西江水系運輸船舶能耗評價體系研究＊

李 偉 劉 清

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

廣西港航管理局按照國家和交通運輸部的要求，出臺了一系列節(jié)能工作措施，加強對西江水運節(jié)能降耗工作的管理，但由于轄區(qū)內(nèi)船閘水庫的修建，航道水文狀況惡化，以及船舶的標(biāo)準(zhǔn)化程度低等問題，節(jié)能降耗形勢仍不容樂觀.

1 西江水系運輸船舶能耗概況

1.1 西江水系概況

西江是珠江水系重要組成部分，素有“黃金水道”美譽，主要由連接南寧、貴港、梧州、百色、來賓、柳州、崇左市的1 480km內(nèi)河水運主通道組成；涵蓋流經(jīng)河池、桂林、玉林、賀州的地區(qū)性重要航道1 621km.范圍包括：西江航運干線570km、右江429km、紅水河550km、柳黔江284km、都柳江和融江309km、桂江341km、左江322km、賀江119km以及繡江177km，共3 101km.

至2009年底，廣西西江黃金水道范圍內(nèi)已建成2000t級航道291km，1000t級航道283km，500t級航道233km，300t級航道768km；建成樞紐30座、船閘21座，最大船閘（長洲水利樞紐）設(shè)計貨物年單向通過能力3 920萬t；建成生產(chǎn)性碼頭泊位420個，散裝、件雜貨物年設(shè)計通過能力5 284萬t，集裝箱42萬標(biāo)箱.

1.2 運輸船舶構(gòu)成現(xiàn)狀

近年來，隨著廣西經(jīng)濟總體平穩(wěn)較快發(fā)展，水運市場的需求日益旺盛，船舶運力持續(xù)快速增長.截至2009年底，廣西擁有內(nèi)河貨運船舶5 497艘，302.5萬t，同比增長20.83%.內(nèi)河貨船平均噸位也有所增長，由2007年的377t／艘增長至2009年的549.75t／艘，從而保持了船舶總噸位增加、運力向大噸位船舶發(fā)展的總體趨勢，進一步適應(yīng)了市場需求.

1.3 運輸船舶能耗現(xiàn)狀

目前，西江水系運輸船平均噸位為549.75t／艘，以燃油單耗4kg／（kt·km），2010年西江水系船舶運輸燃油消耗約為15.1萬t.以此類推至2015年，燃油消耗約為25.9萬t，較2010年增幅71.5%；至2020年，燃油消耗量將上升到38.0萬t，較2010年增幅高達151.7%.另外通過各水系橫向比較，以2009年為例，我國內(nèi)河船舶每運送1kt·km貨物的平均油耗為3.5kg，長江干線為3.22kg／（kt·km），京杭運河船舶同時期每運送1kt·km貨物僅耗油2.46kg，而西江干線的該指標(biāo)值則高達4.0kg／（kt·km）.由此可見，運輸船舶節(jié)能降耗工作迫在眉睫.

2 能耗影響因素分析

2.1 不同載重噸船型

船型是指船舶在尺度、船艙結(jié)構(gòu)、船體線性、動力裝置、總體布置及其他主要設(shè)備等方面的特征.對于某一運輸任務(wù)，可采用不同噸位、不同尺度、不同航速、不同結(jié)構(gòu)的船舶［1］.雖然這些船舶在技術(shù)層面是可行的，但經(jīng)濟效益卻相去甚遠.如經(jīng)營南寧－廣州航線的廣西某物流有限公司，400t位船舶航次耗油2t；700t位則為3t，而1200t位的船舶航次油耗僅為4t，船舶大型化節(jié)油效果明顯.

2.2 日常能耗管理

科學(xué)的日常管理對于降低能源消耗至關(guān)重要，首先需制訂完善的規(guī)章制度，依照新《節(jié)能法》的要求，加強組織管理，規(guī)范節(jié)能工作，搞好調(diào)度和機務(wù)管理，提高船舶工作效率，制定節(jié)能管理規(guī)范、推廣先進科技成果，使節(jié)能工作正規(guī)化、規(guī)范化、法制化.其次要加強節(jié)能宣傳教育、普及節(jié)能科學(xué)知識，增強全行業(yè)的節(jié)能意識.并通過建立科學(xué)的獎懲機制激發(fā)員工節(jié)能主動性、積極性和創(chuàng)造性，通過優(yōu)化工作流程實現(xiàn)對燃油的采購、用油、退油的全程監(jiān)控.

2.3 柴油機動力性能

目前絕大多數(shù)主機為柴油機，主機工作的好壞不僅取決于主機本身的性能，同時也與船舶設(shè)計部門及船東如何選擇和使用有密切關(guān)系，所以在主機選型時，除了使主機滿足船舶適航外，還要考慮在使用一段時間后機器性能下降、船體變臟、螺旋槳結(jié)垢的情況下主機和螺旋槳的配合情況，同時也要考慮船舶遇到惡劣氣象、復(fù)雜海況及不同水域時的適應(yīng)性［2］.

2.4 船舶營運

1）經(jīng)濟航速 船舶耗油設(shè)備主要是船舶主機、發(fā)電柴油機和鍋爐等，船舶航行中，船舶耗油主要發(fā)生在船舶主機運轉(zhuǎn)向船舶提供航運行動力的過程中.由于船舶功率與航速存在三次方關(guān)系，航速的少量降低便可節(jié)省大量的燃油消耗，反之，高航速則會使燃油成本大大增加.簡言之，經(jīng)濟航速就是航速和油耗之間的平衡點［3］，見圖1.

2）經(jīng)濟航道 即船舶航行能耗最低的航道.在航行過程中，統(tǒng)籌考慮航道特點、船舶適航、水文、氣象、貨流情況，并利用水流的作用，上水走回流和緩流航道，下水走主航道，不斷優(yōu)化航線，適時減少功率消耗或增加航速，有效降低燃油成本.尤其在枯水時節(jié)，為減少淺水對船舶航速的不利影響，更要及時調(diào)整船舶，保障船舶安全，避免擱淺.

圖1 航速和油耗關(guān)系圖

2.5 船舶經(jīng)營模式

近年來，隨著水運行業(yè)深化改革，擴大開放步伐的加快，個體運輸船舶大量增加.但由于個體經(jīng)營戶安全管理措施不到位，尤其是個體客船和液貨危險品船已成為水上運輸安全的重大隱患之一.同時掛靠船在整個行業(yè)里能耗又是最低的，原因在于：掛靠船超載或最大限度的尋求滿載，基本不存在空載情況，而航運企業(yè)側(cè)重考慮客戶的時間要求；沿途航行航道不規(guī)范，掛靠私有船憑借船長經(jīng)驗選擇經(jīng)濟航道；另外由于掛靠船舶多為私有船舶，船長即為船舶所有人及經(jīng)營人，船員積極性、主動性相對較高.根據(jù)調(diào)研顯示，私人船舶比航運企業(yè)船舶相同情況下節(jié)油10%～15%.

由此可見，確立合理有效的經(jīng)營模式，既要保證船隊的正常有序運營，又要在能源消耗領(lǐng)域做到最大限度的合理節(jié)約，是整個水系運輸船舶節(jié)能降耗的有力支撐.

2.6 運輸組織

西江水系貨物運輸主要是廣西到廣東的下航滿載貨物運輸，但返航貨物比較少，往往是空載返航，據(jù)統(tǒng)計從廣東返航廣西西江下游到梧州、平南的船舶裝載率只有20%～25%，返航到西江中上游貴港、南寧的船舶裝載率有60%～65%，船舶返航基本屬于虧本運營.加強貨源組織，提高返航船舶裝載率，是降低船舶能耗的重要手段.

3 西江水系運輸船舶能耗評價體系構(gòu)建

本部分在充分結(jié)合西江水系運輸船舶運營現(xiàn)狀以及能耗主要影響因素的基礎(chǔ)上，從技術(shù)、船舶運營和管理三方面構(gòu)建運輸船舶能耗評價體系［4］，見圖2.

圖2 西江水系運輸船舶能耗評價體系

3.1 能耗管理指標(biāo)

船舶能耗管理指標(biāo)作為一個定性指標(biāo)，應(yīng)反映出節(jié)能管理工作中所存在的主要問題，該類指標(biāo)以打分的形式核定，從節(jié)能工作的規(guī)劃指導(dǎo)，節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用，節(jié)能基礎(chǔ)管理工作，節(jié)能意識，節(jié)能宣傳與培訓(xùn)，節(jié)能成效匯總六方面對船舶節(jié)能管理工作進行綜合考核.

3.2 能耗技術(shù)指標(biāo)

1）主機燃油消耗率 主機燃油消耗率是一個相對指標(biāo)，一般以主機額定工況時的參數(shù)為依據(jù)，是反映主機是否省油的一個重要評價指標(biāo).計算公式如下

式中：B為主機燃油消耗量，g；Pe為主機額定功率，kW；H為主機運行時間，h.

2）船機槳匹配度 船機槳工況匹配是研究船舶在各種航行條件下，能量轉(zhuǎn)換過程中的特性變化及其規(guī)律，從而找出最佳參數(shù)和最佳轉(zhuǎn)換過程，得到一個最經(jīng)濟的，具有最好營運經(jīng)濟性和投資效果的設(shè)計方案［5－6］.在此，選取考核船舶航次油耗與水系平均航次油耗之比作為船機槳匹配度的定量考核方式，計算公式如下所示

式中：φ為船機槳匹配度；B為考核船舶每航次推進裝置的燃料消耗量；ˉB為水系每航次推進裝置的平均燃料消耗量.

3）船型標(biāo)準(zhǔn)率 采用船型標(biāo)準(zhǔn)度對西江水系船舶船型合理程度進行考核，具體考核方式如下所示

式中：P1為船型標(biāo)準(zhǔn)度；N1為考核期適合水系船型的船舶數(shù)量；N為考核期船舶總數(shù).

4）航次油耗 航次油耗即在指定的某個具體單航次中，船舶動力裝置包括主機、柴油發(fā)電機和輔助機械在航行和停泊工況下燃油的消耗總額.計算公式如下.

式中：Q為航次油耗；QZ為航次主機燃油消耗；QC為航次柴油發(fā)電機燃油消耗；QG為航次輔助機械燃油消耗.

3.3 能耗營運指標(biāo)

1）全年總油耗 船舶總油耗直接反映船舶在考核期內(nèi)燃油消耗的總體情況，是考核船舶能耗的重要指標(biāo)之一，計算方法如下所示

式中：B主機、B柴、B輔機分別為主機、柴油發(fā)電機以及輔機油耗.

2）主機單位周轉(zhuǎn)量油耗 該指標(biāo)綜合考慮考核期內(nèi)，船舶的主機油耗、貨物裝載率以及貨物運輸距離等主要影響因素，比較全面的反映考核船只的能耗水平.其計算方法如下：

式中：q為主機單位周轉(zhuǎn)量油耗；B主機為主機實際燃油消耗量；Ql為同一時期內(nèi)的換算貨物周轉(zhuǎn)量.

3）經(jīng)濟航速利用率 在工況允許情況下，船舶燃油消耗率最低時所采用的航速即為經(jīng)濟航速.通過從主機性能特性曲線上查得相應(yīng)的經(jīng)濟功率，再運用功率與航速的相關(guān)資料，即可獲得相應(yīng)的經(jīng)濟航速.進而得到經(jīng)濟航速利用率，考核方法如下：

式中：Z為經(jīng)濟航速利用率；ˉV為考核期平均航速；Vj為經(jīng)濟航速.

4 典型船舶能耗評價

通過向典型航運企業(yè)發(fā)放調(diào)查問卷，采用層次分析法，計算各分指標(biāo)權(quán)重：能耗管理指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、營運指標(biāo)分別為0.25，0.40，0.35.在能耗管理指標(biāo)中，節(jié)能工作的規(guī)劃指導(dǎo)、節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用、節(jié)能基礎(chǔ)管理工作均為0.10，節(jié)能意識0.20，節(jié)能宣傳與培訓(xùn)和節(jié)能成效匯總則為0.25；能耗技術(shù)指標(biāo)中，主機燃油消耗率權(quán)重0.15，船機槳匹配度0.25，船型標(biāo)準(zhǔn)率和航次油耗均為0.30；而營運指標(biāo)中，經(jīng)濟航速利用率權(quán)重高達0.45，主機單位周轉(zhuǎn)量油耗、全年總油耗則依次為0.35，0.20.在節(jié)能降耗工作中，航運企業(yè)可參照上述研究結(jié)論，在權(quán)重較高的方面重點著手改善.

在對典型船舶能耗水平進行界定過程中，結(jié)合所構(gòu)建的評價體系，但受限于船舶具體參數(shù)以及能耗原始數(shù)據(jù)的缺乏，選取主機燃油消耗率、全年總油耗、主機單位周轉(zhuǎn)量油耗3個指標(biāo)，采用現(xiàn)實值和基準(zhǔn)值比較的方法進行定量評價，其余指標(biāo)則從定性角度酌情考核.

1）主機燃油消耗率 通過調(diào)研咨詢西江水系典型航運企業(yè)，聯(lián)系其他水系的運營現(xiàn)狀，主機燃油消耗率的理想基準(zhǔn)值設(shè)定見表1.

表1 西江水系干散貨船主機燃油消耗率基準(zhǔn)表

廣西某航運企業(yè)A船，于2002年7月交付，總噸985，凈噸551，船長48.85m，寬10m，型深3.3m，吃水2.7m，主機功率257.4kW.2009年主機運轉(zhuǎn)4 180h，耗油99t，該年主機燃油消耗率為

對照表1，該噸位主機燃油消耗率基準(zhǔn)值為0.094kg／（kW·h），根據(jù)指標(biāo)核定辦法：

可見該船在主機燃油消耗率方面，水平高于行業(yè)基準(zhǔn)值，節(jié)能效果良好.

2）全年總油耗 選取該公司B船作為考核對象，該船過去3a總油耗分別為11.5，10.8，8.3t，以2009年作為考核年份，由于數(shù)據(jù)缺乏，使用2007～2008年平均油耗（11.5＋10.8）／2＝11.15t作為基準(zhǔn)值，根據(jù)該指標(biāo)核定辦法：

由計算結(jié)果可見，考核年份的全年總油耗明顯低于往年，節(jié)油效果明顯，但同時應(yīng)考慮到運輸周轉(zhuǎn)量的限制，所以該指標(biāo)只能從宏觀上反映年份的能耗狀況，并不能直接體現(xiàn)經(jīng)濟效益.

3）主機單位周轉(zhuǎn)量油耗 通過調(diào)研咨詢西江水系典型航運企業(yè)，聯(lián)系其他水系的運轉(zhuǎn)現(xiàn)狀，主機單位周轉(zhuǎn)量油耗指標(biāo)設(shè)定基準(zhǔn)如表2所列.

表2 西江水系干散貨船主機單位周轉(zhuǎn)量油耗基準(zhǔn)表

該航運企業(yè)C船，于1993年5月建造，總噸158，凈噸88，載重205t，主機功率75.8kW.2009年完成貨運周轉(zhuǎn)量1 107kt·km，耗油8.3t，計算主機單位周轉(zhuǎn)量油耗為：q＝B主機／Ql＝8.3×1 000／1 107 000kg／（t·km）＝0.0075kg／（t·km）.

參照表2，該噸位主機單位周轉(zhuǎn)量油耗基準(zhǔn)值為0.004 7kg／（t·km），根據(jù)指標(biāo)核定辦法，［1－（q－ˉq）／ˉq］＝［1－（0.007 5－0.004 7）／0.004 7］＝0.404，明顯高于行業(yè)基準(zhǔn)值，主要原因在于造船時期較早，船舶嚴(yán)重老化，主機工況受損，螺旋槳磨損變形，推進不力，耗能增加.

5 結(jié)束語

本文在參照《運輸船舶能源利用監(jiān)測評價方法》的基礎(chǔ)上，結(jié)合西江水系運輸業(yè)能耗現(xiàn)狀，構(gòu)建了西江水系運輸船舶能耗評價體系，定義了能耗管理、能耗技術(shù)和能耗營運3個一級指標(biāo)，并針對性的設(shè)計了13個二級指標(biāo)，這些指標(biāo)能夠客觀準(zhǔn)確的反映運輸船舶的能耗水平，避免了以往由于考核辦法不完善、不統(tǒng)一、不科學(xué)而帶來的諸多不便.為了說明所構(gòu)建的評價指標(biāo)體系的適用性，引進典型船舶進行實證分析，把評價結(jié)果與運營現(xiàn)狀進行比較，可以看出，本文所構(gòu)建的指標(biāo)體系，可以在企業(yè)內(nèi)部或港航管理部門對能耗評價中加以運用.

另外，針對內(nèi)河運輸船舶能耗的考核工作在我國尚屬起步階段，相關(guān)理論的欠缺以及相關(guān)歷史數(shù)據(jù)收集不利，導(dǎo)致部分指標(biāo)的定量分析無法精確開展，阻礙了所構(gòu)建評價體系的綜合運用.在今后的研究學(xué)習(xí)過程中，仍需對指標(biāo)選取、核定以及驗證等方面做進一步完善和改進.

［1］范育軍.船舶原理與積載［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2008.

［2］徐筱欣.船舶動力裝置［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.

［3］方 芳.船舶營運管理學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］交通部水運行業(yè)能源利用監(jiān)測中心.GB／T 17751－1999運輸船舶能源利用監(jiān)測評價方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999：2－5.

［5］應(yīng)業(yè)炬.船舶快速性［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［6］盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2004.