船舶節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用淺述

張貴虎 秦金楊

/上海江南長興重工有限責(zé)任公司

船舶節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用淺述

張貴虎 秦金楊

/上海江南長興重工有限責(zé)任公司

隨著物流業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，其數(shù)量在不斷增加。船舶作為能耗大戶，對(duì)其進(jìn)行節(jié)能減排技術(shù)改造，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，文章首先對(duì)船舶節(jié)能減排的意義進(jìn)行了闡述，接著對(duì)節(jié)能型船舶的發(fā)展趨勢(shì)和在研發(fā)中存在的問題進(jìn)行了細(xì)致的分析，最后重點(diǎn)探討了船舶節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用。

船舶；節(jié)能減排；應(yīng)用

前言

作為海上重要的交通運(yùn)輸工具，不僅要確保船舶的可靠性高和速度快，而且需要處理好船舶設(shè)計(jì)節(jié)能減排技術(shù)問題。中國正在進(jìn)入節(jié)能減排時(shí)代,船舶航運(yùn)作為貿(mào)易運(yùn)輸?shù)闹黧w,其能源結(jié)構(gòu)和廢氣排放對(duì)自然環(huán)境的影響很大,因此從船舶設(shè)計(jì)入手,研究節(jié)能減排技術(shù),以盡可能地減少船舶航運(yùn)對(duì)環(huán)境的不利影響。

一、船舶節(jié)能減排的意義

船舶作為海上運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?，他具有通過能力大、運(yùn)費(fèi)低廉、運(yùn)輸量大等特點(diǎn)，目前，國際貿(mào)易總運(yùn)量的三分之二，我國進(jìn)出口貨運(yùn)總量的90%都是利用海上運(yùn)輸。隨著物流業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，其數(shù)量也在不斷增加。而船舶作為能耗大戶，對(duì)其進(jìn)行節(jié)能減排技術(shù)改造，保護(hù)環(huán)境，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國際航運(yùn)業(yè)對(duì)環(huán)境到底產(chǎn)生了多大的影響？眾多的研究表示船舶的二氧化碳排放量估計(jì)占世界二氧化碳排放總量的1.8%到4.5%。而且該數(shù)字還將隨著世界貿(mào)易活動(dòng)和國際航運(yùn)量的增長而不斷增長。除排放二氧化碳外，船舶動(dòng)力裝置還會(huì)排放一氧化碳、氮?dú)浠衔?、硫化物、微粒等有害物質(zhì)，這些都會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成影響和破壞。

二、節(jié)能型船舶的發(fā)展趨勢(shì)和在研發(fā)中存在的問題

（一）節(jié)能型船舶的發(fā)展趨勢(shì)

目前節(jié)能減排已經(jīng)成為船舶行業(yè)關(guān)注的重要問題，選擇節(jié)能型船舶是節(jié)能減排的重要因素。選擇節(jié)能型船舶需要堅(jiān)持的兩個(gè)原則：1）根據(jù)不同的地形，不同河流，選擇不同的節(jié)能型船型；2）根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益因素選擇不同的節(jié)能型船型。節(jié)能型船舶除了船型、螺旋槳等因素影響節(jié)能外，還存在許多因素，比如航速和外界條件等。

（二）節(jié)能型船舶在研發(fā)中存在的問題

1.政府支持力度不夠

節(jié)能型船舶的研發(fā)與推廣需要大量的資金，因此節(jié)能型船舶必須得到政府的大力支持才能取得明顯的進(jìn)步，但是部分政府對(duì)于節(jié)能型船舶的環(huán)保作用認(rèn)識(shí)不到位，并沒有給予資金以及政策上的支持，這是節(jié)能型船舶在研發(fā)中存在的主要問題。

2.節(jié)能環(huán)保意識(shí)不強(qiáng)

人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)的意識(shí)不強(qiáng)，必須依靠宣傳才能增強(qiáng)節(jié)能減排的意識(shí)。節(jié)能型船舶的宣傳力度不夠，導(dǎo)致決策者以及船東對(duì)節(jié)能型船舶的認(rèn)識(shí)不夠，從而影響節(jié)能型船舶的研發(fā)和推廣。

3.短期經(jīng)濟(jì)利益的影響

節(jié)能型船舶的造價(jià)較高，受經(jīng)濟(jì)利益的影響，大多數(shù)船東會(huì)選擇造價(jià)低、短期經(jīng)濟(jì)效益高的船舶，一般不會(huì)選擇造價(jià)高的節(jié)能型船舶。

4.基礎(chǔ)設(shè)施的制約

目前我國中一半的航道存在機(jī)械化程度低、技術(shù)條件差、工作效率低等問題，這些問題影響大型節(jié)能型船舶的推廣。

5.缺乏法律保障

近年來環(huán)境污染日益嚴(yán)重，需要利用法律對(duì)環(huán)境保護(hù)進(jìn)行制約，目前船舶的能耗對(duì)環(huán)境污染造成的影響非常的大，由于缺乏法律保障，對(duì)于環(huán)保型船舶沒有明確的規(guī)定，導(dǎo)致節(jié)能型船舶推廣受到阻礙。

三、船舶節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用

（一）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。

（二）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)。

（三）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。

（四）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)，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。

四、結(jié)束語

綜上所述，設(shè)計(jì)節(jié)能減排技術(shù)在船舶中，對(duì)于船舶設(shè)計(jì)節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)當(dāng)從原理進(jìn)行研究，重視船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)及其影響，最大限度的善船舶的環(huán)境。

[1]徐建豪，龔安祥.中國航運(yùn)業(yè)節(jié)能減排存在的問題及對(duì)策[J].世界海運(yùn)，2011，3（11）：42-44.

[2]郭萬達(dá)，馮月秋.低碳發(fā)展：制度重于科技[J].開放導(dǎo)報(bào)，2011（4）.