船舶節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用探究

黃建新

【摘要】隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、地球環(huán)境的日益惡化以及能源短缺的日益嚴(yán)重，節(jié)能減排技術(shù)逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，而全球百分之九十的貿(mào)易量由船舶航運(yùn)承擔(dān)，其節(jié)能減排對(duì)能源環(huán)境的影響較為顯著。鑒于此，本文介紹了船舶節(jié)能減排技術(shù)的重要性，分析了船舶自身性能、環(huán)境因素以及效益因素對(duì)船舶節(jié)能減排的影響，并提出了幾點(diǎn)船舶節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用措施，希望可以為船舶節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用研究提供一些參考。

【關(guān)鍵詞】節(jié)能減排；船舶性能；減阻降耗；經(jīng)濟(jì)航速

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展給交通運(yùn)輸行業(yè)帶來巨大的考驗(yàn)，車輛、船舶等交通運(yùn)輸加劇了 的排放，其在一定程度上影響了人們的身心健康以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的健康可持續(xù)發(fā)展，其中被認(rèn)為是最清潔、最環(huán)保的船舶運(yùn)輸行業(yè)也不能幸免。因此，研究船舶運(yùn)輸行業(yè)的節(jié)能減排具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、船舶節(jié)能減排技術(shù)重要性

船舶節(jié)能減排是航運(yùn)發(fā)展的需要，船舶運(yùn)輸努力的方向就是利用最合理的航速和耗油關(guān)系來獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于船舶運(yùn)輸行業(yè)來說，船舶節(jié)能減排已經(jīng)成為船舶企業(yè)落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的關(guān)鍵步驟，其對(duì)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)有著重要意義。在實(shí)際的船舶運(yùn)輸中，工作人員需要根據(jù)船舶運(yùn)行航線、工況等實(shí)際的變化情況，對(duì)船舶實(shí)際運(yùn)行中的耗油等進(jìn)行分析以及修正，以便得到船舶實(shí)際的耗油數(shù)據(jù)，從而分析船舶實(shí)際的節(jié)能方式，為滿足實(shí)際船舶運(yùn)輸需要奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。船舶節(jié)能減排也是我國(guó)法律法規(guī)的強(qiáng)制性要求，我國(guó)明確規(guī)定了到2020年，我國(guó)二氧化碳排放量會(huì)降低到16%，船舶運(yùn)輸單位運(yùn)輸周轉(zhuǎn)耗能量降到15%，因此可以說船舶節(jié)能減排技術(shù)在一定程度上符合我國(guó)節(jié)能減排總體戰(zhàn)略。

二、船舶節(jié)能減排的影響因素

1.船舶性能

船舶自身的性能會(huì)影響到船舶節(jié)能減排的效果，一般來說，不同船舶主輔機(jī)狀態(tài)、涂裝底漆以及污底情況、運(yùn)營(yíng)年限、型號(hào)以及船體浸水體積等都會(huì)對(duì)船舶節(jié)能減排產(chǎn)生不同影響。船舶主輔機(jī)是船舶運(yùn)輸過程中重要的耗能設(shè)備和安全設(shè)備，主輔機(jī)運(yùn)行效率越高，船舶燃燒效率就越高，這樣就可以適當(dāng)降低船舶單位耗油量，在一定程度上對(duì)船舶節(jié)能減排工作起到重要作用；不同運(yùn)營(yíng)年限的船舶主機(jī)磨損程度不同，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的船舶主機(jī)磨損較大，其單位耗油量較大，對(duì)能源利用效率、污染物排放等存在一定的影響；不同型號(hào)的船舶抗風(fēng)浪性能不同，其甲板受風(fēng)面積以及船舶耐波性等都會(huì)對(duì)船舶節(jié)能減排效果產(chǎn)生一定的影響；船舶船體浸水體積會(huì)在一定程度上影響船舶興波阻力，進(jìn)而影響船舶節(jié)能減排效果。

2.環(huán)境因素

在船舶實(shí)際運(yùn)行的過程中，環(huán)境因素會(huì)在一定程度上影響船舶燃料燃燒效率，進(jìn)而船舶節(jié)能減排效率。具體來說，環(huán)境因素主要指的是船舶運(yùn)行過程中的地理環(huán)境和自然環(huán)境，包括溫度、氣壓、航道條件以及氣象條件等，這些環(huán)境因素很大程度上會(huì)影響船舶耗油水平以及排放水平。例如大風(fēng)會(huì)增加船舶運(yùn)行阻力，影響船舶主機(jī)負(fù)荷，進(jìn)而增加船舶耗油量；在海拔比較高的地區(qū)運(yùn)行時(shí)，大氣壓力會(huì)隨著海拔的升高而降低，空氣含氧量也隨之降低，這樣船舶燃料就不能充分燃燒，單位燃料燃燒的實(shí)際功率也會(huì)降低；航道彎曲角度、交叉情況、航道寬度以及航道深度等都會(huì)在一定程度上影響船舶能源消耗以及廢氣排放情況，航道彎曲度越小，燃燒消耗越少。

3.效益因素

船舶資金投入成本以及效益水平在一定程度上反映了船舶企業(yè)給我國(guó)國(guó)家社會(huì)帶來的經(jīng)濟(jì)效益以及實(shí)施節(jié)能減排的效果。船舶企業(yè)在進(jìn)行高效低成本投入時(shí)，能夠更合理地實(shí)施節(jié)能減排工作，促進(jìn)船舶節(jié)能減排效果的實(shí)現(xiàn)，但船舶企業(yè)在進(jìn)行比較高成本投入時(shí)不僅不能帶來經(jīng)濟(jì)效益，還有可能使企業(yè)產(chǎn)生負(fù)經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而打擊船舶企業(yè)節(jié)能減排的積極性，嚴(yán)重影響船舶企業(yè)的發(fā)展。船舶企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益指的是在船舶運(yùn)行中，產(chǎn)品投入比值，其效益的高低在一定程度上影響著整個(gè)船舶行業(yè)。從國(guó)民經(jīng)濟(jì)方面來講，經(jīng)濟(jì)效益就是說全部的構(gòu)成要素和其中某個(gè)構(gòu)成要素之間的百分比，經(jīng)濟(jì)效益越高，船舶節(jié)能減排發(fā)展越迅速。因此可以說，經(jīng)濟(jì)效益是船舶節(jié)能減排重要影響因素之一。

三、船舶節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用

1.船體減阻降耗

船舶船體減阻降耗是船舶節(jié)能減排重要手段之一。從船舶設(shè)計(jì)層面上講，船體減阻降耗可以從船體低阻力線型設(shè)計(jì)、浮態(tài)調(diào)整、船舶船體表面減阻以及低風(fēng)阻上層建筑等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。低阻力線型設(shè)計(jì)主要包括線型優(yōu)化和總體設(shè)計(jì)優(yōu)化兩個(gè)方面，如下圖3.1所示。低阻力線型設(shè)計(jì)中的總體設(shè)計(jì)優(yōu)化指的是設(shè)計(jì)優(yōu)化人員根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和母型船等，在保證船舶具有足夠排水量的前提下，調(diào)整方形系數(shù)和浮心位置，選取合適的船型尺寸比。而線型優(yōu)化則指的是船舶船體線型的UV度、水線進(jìn)流角以及去流角等的設(shè)計(jì)對(duì)船舶船體阻力具有一定的影響，設(shè)計(jì)優(yōu)化人員依靠模型試驗(yàn)和CFD手段等，反復(fù)調(diào)整船舶線型，并最終確定船體的低阻力線型。船舶在實(shí)際航行中的阻力不僅僅取決于船舶的靜水阻力，還與航線上風(fēng)浪流等環(huán)境因素有關(guān)，研究人員對(duì)船舶在多種轉(zhuǎn)載工況下的阻力性能進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了在全航程多工況下船舶綜合阻力性能全面提升的目標(biāo)，從而形成了船舶船體減阻降耗的浮態(tài)調(diào)整方法。低風(fēng)阻上層建筑則指的是設(shè)計(jì)人員通過優(yōu)化船舶船體上層建筑的外形，降低風(fēng)阻力，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

2.使用經(jīng)濟(jì)航速

船舶的燃油消耗是一種綜合反映船舶節(jié)能減排技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)，其與船舶航速息息相關(guān)。在實(shí)際的船舶運(yùn)行過程中，經(jīng)濟(jì)航速的概念主要有三種，也即最低燃油消耗率航速、最高盈利航速以及最低燃油費(fèi)用航速，實(shí)際意義上的經(jīng)濟(jì)航速常指的是最低燃油消耗率航速。船舶主要部分有鍋爐、船舶主機(jī)以及發(fā)電柴油機(jī)等，其中最重要的耗油就是船舶主機(jī)耗油，其重要的耗油特點(diǎn)就是在運(yùn)行船舶主機(jī)時(shí)，船舶功率和船舶航速之間具有三次方關(guān)系，因此應(yīng)適當(dāng)?shù)亟档痛昂剿?。從?shí)際的船舶運(yùn)行方面進(jìn)行考慮，當(dāng)船舶轉(zhuǎn)速和功率變化時(shí)，船舶主機(jī)消耗燃油量就會(huì)受到船速、換氣量以及噴油量的影響，因此就要找到一個(gè)船舶航速和耗油的最佳平衡點(diǎn)。最佳平衡點(diǎn)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：船舶航速和主機(jī)耗油量關(guān)系、船舶耗油設(shè)備的狀態(tài)、船舶運(yùn)營(yíng)年限、船舶航行條件、船舶實(shí)際的運(yùn)行路線等。因此，船舶使用經(jīng)濟(jì)航速的基本原理就是工作人員在主機(jī)安全的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，根據(jù)主機(jī)實(shí)際的運(yùn)行情況，找到船舶耗油和航速最佳的平衡點(diǎn)。

3.提高推進(jìn)效率

提高船舶推進(jìn)效率主要有改進(jìn)尾部伴流場(chǎng)、主機(jī)降功率使用等方式，改進(jìn)尾部半流場(chǎng)指的是在船舶船體上加裝螺旋槳整流罩，這種技術(shù)主要應(yīng)用到對(duì)螺旋槳尺寸有限制的以及拖輪等高負(fù)荷低航速的船舶。加裝螺旋槳整流罩后的螺旋槳后流場(chǎng)、槳軸上下不完全對(duì)稱，其螺旋槳槳軸上方流場(chǎng)偏右，槳軸下方流場(chǎng)偏左。因此，使船舵上下部成一定角度，來分別對(duì)齊螺旋槳后流場(chǎng)，進(jìn)而減少船舵所受扭矩，這種節(jié)能措施可在服務(wù)航速工況下節(jié)省4%的功率。主機(jī)降功率使用指的是將船舶主機(jī)的功率降低，進(jìn)而降低船舶燃油消耗率，達(dá)到船舶節(jié)能的目的。這種節(jié)能技術(shù)較為成熟，雖然初次投入成本較大，但從整個(gè)船舶生命周期來看，該節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好。目前，很多的大型船舶公司可以接受這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，其通過主機(jī)的優(yōu)化配置可實(shí)現(xiàn)3%—6%的降耗。

4.廢熱回收及廢氣處理

船舶廢熱回收及廢氣處理也是一種較為重要的船舶節(jié)能減排手段，其中船舶廢熱回收主要指的是船舶廢熱利用技術(shù)，其回收原理圖如下圖3.2所示，在船舶燃油消耗中，大概有50%的熱量以熱輻射、廢氣以及熱交換的形式浪費(fèi)掉。船舶主機(jī)廢熱利用透平轉(zhuǎn)化功率為最大功率的0.6%到4%，這種利用技術(shù)初次投入資金較多，多用在大型集裝箱船上；船舶主機(jī)冷卻水廢熱再利用則可對(duì)船舶掃氣和缸套的廢熱進(jìn)行再次利用，從而提高2%到3.5%的主機(jī)功率，這種回收系統(tǒng)較為復(fù)雜，通常需要與蒸汽透平和廢氣透平等聯(lián)合使用，因此多用在大型集裝箱船上。船舶廢氣處理主要指的是船舶安裝廢氣凈化器以及船舶采用廢氣循環(huán)系統(tǒng)，船舶廢氣凈化器可以有效去除船舶廢氣中的SOX以及微塵顆粒等，其去除率可達(dá)到98%、80%，船舶廢氣循環(huán)系統(tǒng)則可以有效減少船舶中的NOX，其主要是加裝一個(gè)EGR單元，以降低船舶廢氣的峰值溫度，從而減少船舶的產(chǎn)生。

結(jié)語(yǔ)

總而言之，船舶節(jié)能減排不僅能滿足我國(guó)航運(yùn)發(fā)展的需要，還能符合我國(guó)節(jié)能減排的總體國(guó)家戰(zhàn)略，因此工作人員要采取合適的措施，對(duì)船舶進(jìn)行節(jié)能減排優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如船體減阻降耗、使用經(jīng)濟(jì)航速、提高推進(jìn)效率以及廢熱回收及廢氣處理，從而提高船舶節(jié)能減排效果，推動(dòng)我國(guó)船舶運(yùn)輸行業(yè)的健康發(fā)展。

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