船舶EEOI影響因素及節(jié)能技術(shù)新發(fā)展

上海海事大學(xué)商船學(xué)院輪機(jī)工程系 方佳琦 曾向明

一、前言

隨著世界航運(yùn)的迅速發(fā)展，船舶大型化、速度化、集中化、自動(dòng)化的趨勢(shì)越來(lái)越顯著突出。然而，由此而帶來(lái)的諸多問(wèn)題也隨之凸顯。首當(dāng)其沖的即為船舶溫室氣體（GHG）排放的問(wèn)題。2000年，國(guó)際有關(guān)溫室氣體排放研究表明：航運(yùn)業(yè)的CO2排放量只占世界總排放量的1.8%，這意味著船舶CO2減排10%才可以使世界總排量下降0.2%；2009年國(guó)際海事組織（IMO）溫室氣體研究卻顯示了一組堪虞的數(shù)據(jù)：2007年航運(yùn)業(yè)CO2排放總量為10.46億噸，占當(dāng)年世界排放總量的3.3%。據(jù)預(yù)測(cè)，如果沒(méi)有采取相關(guān)政策和措施，2050年的船舶溫室氣體排放總量可能達(dá)到20億噸，占世界CO2排放總量的12%—18%[1]。

因此，采取相關(guān)政策和技術(shù)措施降低船舶CO2的排放量刻不容緩。

CO2的排放量公式[2]如下：

其中：

ECO2為CO2排放率；

mcargo為貨物運(yùn)輸量（t）；

D為貨物運(yùn)輸距離（km）；

由上公式可看出，在貨物運(yùn)輸量和運(yùn)輸距離不可控的前提下，減少CO2排放總量的有效途徑只能是對(duì)CO2排放率加以控制。

2009年8月17日，IMO海洋環(huán)境委員會(huì)（MEPC）第59次會(huì)議同樣通過(guò)了MEPC.1/Circ.684號(hào)決議。此決議規(guī)定了船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)（EEOI）在船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的應(yīng)用，即用此項(xiàng)指數(shù)作為評(píng)價(jià)船舶在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中CO2排放是否符合標(biāo)準(zhǔn)。EEOI是船舶能效評(píng)估的有效手段，它與燃油的消耗有直接的關(guān)系。

筆者針對(duì)目前形勢(shì)進(jìn)行了有關(guān)資料的查閱，對(duì)比當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)出EEOI的影響因素以及各國(guó)節(jié)能技術(shù)的新發(fā)展。

二、EEOI的影響因素

根據(jù)IMO第MEPC.1/Circ.684號(hào)決議可知，船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)（EEOI）的計(jì)算公式如下：

CFj為CO2排放因子；

mcargo為貨物運(yùn)輸量；

D為貨物運(yùn)輸距離；

由實(shí)際情況可知：貨物運(yùn)輸量和運(yùn)輸距離是不可控的。因此，船舶營(yíng)運(yùn)指數(shù)（EEOI）的控制便與CO2排放因子和燃油的實(shí)際消耗量有著密切的關(guān)系。其中CO2排放因子與燃油種類(lèi)有關(guān)，可采用新型能源如液化天然氣（LNG）或風(fēng)能；而燃油的實(shí)際消耗量則與航行中的航速、船舶首尾吃水差、船體的清潔程度等因素有關(guān)。接下來(lái)我們便對(duì)以上影響因素做具體分析。

（一）航速

我們知道，在確定貨物運(yùn)輸距離和運(yùn)輸量的前提下，船舶燃油的總消耗量主要包括三個(gè)部分：主機(jī)燃油消耗GME、輔機(jī)燃油消耗GAE和鍋爐燃油消耗GB，而它們之間的關(guān)系如下：

其中：gME、gAE、gB分別為主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐單位時(shí)間燃油消耗量，即燃油消耗率；

t為時(shí)間；

又單位時(shí)間燃油消耗量（燃油消耗率）公式如下

其中：

C為常數(shù)；

V為船速；

D為船舶航行距離；

將②、③兩式代入①中可得：

則每海里燃油的總消耗率即為：

由上式進(jìn)行MATLAB擬合可得圖形如圖1所示：

圖1：燃油消耗率與速度曲線圖

因此由上圖可見(jiàn)存在一個(gè)最小值Vm使得船舶燃油消耗率最小，即在保證船舶運(yùn)期的前提下，應(yīng)盡量使船舶的實(shí)際速度接近最優(yōu)速度值VP來(lái)降低船舶營(yíng)運(yùn)指數(shù)，從而達(dá)到降低船舶能效的目的。而且根據(jù)IMO報(bào)告表明：船舶速度每下降10%可以使廢氣排放降低19%[3]。由此可見(jiàn)，船速優(yōu)化對(duì)降低CO2的排放是十分顯著的。

（二）船舶首尾吃水差

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，船舶的首尾吃水差能夠影響船舶周?chē)牧鲃?dòng)[4]。有經(jīng)驗(yàn)的船員都知道：船舶尾傾比首傾能夠更好地調(diào)整船舶姿態(tài)并達(dá)到降低能效的目的。實(shí)際上根據(jù)干舷高度（或吃水深度）和船速，對(duì)于一艘特定的船舶而言都有一個(gè)或多個(gè)最佳首尾吃水差。一般情況而言都是通過(guò)多次試驗(yàn)的方式找出最佳吃水差使船舶能效達(dá)到最低。據(jù)研究表明，通過(guò)調(diào)節(jié)首尾吃水差這種方式可以節(jié)省1%的燃油消耗量。

（三）船體清潔程度

在降低CO2排放的方法中，保持船體、舵和螺旋槳的清潔是十分重要而且操作性強(qiáng)的方法。船舶在長(zhǎng)期海上航行的過(guò)程中，舵、螺旋槳和船體是最容易受到海水腐蝕的部分。據(jù)IMO調(diào)查報(bào)告顯示，保持螺旋槳、舵和船體清潔可以最高節(jié)約5%的能源消耗[5]。許多船東都通過(guò)對(duì)螺旋槳和船體的定時(shí)維修和視情維修來(lái)保證船舶的正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，此種維修方式可以有效地減少船舶阻力、延長(zhǎng)塢修的間隔時(shí)間，從而節(jié)約經(jīng)費(fèi)。此外還可以通過(guò)在船舶表面涂裝節(jié)能油漆來(lái)降低船體的粗糙程度、減小船舶阻力，達(dá)到優(yōu)化船舶能效的目的。

三、節(jié)能技術(shù)新發(fā)展

（一）最佳吃水差計(jì)算軟件

近年，針對(duì)調(diào)節(jié)船舶首尾吃水差以謀求降低船舶能效、提高EEOI值的研究正逐漸走入人們的視野。丹麥的FORCE Technology公司研發(fā)出一項(xiàng)可以通過(guò)輸入船型、排水量、船速等條件便可快速計(jì)算出該船最佳吃水差的軟件—SeaTrim2.0[6]。該軟件主要通過(guò)CFD軟件的模擬仿真，并對(duì)100—150艘船舶進(jìn)行實(shí)際情況下調(diào)研和驗(yàn)證，是一種基于理論基礎(chǔ)上的仿真軟件。

然而在實(shí)際情況下，影響船舶周?chē)鲌?chǎng)的因素不單單包括船速和排水量，風(fēng)、浪等因素對(duì)其影響也很大，因此理論仿真的準(zhǔn)確性令人擔(dān)憂(yōu)。人們更加傾向于尋找更加精確的、能夠反映實(shí)際情況的實(shí)驗(yàn)性方法。德國(guó)公司LEMAG研發(fā)出一種能效分析系統(tǒng)SEEAmag[7]，該系統(tǒng)通過(guò)安裝燃油流量計(jì)和軸功率測(cè)試儀能夠持續(xù)的對(duì)船舶的燃油消耗量和軸功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。船員在調(diào)整船舶首尾吃水差的同時(shí)觀察燃油消耗量和軸功率，隨之找出合適的首尾吃水差。

（二）節(jié)能船體油漆

船舶在使用一段時(shí)間后，在船體表面會(huì)形成銹蝕。加之藤壺等水生物的附著，會(huì)破壞船體表面的光滑度、增加船舶阻力，進(jìn)而降低船舶能效。所以定期清理銹蝕及附著的水生物就變得尤為重要。目前，比較實(shí)用的技術(shù)是采用節(jié)能船體油漆。涂裝油漆的船體表面十分光滑，平均船體粗糙度超低，不沾污和靜態(tài)防污性極好。這使船舶在長(zhǎng)期的營(yíng)運(yùn)中能夠保持很好的清潔度，減少阻力及燃油消耗量，降低EEOI值，優(yōu)化船舶能效。

（三）吊艙式CRP

轉(zhuǎn)矩在由柴油機(jī)傳遞到螺旋槳的過(guò)程中一定會(huì)有損失，怎樣將這一損失降到最低是相關(guān)研究人員一直探究的問(wèn)題。目前較為先進(jìn)的科技為吊艙式對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳（亦稱(chēng)“吊艙式CRP”）。吊艙式CRP應(yīng)用電力推進(jìn)，將電力推進(jìn)器裝于可以360o旋轉(zhuǎn)的吊艙之內(nèi)，代替原有的舵機(jī)裝置，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的推進(jìn)。通過(guò)安裝吊艙式CRP，可以降低約5%—10%的推進(jìn)功率，即可以節(jié)約燃油消耗。如圖2所示為由芬蘭ABB工業(yè)公司提出的Azipod吊艙推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖[8]。此吊艙模塊安裝于標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳之后，其二者之間沒(méi)有任何物理連接。在船舶航行時(shí)，吊艙式CRP的旋轉(zhuǎn)方向與主螺旋槳相反，這樣可以更加合理地利用水利效果從而獲得更大的水動(dòng)力，最終達(dá)到節(jié)約能效的目的。據(jù)研究，ABB公司的吊艙式CRP可使水動(dòng)力效果提高10%[9]。

圖2 Azipod吊艙式推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)圖

（四） 廢熱利用

我們所熟悉的廢熱的利用裝置應(yīng)該就是船用輔鍋爐和渦輪增壓器了。其實(shí)許多研究都已經(jīng)表明：由燃油燃燒所產(chǎn)生的廢熱中蘊(yùn)藏著大量的能量，我們目前所能利用的廢熱能只是其中很少的一部分，如果將這些能量盡可能收集起來(lái)并更加合理的利用，達(dá)到降低EEOI值的目的是可以預(yù)期的。如圖3即為一個(gè)廢熱利用的裝置原理圖[10]。由主機(jī)排出的廢氣經(jīng)過(guò)渦輪增壓器進(jìn)入廢氣渦輪，該廢氣渦輪與蒸汽渦輪一起驅(qū)動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)，以供全船用電使用。船舶滿(mǎn)載時(shí)，額外產(chǎn)生的電能可以通過(guò)直接作用在螺旋槳軸上的電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備為船舶提供動(dòng)力；在主機(jī)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，利用廢熱的發(fā)電機(jī)可以和柴油發(fā)電機(jī)并行接入電網(wǎng)。據(jù)研究，通過(guò)這種方式可以節(jié)約12%的能量消耗。盡管這種方法對(duì)營(yíng)運(yùn)船來(lái)說(shuō)增加成本、得不償失，但對(duì)新造船來(lái)講則是一項(xiàng)可以參考并實(shí)踐的新技術(shù)。

圖3 廢熱利用裝置原理圖

（五） 新型能源的利用

隨著世界原油儲(chǔ)量的日益枯竭，尋找可能的燃料代替燃油是近幾年來(lái)有關(guān)人員一直追尋的目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外研究的主要對(duì)象包括液態(tài)天然氣（LNG）、風(fēng)能。

1. 液態(tài)天然氣（LNG）

燃用LNG代替燃油的思想可以追溯到上世紀(jì)60年代，最初是使用在LNG運(yùn)輸船上，但直到本世紀(jì)初才逐漸應(yīng)用于其他類(lèi)船舶上。毫無(wú)疑問(wèn)，與其他燃料相比LNG最主要的優(yōu)點(diǎn)就是清潔。其燃燒后排出的廢氣對(duì)環(huán)境的污染最小，可以滿(mǎn)足日益嚴(yán)苛的相關(guān)國(guó)際規(guī)定。在原油資源告急的今天，LNG是最合適的代替燃料；其次，LNG的市場(chǎng)價(jià)格比普通燃油的市場(chǎng)價(jià)格低，在降低船舶能效、提高船舶營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性上具有很大優(yōu)勢(shì)。雖然改造LNG燃料船需要一定成本，但是經(jīng)預(yù)算在幾年之內(nèi)是可以收回的。目前國(guó)際上建造LNG燃料船最多的是短途沿海航行的渡輪，我國(guó)在“十二五”期間預(yù)建7500座LNG加氣站[11]，力求在此期間把長(zhǎng)江、沿海的渡輪、貨輪改造成LNG燃料船，減小船舶尾氣對(duì)沿岸城市人口的危害。據(jù)有關(guān)資料表明：燃用LNG后可以降低15%的CO2排放量。由此可見(jiàn)，LNG燃料船的利用前景是相當(dāng)廣闊的。

然而，要使LNG燃料船能像目前普通燃料船一樣得到普遍使用還任重道遠(yuǎn)。一系列問(wèn)題亟待有關(guān)人員解決，其中包括：LNG的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、港口LNG加氣站的建立、LNG的補(bǔ)給等等。

2. 風(fēng)能

風(fēng)能是一種古老的動(dòng)力源，人類(lèi)在很早以前就開(kāi)始對(duì)風(fēng)能加以利用；風(fēng)能是一種綠色、安全、清潔、可再生的資源，利用風(fēng)能作為船舶的動(dòng)力或輔助動(dòng)力符合“綠色航運(yùn)”的概念。目前，美國(guó)、日本、德國(guó)、丹麥等國(guó)都對(duì)風(fēng)能助航進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

圖4 “白鯨天帆”號(hào)風(fēng)翼助航船（左）和UT WIND CHALENGER散貨輪風(fēng)帆助航船（右）

風(fēng)能助航的形式一般分為風(fēng)箏式[12]和風(fēng)帆式[13]兩種，如圖4所示。顧名思義，風(fēng)箏式（風(fēng)帆式）就是利用安裝在船體之上的“風(fēng)箏”（風(fēng)帆）作為船舶的輔助動(dòng)力，節(jié)約燃料從而達(dá)到降低CO2排放的目的。世界上第一艘利用風(fēng)箏助航的商船是德國(guó)的“白鯨天帆”號(hào)，該船于2007年從德國(guó)漢堡下水。據(jù)該船發(fā)明者史蒂芬·瑞吉表明：根據(jù)不同的風(fēng)力狀況, “白鯨天帆”號(hào)可節(jié)省10%—35%的燃料，風(fēng)力最理想狀況下甚至可節(jié)省50%的燃料[14]。

四、總結(jié)

綜上所述，為了符合IMO關(guān)于EEOI的相關(guān)規(guī)定，可以通過(guò)一些技術(shù)性和管理性的方法達(dá)到節(jié)約燃油消耗、降低EEOI的目的。具體措施及其可降低EEOI所占比例如表1所示：

表1 具體措施及其可降低EFOI比例表

由此可見(jiàn)：采用合理的措施可以有效地降低EEOI值。其中，在目前營(yíng)運(yùn)船中可以采取的措施包括航速優(yōu)化、調(diào)整最佳首尾吃水差、保持船體清潔；在新造船上可以采取的措施包括優(yōu)化螺旋槳及其伴流條件（即采用吊艙式CRP）、安裝廢熱利用裝置、利用新型能源代替現(xiàn)用燃油。

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[1]Marine Environment Protection Committee. Prevention of air pollution from ships (Second IMO GHG Study 2009) [R]. 2009.

[2]解玉真，張碩慧，韓俊松.EEDI對(duì)中國(guó)造船和航運(yùn)業(yè)的影響[J].中國(guó)海事.2011，（11）：23—26.

[3] MEPC.1/Circlar.648—Guidelines for Voluntary Use of the Ship Energy Efficiency .

[4]楊劍文.航行船舶在淺水中的縱傾變化研究[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月）.2011，11(12)：1—4;

[5]Hull cleaning and propeller polishing, the most effective way to save both money and the environment.

[6]SeaTrim—trim optimization and dynamic trim http://www.forcetechnology.com/en/Menu/Products/Maritime-onboard-systems/seatrim-trim-optimisation-and-dynamic-trim.htm

[7]LEMAG SEEAmag http://www.lemag.de/seeamag.0.html；

[8]Azipod?Propulsion Azimuthing Electric Propulsion Drive

[9]張慶文.吊艙式CRP 推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用前景[J].航海工程.2007，（2）：57—60；

[10]IMO, Second IMO GHG Study 2009;

[11]十二五期間中國(guó)預(yù)建LNG加氣站7500座 http://www.askci.com/news/201308/21/211048367927.shtml

[12] [14]徐華. 全球第1艘“風(fēng)箏船”首航大西洋[J].中國(guó)船檢.2008，（03）：77.

[13]周羽歡.新能源船溫暖寒冬[J].中國(guó)船檢.2013，（01）：62—65.