綠色船舶提升能效的技術(shù)與管理措施

楊 城

（武警士官學(xué)校，浙江杭州 311400）

隨著全球貿(mào)易的擴(kuò)大，航運(yùn)業(yè)也隨之迅猛發(fā)展，然而，船舶航行時(shí)產(chǎn)生的NOx、SOx等有毒、有害氣體，嚴(yán)重威脅著海洋環(huán)境的安全。1988 年IMO 海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）正式展開船舶對(duì)大氣污染議題的研討及審議，目的是減少船舶對(duì)大氣的污染。隨著國(guó)際防污染公約（MAPOL 73/78）附則Ⅵ-“防止船舶造成大氣污染規(guī)則”于2005年正式生效[1]，對(duì)船舶的排放提出了新的要求。當(dāng)前，世界各國(guó)及國(guó)際海事組織積極推出溫室氣體減排計(jì)劃[2]，在這種背景下，2021 年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》[3]，這表明，綠色船舶已成為一種必然[4]。

1 評(píng)價(jià)指數(shù)

2008年MEPC第58次會(huì)議首次提出新建船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）概念以來(lái)，歷經(jīng)多次修改及論證，最終經(jīng)MEPC.245（66）決議形成了標(biāo)準(zhǔn)的新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)，具體公式如下：

EEDI 主要表示船舶每噸/英里排放二氧化碳的數(shù)量，根據(jù)公式，EEDI 指數(shù)越小，表明CO2排放越少，船舶的能效越高。為區(qū)別EEDI，澳大利亞Rightship 公司提出現(xiàn)有船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EVDI）[5]概念，方便船舶進(jìn)行GHG（Green house gas）排放分級(jí)，EVDI與EEDI相類似，主要是計(jì)算單位運(yùn)輸量排放的CO2量，計(jì)算的結(jié)果主要與船舶的船型、航速、載貨量、油品、主機(jī)功率等有關(guān)。具體公式如下：

除此之外，2011 年，MEPC 正式將船舶能效管理計(jì)劃（SEEMP）[6]作為強(qiáng)制性要求，提出船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)（EEOI）的概念，一并納入MARPOL公約，主要是從船舶公司營(yíng)運(yùn)的角度，進(jìn)行策劃、實(shí)施、監(jiān)測(cè)、評(píng)估以及改進(jìn)，提高船舶的能效。

2 綠色船舶的技術(shù)方案

2.1 降低主輔機(jī)能耗

2.1.1 設(shè)計(jì)緊湊

相同功率情況下，主機(jī)體積越小，則燃燒產(chǎn)生的有毒有害氣體，也會(huì)隨之減少。因此，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)備廠商對(duì)主輔機(jī)采用輕量化設(shè)計(jì)，可以降低主輔機(jī)的重量和體積。船用二沖程柴油機(jī)，通常缸徑較大、沖程較長(zhǎng)，有毒有害氣體的排放量相應(yīng)較大，采取輕量化設(shè)計(jì)后，將會(huì)縮小燃燒室容積，燃燒產(chǎn)生的廢氣量也隨之減少，從而降低能源消耗和能效指數(shù)。

2.1.2 限制功率

根據(jù)EEDI 驗(yàn)證指南，船舶主機(jī)在75%的額定功率（MCR）下進(jìn)行油耗驗(yàn)證，輔機(jī)在50%MCR功率下進(jìn)行驗(yàn)證。以MAN 二沖程柴油機(jī)為例，通常主機(jī)在50%～80%負(fù)荷范圍內(nèi)，主機(jī)的燃油消耗率隨著功率的增加呈現(xiàn)出先降后升的趨勢(shì)，而不同機(jī)型、不同尺寸的主機(jī)最低燃油消耗率的工況點(diǎn)也有所不同。因此，在使用過(guò)程中，根據(jù)主機(jī)油耗率曲線，適當(dāng)降低或限制功率，可以提高燃燒效率，降低燃油消耗，從而降低GHG、NOX的排放量。

2.1.3 低碳燃料

當(dāng)前，大型商船采用的燃油通常是重油，重油的成分中，含有大量的碳原子，燃燒后生成大量的GHG、HC 化合物以及其他有毒有害氣體。因此，未來(lái)的船舶可以選用碳轉(zhuǎn)化系數(shù)低的燃料，如天然氣、生物柴油、正丁醇等，或者選用清潔能源，如H2，這類氣體燃燒后產(chǎn)生的GHG 相對(duì)較少甚至為0。目前，技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用較廣泛的是采用柴油以及天然氣混合燃燒的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)可以有效降低NOx的排放量，對(duì)GHG 也有一定程度的降低。

2.2 增加節(jié)能裝置

船舶主機(jī)燃燒產(chǎn)生的廢氣，經(jīng)過(guò)排氣道、渦輪增壓器以及廢氣鍋爐，排放到大氣中，不僅污染環(huán)境，同時(shí)，廢氣中的熱量仍然很高，卻白白耗散掉，屬于能量的損耗。因此，可以在主機(jī)廢氣鍋爐后，加裝余熱回收裝置，將主機(jī)排放損耗的熱量回收再利用，提高主機(jī)廢氣利用率，在一定程度上提高了能量的利用，減少了GHG排放。

2.3 增加新能源技術(shù)裝備

船舶的電力供應(yīng)，主要依靠船舶發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)在使用過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生大量CO2、HC 化合物以及NOX等有毒、有害氣體。因此，采用風(fēng)能以及太陽(yáng)能等新型能源進(jìn)行發(fā)電，替代原有的柴油發(fā)電技術(shù)，可以降低發(fā)電機(jī)的功率損耗，減少有毒、有害氣體排放。

2.4 優(yōu)化載裝量、船速、功率匹配：

船舶在航行過(guò)程中，一方面，容易受到風(fēng)流浪涌的影響，導(dǎo)致船舶阻力增大，推進(jìn)效率降低，主機(jī)負(fù)載升高，燃油消耗增加，能效指數(shù)增高；另一方面，船體容易受到運(yùn)載貨物配載不均的影響，導(dǎo)致螺旋槳吃水不均勻，船舶推進(jìn)效率降低，油耗增加。因此，對(duì)船舶的線型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，貨物配載均勻，可以提高船舶的推進(jìn)效率，降低能效指數(shù)。

2.5 船舶改造

針對(duì)船舶改造，主要涉及到三個(gè)方面：電控化改造、傳統(tǒng)主機(jī)改造為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以及更換可變距螺旋槳。首先，電控化改造主要是將傳統(tǒng)的機(jī)械式噴油器、噴油泵改造為電控式噴油器以及噴油泵，這樣可以提高噴射效率，降低燃油消耗；其次，將傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)改造為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有較低的NOx和GHG氣體排放；最后，采用可變距螺旋槳，同時(shí)縮小螺旋槳尺寸，提高螺旋槳的推進(jìn)效率，降低船舶航速。

3 綠色船舶的管理方案

管理就是管人、管船、管設(shè)備，每艘船舶都有其自身的特點(diǎn)，要想從技術(shù)上對(duì)船舶及其設(shè)備采取有效的能效措施，則需要從管理的角度，對(duì)船舶、設(shè)備和人員進(jìn)行管理，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)、科學(xué)的論證評(píng)估后，才能達(dá)到最佳效果。

3.1 策劃

從技術(shù)角度考慮，有諸多提升船舶能效的方式，但是，部分技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用之間還有相當(dāng)大的差距，部分技術(shù)只具有可能性，但不具備實(shí)際的可行性。因此，對(duì)船舶采取的能效措施，需要結(jié)合船舶的實(shí)際狀況、船廠及發(fā)動(dòng)機(jī)廠的技術(shù)建議，并結(jié)合相關(guān)船級(jí)社法律規(guī)范，進(jìn)行良好的策劃，找到切實(shí)可行的提升船舶能效指數(shù)的方案。與技術(shù)相對(duì)應(yīng)的是管理，通過(guò)對(duì)船舶的管理，提升船舶能效。在能效管理策劃階段，首先需要考慮到影響船舶能效指數(shù)的主要參數(shù)，如：航線設(shè)計(jì)、航速管理、主輔油耗、船體保養(yǎng)等，再根據(jù)本船和航次的特點(diǎn)，制定一定時(shí)間內(nèi)提高能效的方法。最后，結(jié)合技術(shù)與管理兩個(gè)層面，找出最優(yōu)的能效提升方案。

3.2 實(shí)施

船舶能效管理實(shí)施時(shí)，需要整合必要的資源。一方面是人員。按照計(jì)劃定期對(duì)船員進(jìn)行航海、輪機(jī)等專業(yè)技能培訓(xùn)以及經(jīng)驗(yàn)分享，做好內(nèi)部信息交流，提升船舶專業(yè)人員綜合素質(zhì)能力，減少故障和事故的發(fā)生率；另一方面是機(jī)器。針對(duì)機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄、文件控制，如對(duì)經(jīng)過(guò)檢修后的主機(jī)油耗進(jìn)行記錄，落實(shí)記錄存檔，作為檢查對(duì)比的依據(jù)。

3.3 監(jiān)測(cè)

船舶的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，需要利用專用的監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)船舶的能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如油耗以及發(fā)電量等，并分析計(jì)算后的能效數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)異常狀態(tài)，分析和查找原因，及時(shí)吊缸檢修，排查故障，定期對(duì)能效變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，一旦超出了預(yù)定的范圍，及時(shí)找到產(chǎn)生的原因，并找出管理中存在的問(wèn)題，早發(fā)現(xiàn)，早調(diào)整。

3.4 評(píng)估與改進(jìn)

定期對(duì)船舶的能效進(jìn)行評(píng)估，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和改進(jìn)。船舶的能效管理評(píng)估，主要包括四個(gè)方面內(nèi)容:第一，能效管理計(jì)劃合理性。主要是從技術(shù)和管理兩個(gè)角度，考慮能效計(jì)劃編制是否合理；第二，能效管理措施適用性。計(jì)劃實(shí)施一段時(shí)間后，對(duì)編制的能效計(jì)劃進(jìn)行檢驗(yàn)看其是否適用；第三，能效管理活動(dòng)有效性。定期對(duì)記錄存檔的能效數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查對(duì)比，檢查能效管理是否有效；第四，能效管理目標(biāo)、指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度。依據(jù)能效計(jì)劃，船舶的能效是否有所改善。如果不滿足要求，則及時(shí)反饋、改正。

4 結(jié)論

本文主要從技術(shù)和管理兩個(gè)維度，為綠色船舶的解決方案提供一種參考。在技術(shù)層面上，主要是通過(guò)降低主輔機(jī)能耗；增加余熱裝置；采用新能源等技術(shù)；優(yōu)化載裝量、船速、功率匹配；增加節(jié)能裝置；船舶改造等措施，降低船舶能效指數(shù)，但是在應(yīng)用上，部分技術(shù)存在一定的局限性。在管理層面上，則需要按照SEEMP 四個(gè)基本的管理步驟，結(jié)合具體船舶，策劃船舶降低能效方案，技術(shù)上采用降功率方式或優(yōu)化船型和配載等，在管理上對(duì)人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)交流，提升綜合素質(zhì)能力，進(jìn)行船舶能效數(shù)據(jù)的記錄和控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，同時(shí)，定期評(píng)估能效管理的有效性和適合性，及時(shí)反饋和改正，最終達(dá)成綠色船舶的目的。