我國民航節(jié)能減排技術淺析

馮馴

上海市節(jié)能減排中心有限公司

0 引言

黨的“十九大報告”指出，要建設的現(xiàn)代化是人與自然和諧共生的現(xiàn)代化，為未來中國的生態(tài)文明建設和綠色發(fā)展指明了方向、規(guī)劃了路線。為了推進生態(tài)文明建設，民航業(yè)作為用能大戶，也將扮演極其重要的角色，必須注重綠色發(fā)展。在國務院發(fā)布的《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》和《國務院關于促進民航業(yè)發(fā)展的若干意見》中明確提出促進交通運輸綠色發(fā)展，打造綠色低碳航空，推動新材料、新能源的應用。

目前，民航行業(yè)在未來仍將保持高速增長。根據(jù)國家統(tǒng)計局公布數(shù)據(jù)，2018年民用航空貨物周轉量和旅客周轉量相比較“十二五”末已分別上漲了26．1%和47．1%。民用機場新建28個，民用航空航線新增1 276條，上升比例為40．6%，航線里程新增285萬km，上升61．4%，民用飛機新增1 425架，上升了34．2%。

航空公司屬于“能源依賴型企業(yè)”,航油約占其主營成本的30%～40%。因此，我國的民用航空業(yè)在迎來業(yè)務需求增長和發(fā)展的同時，如何有效控制油耗以減少排放是航空業(yè)面臨的嚴峻問題。

降低運營成本、提高利潤、贏得更好的發(fā)展空間，是各大航空公司積極主動地研究探索航空節(jié)能技術的動力。目前，在燃料動力、機體結構、地面維護及管理等方面采取的常用節(jié)能減排技術見表1。

表1 航空常用節(jié)能減排技術舉例

1 各種節(jié)能技術特點

1.1 發(fā)動機升級

目前，國內(nèi)民航寬體客機上均采用大涵道比渦扇發(fā)動機作為推進動力源，并且以CFM56系列和V2500系列發(fā)動機為主。對不同飛機機型的適用發(fā)動機系列進行升級改造以達到有效降低燃油消耗和污染物排放的目的。

CFM56系列航空發(fā)動機是由美國GE公司和法國SNECMA公司組建的CFMI公司共同研發(fā)的，該系列發(fā)動機是在美國F101軍用渦扇發(fā)動機為核心機技術的基礎上，為適應20世紀80年代末國際民用飛機市場需求而研制的100kN級大涵道比渦扇發(fā)動機，目前已相繼推出了CFM56-2、CFM56-3、CFM56-5、CFM56-7等4個系列[1]，見表2。與原型號發(fā)動機相比，新一代升級發(fā)動機其性能更好，更安全可靠，更節(jié)能環(huán)保。例如：CFM56-5A同CFM56-2相比，耗油率降低了13%～15%，可靠性提高了30%～40%。CFM56-5B采用了更先進的雙環(huán)腔燃燒室，NOx排放物降低約35%。CFM56-5C發(fā)動機耗油率比CFM56-5A1降低約5%。

V2500系列發(fā)動機則是國際航空發(fā)動機公司（IAE)研制生產(chǎn)的雙轉子軸流式高涵道比渦輪風扇發(fā)動機。該系列發(fā)動機具有無凸臺的寬弦空心的風扇葉片、“浮壁”燃燒室和高效的燃油率等特點[2]。20世紀該公司已研制生產(chǎn)了V2500-A1、V2527-A5、V2522-D5、V2528-D5、V2530-A5等多款V2500系列發(fā)動機。2008年IAE公司為進一步改進V2500發(fā)動機的性能，推出了Select One改裝計劃，對發(fā)動機高壓壓氣機（HPC）和高壓渦輪（HPT）進行升級改造，通過改裝可以降低2%～3%的燃油消耗，同時還具有提高發(fā)動機工作效率、減少發(fā)動機排放、提高部件可靠性、減少返修次數(shù)等效果。

表2 CFM56和V2500系列發(fā)動機對應機型

上海市已有多家航空公司進行了發(fā)動機升級改造，東方航空公司、春秋航空公司和吉祥航空公司自2010年以來投入大量資金，已對近百架飛機的發(fā)動機進行了升級改造，并取得了良好的節(jié)能效果。

1.2 生物質燃料

生物質燃料是實現(xiàn)航空業(yè)大幅度節(jié)能減排的技術之一，以生物質作為原料制造的航空生物燃料具備原料易得、可再生及環(huán)保等諸多優(yōu)勢。生物質合成航空燃油其化學結構和物化性質與一般化石航空燃油較為接近，也可使用現(xiàn)有燃料運輸配送設備及系統(tǒng)。根據(jù)相關研究，在燃料生產(chǎn)使用的全生命周期內(nèi)，航空生物燃料的溫室氣體排放量與一般化石航空燃油相比可降低50%～90%[3]。

目前制造航空生物質燃料主要采取生物質氣化-費托合成、生物質水相催化、油脂加氫等方法[4]，見表3。

表3 航空生物質燃料主要制取方法

對我國而言，存在大量農(nóng)業(yè)廢棄物可加以利用，生物質氣化-費托合成技術將成為未來的主要發(fā)展方向。中國國際航空股份有限公司在2011年10月成功實施了國內(nèi)首次航空可持續(xù)生物燃料的驗證飛行。在全球范圍，也有多家航空公司在使用生物燃油，但也僅僅作為試點工程，仍缺乏持續(xù)穩(wěn)定的供應鏈，需要繼續(xù)推進其產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的進程。研究和發(fā)展航空生物質燃料在中國具備良好的條件，即：具有充足的人力資本和廣闊的社會需求。應創(chuàng)建以政府部門為指導，企業(yè)為主體，大學、研究所、金融機構共同參與的生物質燃料創(chuàng)新體系，加強自主技術研發(fā)力度。同時，國家應制定針對性的扶持政策，使企業(yè)在航空碳稅、碳交易、技術扶持資金等方面獲益。

1.3 翼梢小翼

飛機在巡航工況下，機翼后渦旋所產(chǎn)生的誘導阻力在總阻力中增長成為較大占比。采用擴大機翼展長的方法可以達到降低誘導阻力的目的，但同時飛機展長還受到機翼結構與空間的限制，不可能無限增加。翼梢小翼是美國航空航天局(NASA)蘭利風洞實驗室主任R．T．懷特科姆[5]在20世紀70年代中期首先設計了一種安裝在機翼翼尖的附加裝置原型，該裝置可大幅降低飛機巡航工況的誘導阻力。

翼梢小翼主要減阻原理：在飛機機翼尖端上下表面的壓差作用下，機翼尖端沿下表面氣流趨于外流，上表面趨于內(nèi)流。飛機機翼上安裝翼梢小翼后，在飛機機翼的氣流流動過程中將產(chǎn)生端板效應，并對飛機機翼翼梢渦產(chǎn)生擴散效應，削弱機翼尾渦的下洗，誘導阻力隨之減少。

目前在民用機上所用的翼梢小翼有：單上翼梢小翼、翼梢渦擴散器、鯊魚鰭翼梢小翼、翼梢帆片等，如圖1所示。

相關研究顯示，翼梢小翼安裝在機翼上能夠降低飛機飛行時的誘導阻力的20%～30%。其作為一種節(jié)約成本和節(jié)能的先進空氣動力技術，在波音和空客的大型客機上已有應用。

根據(jù)上海地區(qū)數(shù)家大型航空客運公司的實際運營數(shù)據(jù)，320系列飛機加裝翼梢小翼后，節(jié)油率達約3%。一般而言，航程越長，巡航高度和馬赫數(shù)就越高，小翼節(jié)油也越多。在短距航段，飛機爬升和下降占用過多的時間，巡航階段需時較少，因此短航程飛行時鯊鰭小翼節(jié)油較少?？湛蛯嶒炇业睦碚摐y試數(shù)據(jù)顯示，A320系列飛機加裝鯊鰭小翼后均能達到一定比例的節(jié)油效果。根據(jù)理論測試數(shù)據(jù)，在1 000海里航程，加裝鯊鰭小翼可節(jié)油2．5%以上。節(jié)油比率與航程長短成正比，航程達到3 000海里時，預計可節(jié)油3．5%以上，如圖2所示。

圖1 航空翼梢小翼分類

圖2 小翼節(jié)油效果示意圖

1.4 發(fā)動機水洗

評價航空發(fā)動機典型性能參數(shù)有：EGTM（發(fā)動機排氣溫度裕度）、機械振動值、滑油壓力及滑油消耗情況等。監(jiān)控各項性能參數(shù)有助于掌握航空發(fā)動機的運行狀況，預測、管理發(fā)動機維修，降低燃油消耗量，減少維護和備件成本。

航空發(fā)動機利用燃油燃燒推動工質（空氣）進行做功，然后轉變成透平渦輪的動能，給飛機飛行提供動力源。經(jīng)過長時間的運行，燃油內(nèi)含有的雜質（如膠質）及高溫燃燒產(chǎn)生的微溶碳化物會日積月累地附著于整個引擎系統(tǒng)內(nèi)部，導致油耗量上升。

發(fā)動機水洗是指對發(fā)動機進氣道、風扇葉片及整個核心機氣路用一定壓力的水(或溶劑)沖洗，一般可獲5℃～10℃的EGTM，個別發(fā)動機可達15℃之多，從而提高發(fā)動機性能和燃油效率。該方法簡單、省時、收效快，尤其對于經(jīng)過沙塵或沿海區(qū)域的機群航線，使用發(fā)動機水洗的效果明顯。實際操作時清洗發(fā)動機的用水流速和溫度都應有嚴格計量要求。發(fā)動機清洗車是由不銹鋼水箱和不銹鋼清水箱組成（圖3），按照飛行手冊相應要求，分別充入額定的清洗劑溶液和純凈軟水，經(jīng)汽油水泵機組增壓調(diào)壓后，再通過閥門、管道等將清水或藥水按一定流量噴射到需要清洗的地方。清洗過程中水溫、水槍角度、時間都有嚴格要求。水洗設備通過固定在發(fā)動機前段的固定式水槍使清洗過程中水槍角度、霧化效果、水流量得到有效控制，從而達到最佳沖洗效果，提高發(fā)動機的EGT裕度，延長發(fā)動機的使用壽命。

圖3 發(fā)動機水洗設備

航空發(fā)動機水洗是保持發(fā)動機氣路性能經(jīng)濟有效的在翼維護措施。目前，各大航空公司已根據(jù)發(fā)動機的具體使用情況制定相應的水洗計劃，以此解決積垢積碳引起的發(fā)動機氣路性能衰退問題，實際運營數(shù)據(jù)也證明了其易操作和有效性。根據(jù)上海地區(qū)航空公司實際運營數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過水洗后的發(fā)動機，節(jié)油率約為3‰。發(fā)動機水洗節(jié)能效果見圖4。

圖4 發(fā)動機水洗節(jié)能效果

1.5 地面設備（電源）

APU（飛機輔助動力裝置）是一種小型燃氣渦輪發(fā)動機，其主要作用是向飛機獨立提供電力和壓縮空氣。APU有自己單獨啟動的電動機，由單獨的電池供電，有獨立的附加齒輪箱、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和防火裝置。APU一般裝在機身最后段的尾椎之內(nèi)，在機身上方垂尾附近開有進氣口，排氣直接由尾錐后端的排氣口排出，見圖5。

圖5 APU設備及控制系統(tǒng)

起飛前，APU供電啟動飛機主發(fā)動機，APU可提供電力和壓縮空氣，保證客艙和駕駛艙內(nèi)的照明和空調(diào)，確保旅客的舒適。飛機飛行時，APU是保證航空發(fā)動機空中停車后再啟動的主要裝備，它直接影響飛行安全；降落后，仍由APU供應電力照明和空調(diào)，使主發(fā)動機提早關閉。APU同主發(fā)動機一樣是渦輪發(fā)動機，燃燒航空燃油排放廢氣。其存在效率相對較低，噪聲、耗油量相對較大的缺點[7]，給機場及機場地區(qū)帶來的大氣污染和環(huán)境噪音顯得十分突出。

各航空企業(yè)可通過減少使用APU的方法來降低燃油成本。航空公司在航班的航前、過站、航后等地面等待時間可以使用地面電源代替飛機APU，節(jié)能減排效果相當明顯。對于飛機著陸后使用地面設備替代APU，歐洲和日本等發(fā)達國家的機場已寫入制度規(guī)范。飛行員著陸后操作也很方便．地面（電源）設備(圖6)連接成功，飛機指示燈點亮提醒，飛行員按下切換按鈕，則完成了關閉飛機APU并由地面設備（電源）供應能源的操作。目前機場所使用的地面設備主要分為兩種：地面車載電源、空調(diào)設備和地面橋載電源、空調(diào)設備。

圖6 地面電源車設備

采用地面（電源）設備代替APU供電，可節(jié)約燃油消耗、節(jié)省APU維修費用、減少CO2等氣體的排放。根據(jù)不同航空公司測試及營運數(shù)據(jù)顯示，APU每小時消耗航空煤油一般為100kg/h～120kg/h。而一般地面（電源）設備僅為10kg/h～15kg/h柴油，節(jié)油率可達80%以上。

1.6 管理節(jié)能

1.6.1 優(yōu)化航線

國務院發(fā)布的《促進民航業(yè)發(fā)展的若干意見》文件中明確提出：“實行航路航線截彎取直，提高臨時航線使用效率，優(yōu)化地面運行組織，減少無效飛行和等待時間?！蔽覈骄€普遍存在彎曲程度較高、技術等級和開放程度較低等問題。我國航路航線非直線系數(shù)約為1．11（歐洲和美國均低于1．05），這導致飛機飛行距離增加，提高了運營成本。民航空管部門在目前狀況下提出了“東部擴展、西部延伸、南部分流、北部拉直、中部疏通”的指導思路。優(yōu)化海南、深圳等地區(qū)空域，啟用京昆、廣蘭和京廣等大通道，使用東南沿海海上飛行航線,這些舉措都體現(xiàn)了上述思路。各大航空公司也積極優(yōu)化航線，例如：東航在2009年因航線優(yōu)化節(jié)約能源3 298 t標準煤，節(jié)省成本約1 300萬元。該公司先后對上海一曼谷/普吉、紐約一浦東、浦東-巴黎/法蘭克福、歐洲去程回程、西北區(qū)內(nèi)等航線進行了優(yōu)化，都取得了良好的節(jié)能減排效果[8]。

1.6.2 計算飛行計劃精準化

航空公司的飛行計劃與飛機耗油量直接相關，一般而言,飛機飛行途中特殊天氣、風速、飛行高度、飛機性能、載重等都會對用油量產(chǎn)生很大影響。春秋航空開發(fā)使用了一套計算機模擬飛行計劃，飛行前，利用計算機技術，結合氣象、性能及載重參數(shù)，可以較為準確地預測飛行情況。使用計算機模擬飛行計劃取代固定油量模式，根據(jù)實時的飛行線路風向和風速等參數(shù),確定最優(yōu)飛行高度,通過計算機模擬計算得到一個準確、安全的航班加油量,減少了飛行重量,可節(jié)省航班運行中的燃油消耗。東航則使用了一套直接運行成本（DOC）控制和管理系統(tǒng)。每月根據(jù)國際油價和運行成本狀況的變化，隨時調(diào)整發(fā)布各機型的CI成本指數(shù)，使公司的DOC控制和管理形成長效管理機制。根據(jù)東航統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)使用前后，平均單位飛行小時油耗可以下降10%[9]。

1.6.3 飛機重心調(diào)整

飛機載荷分布情況確定了飛機重心位置。除了在重心位置以外，飛機上各部位載重量變化，飛機重心都會移動，向載重變大的方向偏移。一般而言，飛機重心越靠后,巡航阻力越小,耗油越少,因此可以通過重心后移減少燃油消耗。

飛機在實際運行中，可以通過旅客和貨物位置合理布置控制飛機重心位置，在確保飛行安全的前提下向后挪移飛機重心以達到節(jié)油目的。后移重心范圍由工程師依據(jù)飛機重心包線劃定，在進行配載平衡時，配載工作人員協(xié)調(diào)值機和裝貨工作人員對旅客和貨物的位置進行調(diào)整，使飛機重心處于劃定范圍中。山東航空在煙臺、青島、濟南基地實施了飛機重心后移，年節(jié)油量約110t。

1.6.4 飛機減重

飛機減重是減少飛機燃油消耗的重要手段，根據(jù)計算,飛機載重每減少100kg，油耗可降低2．1kg/h。飛機減重可以通過如下幾種手段實現(xiàn)：

1）羅列設備、物料和飛機用品清單和明細，避免重復計算；準確稱量各種設備、物料和飛機用品重量，精確計算飛機總重量；

2）規(guī)范飛機供應用品、機載雜志等數(shù)量和加水量等，比如按照航班的特點靈活配備機供品和雜志、按照航程的長短規(guī)范加水量等，減少不必要的重量。

3）使用輕質材料座椅等輕質材料配件。

1.6.5 降低起飛推力

滿推力起飛是目前大部分飛機在起飛過程中普遍使用的方式，然而當實際起飛重量低于起飛限制重量時，飛機起飛過程中可以適當降低推力。適當降低起飛推力可以降低發(fā)動機排氣溫度，減少零件損耗，進而提升飛機發(fā)動機的可靠性，減少維護成本。同時，減推力起飛也減少了燃油用量和噪聲污染。減推力起飛實際使用過程中需要工程師提供合理充足的起飛性能數(shù)據(jù)供飛行員使用，并給予相應的規(guī)范和指導。飛機減推力起飛時發(fā)動機可靠性和油耗情況如圖6所示。

圖6 減推力起飛發(fā)動機性能和油耗示意圖

奧凱航空在2010年將數(shù)架B737-800飛機的CFM56發(fā)動機的27KN推力下降至26KN[7]。該公司咨詢了通用電氣公司和自身的飛機性能部門,評估了將發(fā)動機推力降低至26KN對航線運營的影響，并與波音公司進行商討，最終確定并實施了該項目。取得了良好的節(jié)能減排效果。

2 結論和展望

為深入貫徹落實生態(tài)文明建設要求，我國民航業(yè)在過去的近10年內(nèi)已采取了諸多有效措施，全方位地推進節(jié)能減排工作，形成了推進節(jié)能減排工作的良好氛圍，取得了較為顯著的成效。但面對國內(nèi)外新形勢新要求，仍存在民航業(yè)綠色低碳發(fā)展基礎不牢、能力不強、動力不足等問題。

目前“十三五”已經(jīng)接近收尾，“十四五”即將開年，我國民航業(yè)面臨的國內(nèi)外資源環(huán)境約束將日益明顯。從國家層面說，我國到2020年需實現(xiàn)碳強度降低40%～45%的約束性目標，2030年左右CO2排放達到峰值的目標，我國的生態(tài)文明制度體系建設將持續(xù)推進，環(huán)境保護與節(jié)能減排領域的硬約束、硬指標將不斷加強。

我國民航業(yè)節(jié)能減排工作將同時面臨新的挑戰(zhàn)和機遇。我們應正確認識并積極探索民航業(yè)發(fā)展規(guī)律和協(xié)調(diào)發(fā)展與減排之間的關系，充分運用市場手段，不斷激發(fā)、提升民航業(yè)節(jié)能減排內(nèi)生動力，繼續(xù)加大節(jié)能減排技術的研究開發(fā)力度，在未來構建出安全、高效、便捷、綠色的現(xiàn)代民用航空系統(tǒng)。