作者：陳愛玲 來源：青島遠洋船員學院學報 時間：2013年4月26日
提 要: 2007年以來， 高漲的燃油成本、持續(xù)增長的燃油需求以及IMO等國際組織對船舶排放問題的關注， 使得船舶節(jié)能減排工作重要而突出。本文對當前航運業(yè)內采用的節(jié)能減排措施和有關研究進行了跟蹤、整理和分析， 以期對有關機構及人員能起到參考作用。
關鍵詞: 船舶節(jié)能 減排 性能分析 推進效率 動態(tài)
全球性能源緊張、運營成本的高漲， 使得節(jié)能減排成為近年來世界各大航運公司的一個主要任務。今年以來， 中遠以降低船隊平均運營航速作為節(jié)能減排的具體舉措， 有效地減少了船舶油耗及廢氣排放。國外的航運公司、研究機構也紛紛加大節(jié)能減排研究力度， 如德國SkySails公司的“風帆”、韓國現代重工的“方向舵翼”。除此之外， 業(yè)界還對與節(jié)油降耗有關的諸多因素進行了研究， 如駕駛行為、運行性能分析以及優(yōu)化船體設計等。作者通過近兩年的跟蹤、整理和分析， 綜合起來， 航運業(yè)內當前開展的主要節(jié)能減排措施和最新研究可以歸納為以下幾個方面:
1 提高駕駛技術、改變駕駛習慣， 從人為因素入手節(jié)能減排
新科技、新裝備不是節(jié)油的唯一途徑， 駕駛技術與習慣同樣可以實現節(jié)能減排。荷蘭交通運輸部聯(lián)合其他部門在瓦赫寧根舉辦了內河航運節(jié)油比賽， 想通過比賽讓各船公司和船長認識到他們在節(jié)油事務中的重要性。整個比賽歷時8周，有42艘內河船舶參加， 共耗油650萬升， 平均節(jié)油14. 2%， 折合資金50萬歐元， 同時減少二氧化碳排放量3360噸。Danser集團以節(jié)油25. 4%的成績獲得比賽團體冠軍。同時， 荷蘭政府正在制定新的節(jié)能減排措施， 計劃在2010年實現比2007年節(jié)能減排5%的目標。
中國交通部也開展了節(jié)能減排示范活動， 在推廣的示范項目中， 拖輪/學良節(jié)油法0在2006年至2007年， 僅在“亞洲二號”一條拖輪上就實現節(jié)油近
160噸， 折合人民幣87萬余元?！皩W良節(jié)油法”主要通過低速航行、單車靠離、多點?？?、單車航行、最大力矩、借力航行、均勻“變速”、“冷車”慢行、“空檔”滑行等方法手段實現拖輪操作節(jié)油。
此類比賽或示范項目的確能夠讓船公司、船員在節(jié)能觀念上得到加強， 從操作技術與駕駛習慣方面提高節(jié)能減排本領。由于遠洋航線周期長、航線情況差別大、整體油耗大， 駕駛技術與駕駛習慣實現的節(jié)油效果很難直接表現出來， 但這并不能掩蓋駕駛技術與駕駛習慣在遠洋船舶節(jié)能減排方面的重要性， 我們還是應該增強節(jié)能減排觀念， 提高操作技術、養(yǎng)成良好的駕駛習慣， 在現有船舶裝備情況下達到最佳節(jié)能水平。
2 提高運行性能分析能力， 在實際運營中節(jié)油降耗
船舶在實際運營和維護過程中也有降耗空間。航速是最直觀的參數， 平穩(wěn)的航速或自動巡航設定被認為可以減少5%- 10%油耗。由于船舶在不同的速度、洋流和氣候條件下連續(xù)運行， 這些因素都對油耗有較大影響， 船員僅僅掌握船舶額定工況時的單位時間耗油信息是不夠的， 必須為他們提供船舶的速度-功耗特性等更多信息，并根據吃水、吃水差、水深、水流、風和潮汐等進行修正， 以便船員合理操作， 使船舶處于最佳航行狀態(tài)。
MARIN聯(lián)合10家船東經營者、4家船級社、9家航海和檢測系統(tǒng)供應商以及1家船廠一起進行了航速試驗分析項目和運營性能分析項目。他們首先研究出一個明晰且精確的航速試驗分析推薦方法。該推薦方法針對不同船型更新了風阻數據， 校正了波浪阻力， 其最大優(yōu)勢在于其結果不因計算方式不同而不同， 具有通用性。運營性能分析項目則通過四艘試驗船研究船舶實際運營性能， 其中洋流、環(huán)境、水深、負載(吃水、吃水差)等均被考慮在內。該方法的一致性效果已經得到證明。性能分析本身并不能直接節(jié)省燃料或減少排放。然而， 明確船舶性能將有助于船員優(yōu)化船舶速度和吃水， 進一步提高船舶性能、實現節(jié)能減排。參與項目的公司將共享試驗成果， 在他們的船上應用運營性能分析系統(tǒng)。
3 優(yōu)化船舶設計， 提高低速船舶的節(jié)能水平
當前， 很多航運公司都試圖通過降低船速來減少燃油消耗。從單純的單船油耗看， 這種方法節(jié)油效果十分明顯， 但我們必須注意到， 我們現有的船舶可能并不適于低速航行。在以前追求航行速度的年代， 船型設計與優(yōu)化都是以較高船速為前提的。如今， 船速要降低了， 船舶設計與優(yōu)化也應隨之改變。
首先， 船速降低， 激波與興波阻力隨之改變，船舶的方形系數、球鼻艏就需要重新優(yōu)化; 其次，船舶巡航速度改變， 對靜水狀態(tài)下的螺旋槳設計要求不再苛刻， 而波浪阻力變得更加重要， 避免推進系統(tǒng)過載、穩(wěn)速成為主要因素。再次， 設計時必須考慮到速度改變帶來的靜水動力和海上功率裕度的改變。還有， 低速船的推進性能可能會影響到船舶的操縱性能， 增加橫搖的發(fā)生機率。這就需要對船舶舵機和航向穩(wěn)定性進行研究和改進。最后， 隨著船速的降低， 船舶動力裝置的額定工況也將改變， 需要有相應的設計改進。
4 利用AIS掌握船舶排放情況
船舶排放的量化問題是控制船舶排放的重要因素， 也是節(jié)能減排管理中的難點。從2005年起， 所有300總噸以上的船舶都被強制要求裝備了AIS系統(tǒng)。岸站可以通過AIS系統(tǒng)獲取船舶編號、呼號、位置、航向、航速等信息， 并可進一步得到船舶的船型、大小、引擎、建造時間、最大航速、燃油以及相關信息。利用“AIS系統(tǒng)掌握船舶排放情況”成為一項新的科研課題。
通過AIS信息， 結合實時空氣狀況， 可以確定每艘船舶的排放系數。進一步耦合AIS數據與船舶船速、航行狀態(tài)(作業(yè)或錨泊)、吃水等工作參數、靜態(tài)特性以及船舶排放系數， 則可確定船舶的排放位置及數量。當每艘船舶的排放都被量化后， 就可以計算出特定區(qū)域的排放情況， 進而得出局部空氣質量。排放量化還可以用于涉及排放許可問題的空間規(guī)劃。
5 利用流體動力學軟件優(yōu)化船舶設計， 降低油耗
減少興波阻力與摩擦阻力是提高船體性能的主要途徑， 而減少興波阻力的方法大多集中在球鼻艏和船體前后形狀設計上。良好的球鼻艏設計能夠將球鼻艏與船首之間的激波降到最小。以前， 球鼻艏主要根據試驗船速和設計吃水進行優(yōu)化， 考慮到油價， 一些以前未被考慮在內的因素變得重要了。船舶的操作性能被考慮進來， 球鼻艏也需要根據較低的設計航速、較大的速度空間和吃水區(qū)間進行改進， 使阻力在試驗狀態(tài)下達到最小。
研究機構通過模型試驗對鴨尾、尾楔、尾壓浪板(擾流板)的作用進行研究， 認為這一途徑可以減少5%-10%的阻力。此外， 通過先進的防污油漆和良好的船體(平滑焊接等)減少摩擦阻力，也可以降低油耗。而利用空氣潤滑將有望用于船舶較大的濕表面和較大的平坦部位。
6 提高推進效率、增加燃油利用率
螺旋槳能夠將70%左右的機械動力轉化為推進力， 雖然已經處于合理范圍， 但仍有大量能量損失。螺旋槳的實際效率受限于船舶航行條件和船體性能。例如， 螺旋槳直徑不僅受船舶航行吃水限制， 還要顧及船體與螺旋槳間隙(與螺旋槳直徑的比例通常固定在20%-25%)， 以此保證船尾的振動處于可接受范圍內。這同時還制約了螺旋槳的徑向負載分布， 影響推進效率。另外為防止出現氣蝕， 要求保證一定的葉片面積， 這將增加螺旋槳摩擦損失。如果將螺旋槳船體整體優(yōu)化， 提高其氣蝕余量利用率， 對傳統(tǒng)的螺旋槳驅動的船舶，整體推進效率可以提高5%至10%。
7 動力定位船舶節(jié)油研究
動力定位船舶的燃油效率也成為業(yè)界關注的問題。動力定位船舶在遇到強風或波群時， 勢必會發(fā)生較大位移， 在船舶歸位時就會造成燃油消耗。提前預防是避免發(fā)生位移的主要方法， 在預測到有強風或大浪時， 要提前做好準備， 將位移降到最小。風向及風速測量已經應用于動力定位控制， 而波浪信息因其測量難度較大還未被完全應用， 但模型試驗證明可以達到較好的定位性能。
8 節(jié)能技術在船舶設計上的綜合應用
歐盟的一個科研項目正在設計一種模塊化組裝的船舶。模塊化組裝船舶可以根據運營需要改變船舶用途， 調整最佳航速和載荷， 以此提高船舶運營效率、降低近海航行成本。根據變化的用途、船速等因素設計優(yōu)化船舶性能是其中的關鍵技術。
日本郵船則提出“CoolEarth”項目， 計劃通過提高發(fā)動機效能、改進船體線型、使用燃料電池、應用“水下空氣洞”技術、安裝太陽能電池板、
改善螺旋槳管理、利用風力等一系列措施， 大幅減少二氧化碳排放。該項目的第一階段已經正式啟動， 是在一艘汽車運輸船的甲板上安裝太陽能電
池板， 328塊電池板將占超過該船甲板面積的25%。這些電池板的發(fā)電功率可達40千瓦。該船計劃于今年12月交付使用。前期實驗的目的在于測試太陽能電池板能否經受住海上惡劣條件的考驗。如何利用并不穩(wěn)定的太陽能以及如何使太陽能有效地供給到輔助動力系統(tǒng)是另外兩大技術難題。
安裝太陽能電池板只是第一步， 日郵希望到2010年能夠開發(fā)出一艘效率比目前的實驗船高50%， 同時廢氣排放量只有實驗船一半的船舶。隨后， 利用太陽能、風能技術等， 至2050年開發(fā)出一艘完全不以碳燃料為動力的船舶， 從而徹底消除二氧化碳排放。
節(jié)能減排是我國的一項基本國策?？茖W技術的發(fā)展和不斷進步， 必將推動新的節(jié)能減排措施的出現和發(fā)展。在國際海事組織、各國政府、航運企業(yè)和科研機構等各方的共同努力下， 航行必將更安全， 海洋必將更清潔。
關鍵詞: 船舶節(jié)能 減排 性能分析 推進效率 動態(tài)
全球性能源緊張、運營成本的高漲， 使得節(jié)能減排成為近年來世界各大航運公司的一個主要任務。今年以來， 中遠以降低船隊平均運營航速作為節(jié)能減排的具體舉措， 有效地減少了船舶油耗及廢氣排放。國外的航運公司、研究機構也紛紛加大節(jié)能減排研究力度， 如德國SkySails公司的“風帆”、韓國現代重工的“方向舵翼”。除此之外， 業(yè)界還對與節(jié)油降耗有關的諸多因素進行了研究， 如駕駛行為、運行性能分析以及優(yōu)化船體設計等。作者通過近兩年的跟蹤、整理和分析， 綜合起來， 航運業(yè)內當前開展的主要節(jié)能減排措施和最新研究可以歸納為以下幾個方面:
1 提高駕駛技術、改變駕駛習慣， 從人為因素入手節(jié)能減排
新科技、新裝備不是節(jié)油的唯一途徑， 駕駛技術與習慣同樣可以實現節(jié)能減排。荷蘭交通運輸部聯(lián)合其他部門在瓦赫寧根舉辦了內河航運節(jié)油比賽， 想通過比賽讓各船公司和船長認識到他們在節(jié)油事務中的重要性。整個比賽歷時8周，有42艘內河船舶參加， 共耗油650萬升， 平均節(jié)油14. 2%， 折合資金50萬歐元， 同時減少二氧化碳排放量3360噸。Danser集團以節(jié)油25. 4%的成績獲得比賽團體冠軍。同時， 荷蘭政府正在制定新的節(jié)能減排措施， 計劃在2010年實現比2007年節(jié)能減排5%的目標。
中國交通部也開展了節(jié)能減排示范活動， 在推廣的示范項目中， 拖輪/學良節(jié)油法0在2006年至2007年， 僅在“亞洲二號”一條拖輪上就實現節(jié)油近
160噸， 折合人民幣87萬余元?！皩W良節(jié)油法”主要通過低速航行、單車靠離、多點?？?、單車航行、最大力矩、借力航行、均勻“變速”、“冷車”慢行、“空檔”滑行等方法手段實現拖輪操作節(jié)油。
此類比賽或示范項目的確能夠讓船公司、船員在節(jié)能觀念上得到加強， 從操作技術與駕駛習慣方面提高節(jié)能減排本領。由于遠洋航線周期長、航線情況差別大、整體油耗大， 駕駛技術與駕駛習慣實現的節(jié)油效果很難直接表現出來， 但這并不能掩蓋駕駛技術與駕駛習慣在遠洋船舶節(jié)能減排方面的重要性， 我們還是應該增強節(jié)能減排觀念， 提高操作技術、養(yǎng)成良好的駕駛習慣， 在現有船舶裝備情況下達到最佳節(jié)能水平。
2 提高運行性能分析能力， 在實際運營中節(jié)油降耗
船舶在實際運營和維護過程中也有降耗空間。航速是最直觀的參數， 平穩(wěn)的航速或自動巡航設定被認為可以減少5%- 10%油耗。由于船舶在不同的速度、洋流和氣候條件下連續(xù)運行， 這些因素都對油耗有較大影響， 船員僅僅掌握船舶額定工況時的單位時間耗油信息是不夠的， 必須為他們提供船舶的速度-功耗特性等更多信息，并根據吃水、吃水差、水深、水流、風和潮汐等進行修正， 以便船員合理操作， 使船舶處于最佳航行狀態(tài)。
MARIN聯(lián)合10家船東經營者、4家船級社、9家航海和檢測系統(tǒng)供應商以及1家船廠一起進行了航速試驗分析項目和運營性能分析項目。他們首先研究出一個明晰且精確的航速試驗分析推薦方法。該推薦方法針對不同船型更新了風阻數據， 校正了波浪阻力， 其最大優(yōu)勢在于其結果不因計算方式不同而不同， 具有通用性。運營性能分析項目則通過四艘試驗船研究船舶實際運營性能， 其中洋流、環(huán)境、水深、負載(吃水、吃水差)等均被考慮在內。該方法的一致性效果已經得到證明。性能分析本身并不能直接節(jié)省燃料或減少排放。然而， 明確船舶性能將有助于船員優(yōu)化船舶速度和吃水， 進一步提高船舶性能、實現節(jié)能減排。參與項目的公司將共享試驗成果， 在他們的船上應用運營性能分析系統(tǒng)。
3 優(yōu)化船舶設計， 提高低速船舶的節(jié)能水平
當前， 很多航運公司都試圖通過降低船速來減少燃油消耗。從單純的單船油耗看， 這種方法節(jié)油效果十分明顯， 但我們必須注意到， 我們現有的船舶可能并不適于低速航行。在以前追求航行速度的年代， 船型設計與優(yōu)化都是以較高船速為前提的。如今， 船速要降低了， 船舶設計與優(yōu)化也應隨之改變。
首先， 船速降低， 激波與興波阻力隨之改變，船舶的方形系數、球鼻艏就需要重新優(yōu)化; 其次，船舶巡航速度改變， 對靜水狀態(tài)下的螺旋槳設計要求不再苛刻， 而波浪阻力變得更加重要， 避免推進系統(tǒng)過載、穩(wěn)速成為主要因素。再次， 設計時必須考慮到速度改變帶來的靜水動力和海上功率裕度的改變。還有， 低速船的推進性能可能會影響到船舶的操縱性能， 增加橫搖的發(fā)生機率。這就需要對船舶舵機和航向穩(wěn)定性進行研究和改進。最后， 隨著船速的降低， 船舶動力裝置的額定工況也將改變， 需要有相應的設計改進。
4 利用AIS掌握船舶排放情況
船舶排放的量化問題是控制船舶排放的重要因素， 也是節(jié)能減排管理中的難點。從2005年起， 所有300總噸以上的船舶都被強制要求裝備了AIS系統(tǒng)。岸站可以通過AIS系統(tǒng)獲取船舶編號、呼號、位置、航向、航速等信息， 并可進一步得到船舶的船型、大小、引擎、建造時間、最大航速、燃油以及相關信息。利用“AIS系統(tǒng)掌握船舶排放情況”成為一項新的科研課題。
通過AIS信息， 結合實時空氣狀況， 可以確定每艘船舶的排放系數。進一步耦合AIS數據與船舶船速、航行狀態(tài)(作業(yè)或錨泊)、吃水等工作參數、靜態(tài)特性以及船舶排放系數， 則可確定船舶的排放位置及數量。當每艘船舶的排放都被量化后， 就可以計算出特定區(qū)域的排放情況， 進而得出局部空氣質量。排放量化還可以用于涉及排放許可問題的空間規(guī)劃。
5 利用流體動力學軟件優(yōu)化船舶設計， 降低油耗
減少興波阻力與摩擦阻力是提高船體性能的主要途徑， 而減少興波阻力的方法大多集中在球鼻艏和船體前后形狀設計上。良好的球鼻艏設計能夠將球鼻艏與船首之間的激波降到最小。以前， 球鼻艏主要根據試驗船速和設計吃水進行優(yōu)化， 考慮到油價， 一些以前未被考慮在內的因素變得重要了。船舶的操作性能被考慮進來， 球鼻艏也需要根據較低的設計航速、較大的速度空間和吃水區(qū)間進行改進， 使阻力在試驗狀態(tài)下達到最小。
研究機構通過模型試驗對鴨尾、尾楔、尾壓浪板(擾流板)的作用進行研究， 認為這一途徑可以減少5%-10%的阻力。此外， 通過先進的防污油漆和良好的船體(平滑焊接等)減少摩擦阻力，也可以降低油耗。而利用空氣潤滑將有望用于船舶較大的濕表面和較大的平坦部位。
6 提高推進效率、增加燃油利用率
螺旋槳能夠將70%左右的機械動力轉化為推進力， 雖然已經處于合理范圍， 但仍有大量能量損失。螺旋槳的實際效率受限于船舶航行條件和船體性能。例如， 螺旋槳直徑不僅受船舶航行吃水限制， 還要顧及船體與螺旋槳間隙(與螺旋槳直徑的比例通常固定在20%-25%)， 以此保證船尾的振動處于可接受范圍內。這同時還制約了螺旋槳的徑向負載分布， 影響推進效率。另外為防止出現氣蝕， 要求保證一定的葉片面積， 這將增加螺旋槳摩擦損失。如果將螺旋槳船體整體優(yōu)化， 提高其氣蝕余量利用率， 對傳統(tǒng)的螺旋槳驅動的船舶，整體推進效率可以提高5%至10%。
7 動力定位船舶節(jié)油研究
動力定位船舶的燃油效率也成為業(yè)界關注的問題。動力定位船舶在遇到強風或波群時， 勢必會發(fā)生較大位移， 在船舶歸位時就會造成燃油消耗。提前預防是避免發(fā)生位移的主要方法， 在預測到有強風或大浪時， 要提前做好準備， 將位移降到最小。風向及風速測量已經應用于動力定位控制， 而波浪信息因其測量難度較大還未被完全應用， 但模型試驗證明可以達到較好的定位性能。
8 節(jié)能技術在船舶設計上的綜合應用
歐盟的一個科研項目正在設計一種模塊化組裝的船舶。模塊化組裝船舶可以根據運營需要改變船舶用途， 調整最佳航速和載荷， 以此提高船舶運營效率、降低近海航行成本。根據變化的用途、船速等因素設計優(yōu)化船舶性能是其中的關鍵技術。
日本郵船則提出“CoolEarth”項目， 計劃通過提高發(fā)動機效能、改進船體線型、使用燃料電池、應用“水下空氣洞”技術、安裝太陽能電池板、
改善螺旋槳管理、利用風力等一系列措施， 大幅減少二氧化碳排放。該項目的第一階段已經正式啟動， 是在一艘汽車運輸船的甲板上安裝太陽能電
池板， 328塊電池板將占超過該船甲板面積的25%。這些電池板的發(fā)電功率可達40千瓦。該船計劃于今年12月交付使用。前期實驗的目的在于測試太陽能電池板能否經受住海上惡劣條件的考驗。如何利用并不穩(wěn)定的太陽能以及如何使太陽能有效地供給到輔助動力系統(tǒng)是另外兩大技術難題。
安裝太陽能電池板只是第一步， 日郵希望到2010年能夠開發(fā)出一艘效率比目前的實驗船高50%， 同時廢氣排放量只有實驗船一半的船舶。隨后， 利用太陽能、風能技術等， 至2050年開發(fā)出一艘完全不以碳燃料為動力的船舶， 從而徹底消除二氧化碳排放。
節(jié)能減排是我國的一項基本國策?？茖W技術的發(fā)展和不斷進步， 必將推動新的節(jié)能減排措施的出現和發(fā)展。在國際海事組織、各國政府、航運企業(yè)和科研機構等各方的共同努力下， 航行必將更安全， 海洋必將更清潔。
