節(jié)能減排背景下船舶綠色引航方法探索

王明世 周雪松

一、引言

建設(shè)美麗中國是2012年中共十八大提出的戰(zhàn)略部署，并被納入“十三五”和“十四五”規(guī)劃，其首要任務(wù)就是推進綠色發(fā)展，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系。交通運輸部于2015年印發(fā)了《船舶與港口污染防治專項行動實施方案（2015—2020年）》和《珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實施方案》，開始分區(qū)域、分階段實施船舶排放控制；于2017年發(fā)布了《關(guān)于推進長江經(jīng)濟帶綠色航運發(fā)展的指導(dǎo)意見》，以綠色航道、綠色港口、綠色船舶、綠色運輸組織方式為抓手，促進航運綠色循環(huán)低碳發(fā)展；于2019年發(fā)布了《2020年全球船用燃油限硫令實施方案》，以確保全球限硫令在我國有效實施。

水路運輸與其他運輸方式相比雖然有“碳效率”最佳的優(yōu)點，但由于約90%的世界貿(mào)易通過海運完成，所以其總量非常大。近期，由國際海事組織（IMO）撰寫的一份報告指出，全球航運業(yè)CO2排放量已從2012年的9.62億t增長到2018年的10.56億t，所占份額從2.76%上升到2.89%，而且由于船用燃料質(zhì)量較差，排放的含硫、含氮和顆粒污染物較多，產(chǎn)生的負外部性——生態(tài)污染和碳排放問題已備受國際社會重視。IMO于2020年1月1日起實施全球船用燃油限硫規(guī)定。隨著航運業(yè)低碳、低硫政策的持續(xù)收緊，以及IMO節(jié)能減排戰(zhàn)略的提出，“綠色航運、綠色港口”逐漸成為港航企業(yè)未來核心競爭力的重點內(nèi)容之一。

船舶引航（以下簡稱引航）作為船舶進出港的重要環(huán)節(jié)，是航運的起點和終點，引航作業(yè)在綠色港口建設(shè)過程中，特別是在降低船舶在港口水域活動的排放方面能夠發(fā)揮重要的作用。因此，在引航生產(chǎn)中探索節(jié)能減排措施、倡導(dǎo)綠色引航有著重要的意義。

二、引航生產(chǎn)鏈主要能耗排放及能效影響因素識別

（一）引航接送

引航接送作業(yè)中的時間、地點、交通船艇類型和交通船艇的主機功率等都將直接影響排放總量。

（二）引航計劃

引航計劃包括引航員登船時間、編隊次序、靠離泊時間和方式以及拖輪使用計劃等，例如登船時間、富余水深、交通流編隊的合理性、順流還是頂流航行、靠離泊是否需要掉頭、是否需要拖輪伴航和協(xié)助靠離泊等，都將直接影響排放總量。

（三）航行過程

港內(nèi)船舶通航密度大，航道復(fù)雜局面頻出，經(jīng)常需要加減車和施舵來避讓，急加減車或大角度施舵都會增加油耗和排放。所以航行過程中通航密度、航速控制、航速分配和用車習(xí)慣等都是影響能效和排放的因素，其中航速控制、航速分配和用車習(xí)慣大部分決定于引航員的技術(shù)水平。船舶燃料分重油和輕油，為降低成本，船舶在海上航行時基本都采用質(zhì)量較差、價格低廉的重油，其含有較多的水分、灰分和硫化物等雜質(zhì)，燃燒后排放的含硫、含氮和顆粒污染物較多，而含硫化物和顆粒物低的輕油燃燒后污染物相對較少。所以船舶的燃油質(zhì)量將直接影響排放污染物的量。

（四）靠離泊過程

船舶引航中尤其是在靠離泊之前，岸基支持很重要。如果信息不及時，船舶靠泊時離泊船延期將造成靠泊船過久滯航在主航道上，影響本船及周邊船舶的能效；靠離泊時船舶與碼頭工作人員的配合是否默契將影響靠離泊效率；有沒有側(cè)推器，以及拖輪如何使用將直接影響排放。優(yōu)秀的引航員在引導(dǎo)船舶靠離泊時，合理采用靠泊角度、系解纜順序，有效利用潮汐和風(fēng)動力，操縱流暢，可以減少用車、拖輪或側(cè)推器的次數(shù)和時長，可見引航技術(shù)水平與節(jié)能減排和能效提升息息相關(guān)。

綜上所述，船舶引航生產(chǎn)過程中的能效影響因素如圖1所示。

圖1 引航生產(chǎn)能效影響因素示意圖

三、綠色引航方法分析

（一）總原則與實施策略

1.總原則

綠色引航固然重要，但引航的基本目的是為了切實執(zhí)行港口規(guī)章制度并保障港航安全，如果因為一味實施節(jié)能減排而引發(fā)事故甚至造成環(huán)境污染，那么后果不堪設(shè)想，所以切忌為節(jié)能減排而影響安全或違章操作，綠色引航必須建立在安全和符合規(guī)定的前提條件下。

2.綠色引航意識

綠色引航不屬于強制范疇，只有當(dāng)相關(guān)人員提高綠色意識后能自發(fā)地實施，才能從根本上取得成效，所以必須提高相關(guān)人員的綠色引航意識。

3.綠色引航技術(shù)

沒有優(yōu)秀的綠色引航技術(shù)，就沒有綠色引航的立身之地，所以總結(jié)綠色引航技術(shù)并研究新的操作方法勢在必行。

（二）引航接送作業(yè)

據(jù)了解，國內(nèi)引航機構(gòu)主要利用引航艇和拖輪兩種方式接送引航員。經(jīng)測算，假設(shè)拖輪功率為2 844 kW，引航艇功率為896 kW，以實際耗油拖輪按平均功率的60%、引航艇按平均功率90%計算來比對，可獲知拖輪的每小時油耗是引航艇的4.06倍[1]。僅從節(jié)能減排的角度看，顯然采用引航艇是最優(yōu)選擇。

（三）引航計劃

1.富余水深

船舶在港口水域內(nèi)航行時，由于水域?qū)挾群退钍芟蓿瑫a(chǎn)生黏性阻力和興波阻力為主的淺水效應(yīng)[2]。阻力增大，與深水航行相比保持同樣的速度將增加油耗和排放，所以安排引航計劃時，船舶需要留有合理的富余水深。

2.潮汐港

國內(nèi)部分港口屬于潮汐港，潮汐周期性產(chǎn)生的潮流將影響船舶的航速，顯而易見，逆流航行時船舶需要克服潮流流速，順流航行可以增加船舶航速提高能效。

3.靠離泊方式

船舶進港后一般都由原航路出港，在碼頭邊掉頭是必不可少的行為，那么進港掉頭靠泊和離泊掉頭出港中，哪種方式更減少總排放呢？由于碼頭邊水域受限，進港掉頭靠泊需要頻繁使用車舵、側(cè)推器和拖輪協(xié)助才能完成，離泊掉頭出港時可以利用纜繩的受力、絞錨（靠泊時已拋下外擋錨）以及內(nèi)舷受流的作用力，使船舶在泊位邊轉(zhuǎn)出一個大的角度，以減少車舵、側(cè)推器和拖輪的使用。所以從單船航次總能耗來看，“進港（不掉頭）直接靠泊、出港離泊時掉頭”是優(yōu)選方案。

4.集中進港時船舶編隊

沈建華的《基于引航操作計劃優(yōu)化的港口水域船舶節(jié)能減排措施研究》中利用遺傳算法建模優(yōu)化上海港北槽集中進港編隊，找出了船隊總能耗最小的進港計劃編制原則，經(jīng)測算，優(yōu)化后的船舶編隊總能效提升水平達16.4%[3]。

（四）船舶航行

1.港內(nèi)“燃料選擇”

交通運輸部發(fā)布的《2020年全球船用燃油限硫令實施方案》明確自2020年1月1日起，船舶在我國管轄水域不得使用含硫量超過0.5%m/m的燃油。為減少船舶污染物在港口的排放，引航員最好能督促船方使用低硫合規(guī)輕油。

2.航速分配

一般認為船舶對水速度大小與船舶瞬時能耗成立方關(guān)系[2]。在變速航行過程中，高航速航行與平均航速相比能耗的增加量，將大于低速航行時與平均航速相比能耗的減少量，使總航程相等的情況下變速航行的總能耗大于勻速航行。所以應(yīng)在安全受控的前提下，盡量保持或接近勻速航行。

3.主機操作

由常用數(shù)據(jù)可知，船舶廢氣排放與船舶主機油耗成正比，同時燃燒越充分，廢氣排放越少。船舶主機在加速和啟動時，主機噴油率突然大幅增加導(dǎo)致燃燒不充分，而且會增大船速的滑失比[2]。主機頻繁啟動，在導(dǎo)致主機噴油率增大的同時消耗大量的壓縮空氣，造成額外的能量消耗，因此，在保持安全的前提下，應(yīng)盡量避免主機頻繁啟停。

（五）船舶靠離泊

1.側(cè)推器與拖輪的選擇

據(jù)上海港引航站與上海海事大學(xué)聯(lián)合開展的“基于減排和能效目標(biāo)的智能化引航?jīng)Q策系統(tǒng)”研究測算，在船速為0 kn時，同樣有效輸出功率398 kW/h，側(cè)推器油耗199 kg/h，拖輪油耗388 kg/h，側(cè)推器比拖輪單位時間節(jié)省油耗48.7%。另外，由于側(cè)推器更接近大船的船首，因此在作用力大小相等的情況下使用側(cè)推器可以獲得更大的轉(zhuǎn)船力矩，所以應(yīng)優(yōu)先使用側(cè)推器。

2.拖輪與被引船動車舵的選擇

一般來說，大船主機功率遠大于拖輪的主機功率，而且大船主機重新啟動需要消耗壓縮空氣，而拖輪是全回轉(zhuǎn)型，主機一直運轉(zhuǎn)不需要重啟，所以在有協(xié)助拖輪的情況下，應(yīng)優(yōu)先使用拖輪，盡量少用車舵來獲取船舶橫移力。

3.用拖輪頂還是拖的選擇

拖輪協(xié)助靠離泊時，由于用拖的方式其有效力僅限于水平分力，受拖纜仰角影響較大，但用頂?shù)姆绞狡溆行Х至⒋蟠笤黾?。故在可拖可頂?shù)臅r候首選頂?shù)姆绞健?/p>

4.拖輪帶纜位置和纜長的選擇

將拖力沿豎直方向和水平方向分解，其有效拖力就是水平分力，這個分力產(chǎn)生轉(zhuǎn)船力矩。為了充分發(fā)揮拖輪的有效拖力，拖纜的仰角應(yīng)當(dāng)盡可能小，一般應(yīng)小于15°，拖輪協(xié)助時帶纜的位置應(yīng)盡量遠離船舶轉(zhuǎn)心位置，以增大力臂，獲得最大轉(zhuǎn)船力矩[2]。由于靠離泊時拖輪帶纜后有時拖有時頂，如果拖纜太長可能導(dǎo)致頂與拖切換的時間較長，所以拖纜的具體使用長度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況來決定。

5.拖輪協(xié)助時大船的控速

研究表明拖輪協(xié)助大船掉頭時，大船對水速度越低效果越明顯，當(dāng)船速超過極限速度（約5 kn）時，使用拖輪可能失效[2]，所以在拖輪協(xié)助時，大船要降速以配合拖輪，提高能效。

（六）岸基支持和多方協(xié)作

（1）要想做好船舶引航作業(yè)中的岸基支持，引航監(jiān)控不可或缺，引航調(diào)度員要通過引航監(jiān)控系統(tǒng)隨時掌握進出港船舶的動態(tài)，并加強與港區(qū)碼頭的溝通，遇到與計劃不符的情況時，在第一時間里通知相關(guān)引航員、拖輪公司和碼頭，以使引航員能及早控制好航速或擇地拋錨等候，不使輔助拖輪來回空駛，使碼頭能及時做好船舶靠離泊準(zhǔn)備。

（2）引航機構(gòu)要高度重視靠離泊時的多方協(xié)作，在靠離泊前引航員要與拖輪和碼頭管理員確定好對講機頻道，指令簡單明了，實施方操作后要及時回復(fù)，提高效率。

四、踐行綠色引航的建議

（一）踐行綠色引航的總原則與實施策略

（1）建議堅持“安全第一、遵章守紀(jì)”并倡導(dǎo)“節(jié)能減排、綠色引航”的總原則。

（2）加強綠色引航意識培養(yǎng)。建議各引航機構(gòu)向引航員和引航調(diào)度員宣傳在符合規(guī)定、保障安全生產(chǎn)的前提下節(jié)能減排，實施綠色引航。

（3）積極開展綠色引航技術(shù)的研究和推廣。建議各引航機構(gòu)總結(jié)符合各自港口特點的綠色引航技術(shù)，引航協(xié)會可以組織研究綠色引航新技術(shù)，并積極推廣。

（二）推薦采用引航艇接送

盡量采用引航艇接送引航員，避免單獨使用拖輪接送，除非在被引船需要拖輪護航時順便接送引航員或大風(fēng)浪接送作業(yè)。

（三）優(yōu)化引航計劃

（1）引航調(diào)度員制訂引航計劃時，最好根據(jù)規(guī)章制度、安全和節(jié)能減排因素綜合考慮，保持船舶合理富余水深，潮汐港盡量安排船舶順流航行，進港不掉頭直接靠泊，出港時離泊掉頭。如上海港散貨和雜貨船盡量安排順流航行，進港時優(yōu)先選擇順流進口、初落流靠泊，其次是順流進口、掉頭靠泊；出港時優(yōu)先選擇初落流離泊，其次是高潮離泊。

（2）可以利用遺傳算法模擬集中進港計劃編隊，以便找出整體能效最優(yōu)的編隊方法。

（四）船舶航行時的建議

建議引航員參與“燃料選擇”行動，港內(nèi)航行時督促船方換用低硫合規(guī)輕油。在保障安全和遵守規(guī)章的前提下，盡可能均勻分配航速，避免船舶主機頻繁啟停或加減車。

（五）船舶靠離泊時的建議

在安全有保障的情況下，盡可能避免頻繁啟停車，優(yōu)先利用風(fēng)流和錨自行靠離，其次是配有側(cè)推器的可以利用側(cè)推器，最后再考慮利用拖輪協(xié)助；有側(cè)推器或有拖輪協(xié)助時少用車舵獲取橫向力；在拖輪協(xié)助掉頭時優(yōu)先使用頂；拖輪帶纜位置盡量遠離船舶轉(zhuǎn)心，拖纜長度適度，大船速度盡量降低，以便更好地使拖輪發(fā)揮作用、提高能效。

（六）加強岸基支持和多方協(xié)作

（1）建立引航監(jiān)控系統(tǒng)和相關(guān)規(guī)定，發(fā)生異常情況時調(diào)度員要及時與碼頭和引航員進行溝通。

（2）建立引航員與碼頭現(xiàn)場管理員及拖輪之間的靠離泊溝通制度，使現(xiàn)場信息溝通順暢。

五、結(jié)語

面對能源緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)退化的嚴(yán)峻現(xiàn)狀，保護地球生態(tài)、建設(shè)美麗中國是關(guān)系人類福祉、民族未來和各行業(yè)生存發(fā)展的大事。引航界從自身視角提出船舶綠色引航的理念，思考有益環(huán)境保護和節(jié)能減排的方法，提出一些切實可行的有效建議，以期通過行業(yè)行為的改善和約束，達到服務(wù)綠色航運、服務(wù)綠色港口的目的，為我國“碳達峰”和“碳中和”承諾的早日實現(xiàn)提供行業(yè)的最大努力。