок, дизель-электрических установок и установок с турбинным двигателем. Поэтому разработка собственной программы для расчета EEDI с открытым для совершенствования кодом является актуальной.
В настоящее время формулу для определения EEDI можно записать в следующем обобщающем виде:
/l—\М "ME \ *
( П /-lfJ )( X i =1 PME (i) ' CFMEi ' SFCMEi ) + PAE ' CFAEi ' SFCAE
EEDI - ±-—---+
f • Opacity-Vref •
nM iZ—^nPTI .— "ejf\ /—^"ff \\
J-1fJ ( (Xi-1 PPTI(0) - Xi-1 PAEf ) ' CFAEi • SFCAE - (Xi=i Lff ' Pf ' Cf ' SFCMEi )
+---^-----------'-¡- (1)
f • CaPacity -Kef ■ fw
с размерностью (гС02)/(на тонну перевезенного груза на 1 милю).
Входящие в уравнение (1) данные объединяются в четыре члена в числителе и один в знаменателе: выбросы от главного двигателя; выбросы от вспомогательного двигателя; выбросы от работы валогенератора/электромотора (обратимого валогенератора PTO/PTI); технологии эффективности и работа по транспортировке грузов, соответственно. Данная формула предусматривает учет снижения мощности как основного, так и вспомогательного двигателей за счет применения индивидуальных технологий для повышения энергетической (механической) эффективности. Предусмотрен учет связи между расходом топлива в двигателе (г) и выбросами СО2 (г), определенными по содержанию углерода С в конкретном топливе. С помощью поправочных коэффициентов, входящих в формулу (1), производится учет специфической конструкции элементов судна конкретного типа, доступность инновационных технологий, учитывается снижение скорости при определенном неблагоприятном состоянии моря в зависимости от высоты и частоты волны, а также от скорости ветра, ледовый класс судна. Для определения значений этих коэффициентов рекомендованы соответствующие зависимости, представленные обыкновенно в табличной форме.
Требуемый (нормативный) EEDI определяется произведением значения величины базовой линии для конкретного типа судна на множитель «(1-Х/100)», в котором присутствует уменьшающий фактор Х, зависящий от типа судна, его размеров и четырех временных фаз применения этого фактора. Значение базовой линии является степенной функцией от параметра CAPACITY судна, который характеризует массовые характеристики судна (параметр принимает значение дедвейта, либо валового регистрового тоннажа в зависимости от назначения судна [6]), а входящие в нее коэффициенты «а» и «с» зависят от типа судна.
Выполнение расчета по формуле (1) требует тщательности в подготовке исходных данных и внимательного отношения к выбору соответствующих условиям расчета вспомогательных зависимостей и коэффициентов. В этих условиях компьютеризация играет важную роль в повышении качества производимых расчетов.
Программа вычисления коэффициента EEDI
Задача разработки программы для вычисления конструктивного коэффициента энергетической эффективности EEDI решалась последовательно, от простейших расчетов к более полным. Сначала была создана программа-калькулятор для судов, имеющих традиционную установку с общим типом топлива как для основных, так и для вспомогательных двигателей (рис. 1), затем - для с разными типами топлива для основных и для вспомогательных двигателей (рис. 2). Последний вариант (рис. 3) является наиболее полной реализацией действующих на текущий момент нормативных правил и рекомендаций для расчета EEDI, учитывающей тип и состав энергетической установки и технологии эффективности при их наличии. Одновременное использование всех трех калькуляторов удобно в учебном процессе, т. к. позволяет реализовать принцип изучения от простого к более сложному. Иногда использование более простого калькулятора удобно и для научно-исследовательских расчетов.
/ ЕЕ01 Са1с - п
MCR_ME, кВт Р АЕ, кВт CAPACITY, т С Балкер
2760 1200 12000 Газовоз
SFC_ME, г/кВт*ч SFC.AE, г/кВт*ч V.REF, уз (* Танкер
[200 220 9 С" Контейнеровоз
C.FME Судн о для ген груза
С Рефрижератор
Тип топлива Г Комбинированное судно
1 Шизел ьн ое/Газойл ь
2)Л егкое жидкое топливо 3)Тяжел о е жидкое топл и в о
20.12 6555555555 555
4)Сжиженный нефтяной газ (СНГ) Пропан Вычислить EEDI
5)Сжиженный нефтяной газ (СНГ) Бутан
6)Сжиженный природный газ(СПГ)
7)Метанол
Рис. 1. Интерфейс программы-калькулятора для судов, имеющих традиционную установку с общим типом топлива как для основных, так и для вспомогательных двигателей
0 EEDI Cale
MCRJVIE, кВт Р_АЕ, кВт CAPACITY, т 1360 1054 5500 SFC_ME, г/кВт*ч SFC.AE, г/кВт*ч V.REF, уз 196 |220 10 C_FME т Тип топлива Тип топлива Тип судна гла вн ого дб игателя в с п ом огател ьн ого дв и гателя
1) Балкер 2}Гаэовоз 3}Танкер 4) Контейн ер оаоз 6) Р еф рижератор ^Комбинированное судно 1 ] Дизельн ое/Газойл ь 2}Л егкое жидкое топл и во 1 Шизел ьн ое/Газойл ь 1
2}Л егкое жидкое топливо И}Тяжелое жидкое топливо 4]Сжиженный нефтяной газ [СНГ) Пропан 5]Сжиженный нефтяной газ [СНГ) Бутан 6)Сжиженный природный газ(СПГ) 7)Метанол
3}Тяжелое жидкое топливо
4]Сжиженный нефтяной газ (СНГ} Пропан 5]Сжиженный нефтяной газ (СНГ} Бутан 6}Сжиженный природный газ(СПГ) 7]Метанол
Вычислить EEDI . Значение неприемлемо. ' ' Требуемый EEDI: 16.7
Рис. 2. Интерфейс программы-калькулятора для судов, имеющих традиционную установку с общим типом топлива как для основных, так и для вспомогательных двигателей
Графический интерфейс (GUI) и код программы написаны с помощью языка программирования Python версии 3.6 с помощью интегрированной среды разработки (IDLE) PyCharm 2017.2.4.
Результатом расчета программы является вывод достигнутого коэффициента EEDI, а также графика с положением вычисленного показателя относительно базовой линии. Графический интерфейс разработан с помощью библиотеки tkinter.
I ВЫБРОСЫ ОТ ГЛАВНОГО ■ ДВИГАТЕЛЯ:
I ВЫБРОСЫ ОТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО I ДВИГАТЕЛЯ;
ВЫБРОСЫ ОТВАЛОГЕНЕРАТОРА/ ЭЛЕКТРОМОТОРА
ТЕХНОЛОГИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ:
РАБОТА ПО ТРАНСПОРТИРОВКЕ: I
Информация
Информация
Информация
П_0ег
0,93 Тип судн;
1)ДизельноеЛ~азойль ИЛ егкое жидкое т
3)Тяжелое жидкое топливо
4)Сжиженный нефтяной газ (СНГ) Пропа!
5)Сжиженный нефтяной газ (СНГ) Бутан
б)Сжмженный природный газ(СПГ)
(7)Метанол
1 )Д изел ьн ое/Газой л
2)Л егкое жидкое т<
3)Тяжелое жидкое топливо
4)Сжиженный нефтяной газ (СНГ) Пропг
5)Сжиженный нефтяной газ (СНГ) Бутан
6)Сжиженный природный газ(СПГ)
7)Метанол
I 1] Бал пер
1) Фаза 0 (1 я
2) Фаза 1 (1 я
3)Танкер
4)Контейнеровоз
5) Судно для ген груза
6)Рефрижератор ^Комбинированное судно
в 2013 - 31 Дек 2014) в 2015-31 Дек 2019)
4) Фаза 3 (1 янв 2025 и далее)
Значение неприемлемо. Требуемый ЕЕ01: 15.81
Д°П(
16 параметры
Г Паротурбинная ГЭУ
Г По/
»лектродвижет
Рис. 3. Интерфейс универсальной программы-калькулятора
Для демонстрации работоспособности программы с ее помощью был выполнен расчет, результаты которого можно видеть на рис. 4. Полученный график можно сохранить, активировав пиктограмму дискеты. Стоит заметить, что в программу вносится полная мощность главных двигателей до снижения ее до 75%, а значение SFCMEi принимается для режима 75% от полной мощности главного двигателя. После заполнения всех полей и активации кнопки «Вычислить ЕЕВ1» программа выводит в соответствующие поля значение полученного коэффициента, рекомендацию и строит в отдельном окне график базовой линии.
у I \ \ I I I I
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000
ОУЛ. Т
« ± и]
Рис. 4. График с вычисленным коэффициентом EEDI и базовой линией Преимущества программы:
• Быстрый расчет коэффициента ЕЕБ1 при наличии всех исходных данных;
• Простой и понятный интерфейс;
• Возможность сохранять полученный график в доступных форматах.
В дальнейшем планируется внесение следующих изменений:
• Создание на основе программы исполняемого exe-файла, не требующего установки специальных средств разработки и языка python.
• Добавление возможности учета ледового подкрепления, специфических особенностей корпуса судна и связанных с ним технологий эффективности.
• Ввиду большого объема документации, которая до настоящего времени не была переведена с английского языка, добавление более полной русскоязычной справочной информации со ссылками на источники, облегчающей расчет.
Заключение
В статье описаны актуальные основные положения по расчету достигнутого коэффициента EEDI. На основании формулы для расчета коэффициента EEDI (1) была создана программа-калькулятор. Применение программы позволит сократить время при оценочном расчете энергетической установки судна и получить наглядный график, показывающий положение достигнутого коэффициента EEDI по отношению к базовой линии, а также легко варьировать параметры для поиска оптимального результата.
Литература
1. Иванченко А.А., Петров А.П., Живлюк Г.Е. Энергетическая эффективность судов и регламентация выбросов парниковых газов // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адм. С.О. Макарова. - 2015. - № 3(31). - С. 103-112.
2. Мясников Ю.Н., Никитин А.М. Характеристики пропульсивного комплекса в проблеме обеспечения энергоэффективной и экологически безопасной эксплуатации морского судна // Судостроение. - 2017. - № 5. - С. 33-40.
3. Медведев В.В., Гаврилов В.В., Киселев С.Н. Обзор и анализ возможностей различных способов повышения энергетической эффективности судов // Морские интеллектуальные технологии. - СПб., 2018. - № 2(40). - Т. 1. - С. 94-103.
4. MEPC.1/ Circ.815, 2013 Guidance on treatment of innovative energy efficiency technologies for calculation and verification of the attained EEDI. - 20 p. - URL: www.imo.org
5. 2012 Guidelines on the method of calculation of the attained energy efficiency design index (EEDI) for new ships (Annex 8, Resolution MEPC.212(63), Adopted on 14 Marchl 2012). - 2014. -20 p. - URL: www.imo.org
6. 2014 Guidelines on the method of calculation of the attained energy efficiency design index (EEDI) for new ships (Annex 5, Resolution MEPC.245(66), Adopted on 4 April 2014). - 2014. - 30 p. - URL: www.imo.org
7. Marpol annex VI international energy 16715 Efficiency (IEE) certificate implementation CG-CVC-1 Guidance. - 2013. - 57 p. - URL: http://www.standard-club.com
8. MARSIG Ship Energy Efficiency Plan: SEEMP. - 2012. - 38 p. - URL: http://www.marsig.com
9. Analysis of the effect of the new EEDI requirements on Dutch build and flagged ships. -2011. - 46 p. - URL: https://www.schonescheepvaart.nl
