船舶能源消耗分布和節(jié)能方向

楊宇航 唐玉林 杜金剛

摘 要：現(xiàn)今，雖科技日新月異，但船舶在貨物運輸上仍占據(jù)較大比重，主要原因有二：運輸經(jīng)濟性和低碳少污染性。因此，研究船舶耗能特點，尋求船舶節(jié)能措施，具有實用意義。本文在介紹主流節(jié)能船型的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有已交付環(huán)保型船舶及國際執(zhí)行的船舶能效營運指數(shù)和設計指數(shù)，重點探索船舶耗能與節(jié)能主要方向。

關(guān)鍵詞：船舶;能源消耗;節(jié)能

0 引言

水上交通中，船舶是重要運載工具，其耗能主要分三類：水面風阻力、水下水波阻力及船上生產(chǎn)生活消耗。近年來，國內(nèi)航運業(yè)和船舶制造業(yè)發(fā)展迅猛，已成功躋身國際航運和造船大國。但從世界范圍看，船舶市場走低趨勢明顯，因此，探索節(jié)能環(huán)保型船舶、增強傳播節(jié)能管理、加速船舶轉(zhuǎn)型和行業(yè)調(diào)整等措施是未來船舶發(fā)展的重頭戲。

1 船舶能源消耗分布

查閱船舶模擬數(shù)據(jù)，可將燃料消耗量大致分為三類。

1.1 船舶燃料消耗量

通常來看，消耗燃料占比有固定值，主機、副機、燃料鍋爐分別為75%、17%、8%。

由此可見，在船舶的燃料消耗上，主機的消耗最大，占到全船的3/4。所以對于大多數(shù)船舶來說，節(jié)約燃料消耗的重點是對主機的能耗進行改良。

目前來說，改良主機主要有兩種方法：第一，改良主機運行狀態(tài)，這種方法的核心是利用新技術(shù)對主機進行維護并優(yōu)化主機燃料的利用率;第二，改良船舶線型，通過船體減阻、提高螺旋槳等技術(shù)，削弱正常要求下的主機輸出功率，達到船機槳的最佳匹配狀態(tài)。

實驗顯示，在這兩種方法的共同作用下，能夠較好達到船舶節(jié)能的目的。

1.2 能量最終流向

實際上，在船舶能耗中，并非所有能量都得到了較好的利用，有效功能量得到了很好的利用，但是無效功能量卻并未有效利用。

（1）船舶有效功能量的消耗。研究表明，全部能量中用于推進船舶航行的能量僅占50%。所以針對主流船型而言，節(jié)能重點應放在提高主機推進效率和減少船舶阻力上，考慮到船舶中用電需求并不多，所以對電力節(jié)能的改造應放在次要位置。

此外，部分原油船需要加熱，所以改進保溫系統(tǒng)亦有成效。

（2）船舶無效功能量的消耗。無效功能量消耗有多種，包括熱輻射、循環(huán)冷卻、推進及排煙等多種方式，其中能量損失最多的是循環(huán)冷卻損失和對外排煙，約占全部損失的一半。

當下，多數(shù)船舶采取的回收熱能方式是余熱鍋爐的回收，這種方式在一定程度上可以減少能量的損失，對船舶能量利用提高效果顯著。同時，考慮到螺旋槳推進做功的能量有一部分屬于旋轉(zhuǎn)尾流消耗的能量，所以采取新型高效的推進方式和改善尾流推進方式，對船舶整體效能的提高也十分有效。

1.3 清潔能源與新能源的船舶耗能分布

科技的進步不可避免的帶來了一系列負面效應，比如能源短缺、氣候變暖、大氣污染等突出性問題。為了進一步營造綠色航運，避免問題朝不可控方向發(fā)展，船舶航運業(yè)對清潔能源和新能源的重視程度得到了有效的加深，比如對原油等化石能源使用量的控制以及太陽能、風能、LNG燃料的探索和利用。

當下，清潔能源與新能源的主要利用方式是全部或部分替代主副機充當船舶主電力源和主動力源。當然，新型能源也能為船上生活和機械運轉(zhuǎn)提供用電，在減少燃料消耗的基礎(chǔ)上能夠直接達到有效利用能源的目的。

2 船舶節(jié)能重點方向

前已述及，解決好船舶節(jié)能問題的根本是充分了解船舶耗能設備、能源替代方向以及能量流向。為此，國際海事組織（IMO）分別從營運和設計建造2個方面規(guī)定了船舶能效設計指數(shù)（EEDI）和船舶能效營運指數(shù)（EEOI），目的是進一步引導船舶的節(jié)能減排。

2.1 船舶能效設計指數(shù)（EEOI）

船舶能效設計指數(shù)的研究意義在于降低船舶耗能和優(yōu)化技術(shù)，其中能效指數(shù)的衡量標準是設計階段CO2的排放量。目前來說，實現(xiàn)船舶節(jié)能主要分為三個方面：提高推進效率、減少船舶阻力以及回收利用余能。

（1）提高推進效率。此種方式的實現(xiàn)大致有兩類：其一是借助新技術(shù)和日常維修來提升或維持主機的能源轉(zhuǎn)換效率，從而保持主機良好的工作狀態(tài);其二是采用特殊能源，如雙燃料及風能、太陽能等可再生能源。值得一提的是，以上方法已能應用于實踐。例如，上海外高橋造船有限公司交付的“明遠”號，它的柴油機節(jié)能環(huán)保且具有超長沖程，并且配置高效螺旋槳前置導輪裝置;又如大連船舶重工的“新茂洋“號，采用的是是節(jié)能型主機、節(jié)能導輪、新型高效螺旋槳等先進技術(shù)。

（2）安裝減阻裝置。船舶消耗的能源中絕大部分的用處是抵抗阻力，包括航行、空氣、興波以及海水的摩擦阻力。其中設計減阻能力強的上層建筑和獨特船型是減少空氣阻力的有效方法，而海水摩擦阻力和興波阻力的解決則主要依靠節(jié)能設備。目前來說，反饋效果良好的節(jié)能設備有兩種，其一是“破浪板“的應用，即在船首吃水線上安裝一種板狀物的裝置，使得波浪向船寬方向分流，從而達到改進波浪能量、減少波浪作用力的目的;其二是配備海底潤滑裝置，這種裝置可以在船底和海水間形成一種氣模。

（3）回收利用余能。余能指的是主機未消耗的熱能以及推進過程中損失的動能，而回收利用余能，指的是通過一定的裝置對未消耗和損失的能量進行再利用。目前來說，主要從三個方面進行余能的再利用。第一，回收船尾的伴流，即利用超級導流管和半圓形流管等補償性導管把伴流轉(zhuǎn)化為動力;第二，回收螺旋槳產(chǎn)生的回流，即采成對的反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，使得后一個螺旋槳能利用前一個螺旋槳損失的能量;第三，再利用主機排放的廢氣，即將廢氣進行回收，由增壓器和渦輪機結(jié)合而成的渦輪發(fā)電機回收再發(fā)電。比如，滬東重機有限公司、上海中船三井造船柴油機有限公司發(fā)布7G60ME-C9.5 EGR BP船用低速機，采用了廢氣再循環(huán)技術(shù)并安裝了ETB40電渦輪鼓風機。

（4）應用新能源。未來船舶節(jié)能的重點之一是對船舶主動力源或主電力源進行優(yōu)化設計，目前可實施的方法是采用電力推進裝置或是開發(fā)太陽能、風能、核能等新型能源。

一是電力推進，包括全電力驅(qū)動和全回轉(zhuǎn)電力驅(qū)動，如武昌船舶重工集團有限公司開建的大型航標智能船和中船黃埔文沖船舶有限公司建造的自航耙吸式挖泥船采用的是全電力驅(qū)動;而天津新港船舶重工有限責任公司建造的醫(yī)院船采用的是全回轉(zhuǎn)電力驅(qū)動。

二是太陽能推進，將太陽能作為重要的輔助動力甚至是主動力，比較成功的是2006年瑞士的“太陽能21號”，這是一艘全太陽能動力船。

三是風能推進，即將風能改進成直接推動或輔助推動船舶前進的能源，如配備風帆裝置的“凱力”號原油船和裝有甲板風動節(jié)能裝置的“AFROS”號散貨船，這兩種船型均來自國內(nèi)，前者的設計單位是大連船舶重工集團有限公司，后者的設計單位為江蘇海通海洋工程裝備有限公司。

四是核動力推進，當下，核動力推進裝置已在民船中取得進展，如中國船舶重工集團有限公司的核動力疏浚船和綜合保障船。

2.2 船舶能效營運指數(shù)（EEOI）

船舶能效營運指數(shù)代表的是CO2量和載貨量的比值關(guān)系，這里的CO2量特指船舶企業(yè)運輸中消耗燃料產(chǎn)生的CO2量。

EEOI的排放值包括航行期間的排放值及船舶在港停泊期間的排放值，排放主體包括主副機、鍋爐等設備的排放，其與航行距離和載貨量也有著密切的關(guān)系。

一般來說，主要從兩方面來控制EEOI：一是采取增強船舶總能系統(tǒng)效率、優(yōu)化船舶航線和控制主輔機和過路的燃油消耗量等方法;二是采用清潔能源、實行科學管理和加強計量統(tǒng)計。

（1）優(yōu)化計量統(tǒng)計。此種方法指的是在符合相關(guān)標準和能耗需要的情況下，在重要用能設備上增設必要的計量器具，對整個過程的能量輸出量和實際能源消耗量進行精準的統(tǒng)計，從而為可靠的能量分析提供科學有效的數(shù)據(jù)。

（2）實施嚴格節(jié)能考核。推行嚴格節(jié)能考核的目的是提高員工的節(jié)約意識、增強操作技能，即在全面績效考核的基礎(chǔ)上提高能源利用效率，其采取的方法是對能源消耗指標進行分解，進而建立完善的能源檢測管理體系。

（3）建立能效管理系統(tǒng)。通過定時定期的收集能耗參數(shù)來建立油耗的動態(tài)指標，然后在同航線燃油消耗的對比下選擇出最優(yōu)異的船舶能效管理系統(tǒng)。

（4）采用清潔能源。在船舶停泊和航行的過程中盡可能多的進行風帆助航、風力發(fā)電、太陽能發(fā)電及采用氫儲能技術(shù)，最大限度地減少船舶的一次能源消耗;在船舶停港作業(yè)時，利用岸電進行生產(chǎn)作業(yè)而后生活保障。

3 結(jié)語

當下，在環(huán)境和企業(yè)生存的雙重制約下，船舶節(jié)能減排及船舶建造、航運企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展勢在必行。無數(shù)事實告訴我們，船舶節(jié)能既要重視船舶營運，也要重視船舶設計;船舶節(jié)能既要注重技能管理，也要增進技術(shù)水平。

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