張李偉 錢疆偉 陸明秋 趙則強(qiáng)

（羅爾斯·羅伊斯船舶制造(上海)有限公司 上海201204）

引 言

海路運(yùn)輸相對(duì)于陸路運(yùn)輸有著運(yùn)量大、距離長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)密集、發(fā)展成熟和費(fèi)用低廉的優(yōu)勢(shì)，因此，當(dāng)今世界國(guó)際貿(mào)易量的95%以上都是通過(guò)船舶運(yùn)輸來(lái)完成的；同時(shí)船運(yùn)相對(duì)于其他運(yùn)輸方式具有最低溫室氣體排放率（如圖1所示），統(tǒng)計(jì)表明：船運(yùn)業(yè)的二氧化碳排放只占人類活動(dòng)總排放量的3%左右，這表明船運(yùn)是最綠色的運(yùn)輸方式。

圖1 各類運(yùn)輸方式CO2排放對(duì)比

然而自2008年國(guó)際金融危機(jī)以后，世界經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)乏力，貿(mào)易需求量相對(duì)于危機(jī)前大為降低；再加上運(yùn)力增加使供大于求的矛盾更為突出，導(dǎo)致船運(yùn)價(jià)格始終在低位徘徊，同時(shí)燃油價(jià)格經(jīng)歷大幅攀升后，使燃油耗費(fèi)甚至曾經(jīng)占船舶運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的50%以上。以14 000標(biāo)準(zhǔn)箱新造箱船船價(jià)計(jì)算為例，它在25年運(yùn)營(yíng)期內(nèi)所消耗的燃料費(fèi)用甚至可達(dá)到船價(jià)的5～9倍，如果能使船舶燃耗改善10%，則節(jié)省的油費(fèi)是相當(dāng)可觀的。而近年來(lái)，國(guó)際海事組織（IMO）加快實(shí)施綠色造船、限制新建船舶溫室氣體排放的步伐，明確提出船舶的能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）和能效運(yùn)營(yíng)指數(shù)（EEOI）執(zhí)行的時(shí)間表，可見(jiàn)船舶節(jié)能減排已成為船東的迫切需要。

船舶節(jié)能已成為世界各國(guó)造船界和航運(yùn)界研究的重要課題。本文從設(shè)計(jì)、設(shè)備、運(yùn)營(yíng)等方面介紹船舶節(jié)能的多種途徑，闡述節(jié)能原理、效果及適用范圍，為船舶的綜合節(jié)能方案提供借鑒。

1 節(jié)能機(jī)理

現(xiàn)代船舶主要通過(guò)主機(jī)輔機(jī)為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)推進(jìn)裝置克服船在水中的阻力而運(yùn)行，此外船上還有各種耗能設(shè)備的運(yùn)行，最終都?xì)w結(jié)于燃料的消耗。所以對(duì)于船舶的節(jié)能可以基于以下途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：

（1）減少所需的推進(jìn)功率；

（2）減少船上設(shè)備的能耗；

（3）回收部分損失的能量；

（4）優(yōu)化船舶運(yùn)營(yíng)。

2 節(jié)能方法

2.1 船體減阻

對(duì)于船體主尺度的優(yōu)化，一般船廠會(huì)遵循在不增加阻力的情況下盡量增大方形系數(shù)，而大部分船東則追求小的方形系數(shù)以使得阻力減小，但這會(huì)增加造船成本，而考慮到船舶設(shè)計(jì)的節(jié)能趨勢(shì)，這種策略可能會(huì)是未來(lái)的發(fā)展方向。當(dāng)船主體尺寸確定后，船體線型的優(yōu)化要盡量滿足船體實(shí)際運(yùn)營(yíng)的情況，也就是要適應(yīng)于一定的吃水及航速范圍，而不僅僅是考核設(shè)計(jì)吃水及航速下的油耗表現(xiàn)。事實(shí)上，只要不是對(duì)船體參數(shù)過(guò)于嚴(yán)格的要求比如機(jī)艙及貨艙位置調(diào)整，方形系數(shù)的限定等，在設(shè)計(jì)階段船體的布置可以進(jìn)行調(diào)整來(lái)滿足最佳的船體的水動(dòng)力表現(xiàn)。

當(dāng)主尺度、螺旋槳直徑及船體型線確定以后，對(duì)船體局部進(jìn)行改進(jìn)也可減小船體剩余阻力：如船首球鼻優(yōu)化可適應(yīng)于更低航速，穿浪型船首可以減小興波阻力，以及非對(duì)稱型船尾，尾壓浪板，雙尾鰭設(shè)計(jì)等，各大水池及設(shè)計(jì)公司對(duì)此類改進(jìn)均有充分的模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。表1是HSVA給出的各種船體局部線形改進(jìn)方案節(jié)能的潛力［1］。

表1 船體線形優(yōu)化節(jié)能潛力

船體的摩擦阻力根據(jù)船型的不同一般占到全部阻力的40%～70% 左右，因此通過(guò)減小船體外表面粗糙度可以有效減小所需推進(jìn)功率。研究表明：每25 μm表面粗糙度的增加對(duì)應(yīng)于0.7%～1%的推進(jìn)功率增大，圖2顯示某船在不同平均表面粗糙度下的阻力性能對(duì)比。最新研發(fā)的硅基防污油漆可以使得船體表面的平均粗糙度下降到65 μm左右，而一般船體的平均表面粗糙度為150 μm甚至 200 μm［2］。對(duì)一艘 4 200 標(biāo)準(zhǔn)箱的集裝箱船總阻力在船體表面平均粗糙度分別為65 μm和200 μm情況下預(yù)估表明：后者會(huì)造成6% 的阻力增加或0.3 kn的航速降低［3］。

圖2 某船不同平均表面粗糙度阻力性能對(duì)比

相對(duì)于對(duì)船體外殼阻力的關(guān)注，螺旋槳槳葉表面粗糙度對(duì)推進(jìn)損失的影響卻常被忽略；但是如果反過(guò)來(lái)看，螺旋槳槳葉單位面積對(duì)耗費(fèi)功率的影響卻遠(yuǎn)比船體外殼要大。所以對(duì)槳葉表面的維護(hù)投入可以產(chǎn)生更高的收益比。圖3給出MMG公司測(cè)試的對(duì)某集裝箱船航速恒定時(shí)槳葉表面粗糙度相對(duì)于2.5 μm狀態(tài)下對(duì)所需功率的影響。最新的無(wú)毒防污涂層（如圖4所示）則可使槳葉的表面粗糙度達(dá)到0.8 μm，應(yīng)用于10萬(wàn)載重噸油輪，其節(jié)能效果可達(dá)6%，而且效果持續(xù)36個(gè)月以上［4］。

圖3 某集裝箱船槳葉表面粗糙度對(duì)推進(jìn)功率的影響

圖4 槳葉防污涂層示意圖

船體的附體阻力對(duì)全部阻力有較大影響，比如側(cè)推、通海閥箱、舭龍骨等，通過(guò)CFD模擬可以將其外形適應(yīng)于船體流場(chǎng)，抑制尾部流場(chǎng)分離，此外也可考慮舵葉采用苗條型剖面或襟翼舵，從而在滿足操縱性能的條件下減小阻力。

近年來(lái)，一種通過(guò)在船體與水面間注入空氣膜或微氣泡來(lái)減小航行阻力的方法吸引了眾多關(guān)注，其原理圖如圖5所示，比較有代表性的就是三菱重工的微氣泡潤(rùn)滑系統(tǒng)以及丹麥DK集團(tuán)的空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)。微氣泡潤(rùn)滑系統(tǒng)于2010年第一次安裝于NYK公司的“YAMATAI”號(hào)貨輪上，測(cè)試結(jié)果表明：與剛交付時(shí)相比，其節(jié)油效果達(dá)到10%以上。

圖5 空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)示意圖

空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)于2009年安裝于一條90 m的貨輪上，安裝前后的測(cè)試結(jié)果得到GL船級(jí)社的認(rèn)可，其聲稱對(duì)于散貨船和油輪的節(jié)能效果可以達(dá)到15%以上，而其消耗的功率僅為原來(lái)的1%～3%。

采用輕質(zhì)高強(qiáng)度材料可以有效減小板厚而減重，如日本某8 000標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船甲板采用YP470高強(qiáng)度鋼板厚度由100 mm降為70 mm，某5 000標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船部分采用YP470高強(qiáng)度鋼板比普通高強(qiáng)度鋼板質(zhì)量可減輕500 t； 船舶采用混合式輕量化結(jié)構(gòu)如在甲板以上采用鋁合金材料，下部結(jié)構(gòu)采用低碳鋼材料，中間采用包復(fù)材料過(guò)渡也可以有效減輕自重。OCIMF 評(píng)估一條VLCC平均0.4%的質(zhì)量減輕是可以實(shí)現(xiàn)的，這能幫助節(jié)省0.1%的油耗［5］。今后諸如鎂鋁合金、碳纖維以及超高分子量材料將日益廣泛應(yīng)用于船舶。

2.2 開發(fā)附體節(jié)能裝置

船舶附體節(jié)能裝置的開發(fā)興起于20世紀(jì)70年代，經(jīng)歷了兩次石油危機(jī)及兩伊戰(zhàn)爭(zhēng)以后，燃油價(jià)格的暴漲使附體節(jié)能技術(shù)得到重視，而2008年國(guó)際金融危機(jī)至今是附體節(jié)能裝置的快速發(fā)展和規(guī)模應(yīng)用期。圖6顯示某型螺旋槳在各個(gè)進(jìn)速系數(shù)下的能耗分布。

圖6 某工作槳葉能耗分布

可見(jiàn)即使在槳葉效率最高的時(shí)候仍然有約30%的能量損耗，而附體節(jié)能裝置可以減小或回收部分損失能量，其節(jié)能機(jī)理大致可以概括為：

（1）減少或消除船體尾部或螺旋槳轂帽后的渦旋及流體分離，減小推力減額，改善船身效率；

（2）改善螺旋槳的進(jìn)流，使船槳匹配更好，從而提高槳的推進(jìn)效率；

（3）改進(jìn)設(shè)計(jì)螺旋槳，提高敞水效率；

（4）回收槳后尾流的能量，產(chǎn)生附加推力。

DNV于2011年底發(fā)布了針對(duì)不同船型的節(jié)能途徑指南，其中詳細(xì)列出市場(chǎng)上開發(fā)的15種節(jié)能裝置及其應(yīng)用于不同船型的節(jié)能效果。圖7為部分節(jié)能裝置示意圖。

圖7 部分節(jié)能裝置示意圖

下頁(yè)表2為各種節(jié)能裝置的節(jié)能原理以及可能達(dá)到的節(jié)能效果［6-7］。事實(shí)上，對(duì)于單個(gè)的節(jié)能裝置而言，其對(duì)于船舶節(jié)能的空間往往是有限的，最新的設(shè)計(jì)趨勢(shì)是將船體、推進(jìn)系統(tǒng)以及附體作為一個(gè)整體來(lái)設(shè)計(jì)，考慮其各自的相互干涉與流場(chǎng)匹配，將不同功能節(jié)能設(shè)計(jì)集成起來(lái)，這樣對(duì)于效率的提高則大有潛力。如Rolls·Royce公司推出的推進(jìn)操縱集成系統(tǒng)Promas，是將船體、螺旋槳和舵系作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)，通過(guò)匹配設(shè)計(jì)的帶舵球的扭曲舵以及流線型的槳轂罩減少槳后轂渦和尾流收縮，同時(shí)回收旋轉(zhuǎn)尾流能量產(chǎn)生附加推力，而槳葉的設(shè)計(jì)會(huì)兼顧船體尾部線型，同時(shí)會(huì)根據(jù)槳后流場(chǎng)的改善進(jìn)行盤面的負(fù)荷均勻化，因此推進(jìn)效率會(huì)進(jìn)一步提高，同時(shí)噪聲及振動(dòng)水平會(huì)得到改善，而且船體的操縱性能也會(huì)得到提高。下頁(yè)圖8所示為Promas系統(tǒng)示意圖。Promas已經(jīng)成功地應(yīng)用于各種船型，對(duì)于單槳船，其節(jié)能效果可達(dá)到8%，而對(duì)于雙槳船，其節(jié)能效果可達(dá)到6%，脈動(dòng)壓力降低25%，操縱性能提高15%。

表2 附體節(jié)能裝置及應(yīng)用

圖8 Promas 系統(tǒng)示意圖

2.3 船舶設(shè)備節(jié)能

2.3.1 主機(jī)節(jié)能

對(duì)于主機(jī)的選型，通常的設(shè)計(jì)是考慮15%的海上功率裕度，而這個(gè)功率裕度顯然應(yīng)該與船型、船的尺寸以及從事貿(mào)易的航行海域有關(guān)而不必取相同值，如對(duì)于大型集裝箱船，7%～8%的裕度也就足夠了，可以避免配備過(guò)大的主機(jī)。此外，船舶的實(shí)際運(yùn)營(yíng)航速往往都低于設(shè)計(jì)的航速，而為了滿足偶爾需要達(dá)到的高航速，完全可以通過(guò)配備PTI系統(tǒng)軸帶電機(jī)由電站提供輔助功率來(lái)實(shí)現(xiàn)［2］。

通常，若將主機(jī)降低功率使用使其不運(yùn)行在最大設(shè)計(jì)功率，則可有效降低燃油消耗率。目前比較有效的做法是在不增大輸出功率的情況下多增加一口缸，使主機(jī)運(yùn)行在最佳油耗點(diǎn)。瓦錫蘭公司對(duì)一艘好望角型散貨船采用此種模式后節(jié)油效果達(dá)3%～4%［6］。

此外，采用先進(jìn)的主機(jī)控制與監(jiān)控系統(tǒng)可以有效提高主機(jī)效率，如主機(jī)自適應(yīng)系統(tǒng)可以始終保持最大的燃燒壓力，使效率提高0.3%～2%。對(duì)于大部分時(shí)間在低負(fù)荷運(yùn)行的主機(jī)，增壓器設(shè)計(jì)采用廢氣旁通、雙級(jí)增壓以及可變渦輪面積等技術(shù)可以有效降低燃耗，圖9為MARA號(hào)油輪主機(jī)采用部分負(fù)荷廢氣旁通技術(shù)（EGB）優(yōu)化以后，在65%額定負(fù)載時(shí)，燃耗降低2.8%［7］。

圖9 主機(jī)采用部分負(fù)荷EGB優(yōu)化節(jié)能案例

2.3.2 余熱回收節(jié)能

主機(jī)燃料的消耗能量往往只有50%轉(zhuǎn)化為輸出功率，在損耗的能量中有一半左右是廢氣熱量。主機(jī)廢熱利用透平轉(zhuǎn)化為電力可以減少發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)功率，而對(duì)冷卻水廢熱回收可以使缸套和掃氣的廢熱進(jìn)一步利用，提高2%～3.5%的主機(jī)功率，該系統(tǒng)也可以與廢氣透平和蒸汽透平等聯(lián)合使用，如圖10。目前船上應(yīng)用廢熱回收裝置已有十幾年的歷史，主要應(yīng)用于大功率的主機(jī)如大型集裝箱船，回收效果取決于系統(tǒng)的組合方式。根據(jù)馬士基公司的經(jīng)驗(yàn)，能夠回收10%～15%的主機(jī)功率。

此外，船上的泵設(shè)備消耗的能量約占燃油消耗的2%，采用變頻控制相對(duì)于常規(guī)控制可以節(jié)省25%左右的能量，因此可節(jié)省燃油消耗約0.5%。采用節(jié)能燈不僅可以節(jié)電，同時(shí)也可以減少空調(diào)系統(tǒng)的能量耗費(fèi)，此外采用優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和隔熱涂層，也能有效減少暖通系統(tǒng)的能量消耗。

圖10 主機(jī)余熱回收系統(tǒng)原理圖

2.4 船舶運(yùn)營(yíng)節(jié)能

2.4.1 降速航行

降速航行即所謂的經(jīng)濟(jì)航速。由于船的所需推進(jìn)功率與航速呈立方以上的指數(shù)關(guān)系，因此降速航行成為船舶最為有效的節(jié)能途徑。以一艘集裝箱船為例，航速降低10%便可降低25%的推進(jìn)功率。這樣雖然帶來(lái)航行周期變長(zhǎng)，但考慮到船舶日租金處于低位，所以仍有利可圖，因此目前的商船船隊(duì)普遍采用降速航行。如若配以適應(yīng)于低轉(zhuǎn)速的主機(jī)和大直徑螺旋槳，則節(jié)能的效果更為明顯。

2.4.2 最佳動(dòng)態(tài)縱傾

所有大型商用船舶都被設(shè)計(jì)成在一個(gè)最佳航速（或最佳航速范圍）和最佳吃水深度航行。但是由于不同的裝載條件、航線和行程，大部分船舶無(wú)法在原始設(shè)計(jì)的參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行。而對(duì)于一艘船舶在每一個(gè)特定的排水量和航速狀態(tài)下，都存在一個(gè)最佳的縱傾角度使得所需推進(jìn)功率最小。航行試驗(yàn)表明，商業(yè)船舶在最佳縱傾狀態(tài)下運(yùn)行節(jié)能的平均潛力在6%左右。以中海一艘14 100 標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船為例，在航速18 kn，吃水14.5 m的工況下，船舶縱傾由尾傾0.85 m調(diào)整至首傾1 m，額外增加7 023 t壓載水導(dǎo)致排水量不同的情況下，實(shí)船報(bào)告顯示油耗減少了8.2%。

由于船舶噸位不斷增大，越來(lái)越多更為現(xiàn)代的船形設(shè)計(jì)（特別是船首和船尾設(shè)計(jì)）投入建造，船舶對(duì)縱傾也越來(lái)越敏感，最優(yōu)縱傾的范圍變得越來(lái)越窄。傳統(tǒng)的確定最佳縱傾方法是通過(guò)模型試驗(yàn)總結(jié)成縱傾圖表，表示一個(gè)合理數(shù)量的航速和吃水深度下的最佳縱傾，此種靜態(tài)最佳縱傾的確定并沒(méi)有考慮船舶航行的實(shí)際情況。最新技術(shù)采用CFD模擬結(jié)合模型試驗(yàn)的方法，同時(shí)充分考慮航速、吃水深度、風(fēng)速風(fēng)向、海況、船身彎曲等動(dòng)態(tài)因素的影響確定船舶的動(dòng)態(tài)最佳縱傾，試驗(yàn)表明：動(dòng)態(tài)最佳縱傾與模型試驗(yàn)下的靜態(tài)最佳縱傾相差可達(dá)1 m以上，采用動(dòng)態(tài)縱傾優(yōu)化技術(shù)以后，船舶在最佳縱傾狀態(tài)下航行的時(shí)間也能由平均40%提高到80%［9］。

2.4.3 污底及螺旋槳清洗

船舶的推進(jìn)表現(xiàn)一般從塢修后6個(gè)月開始下降，此后會(huì)持續(xù)地快速降低，這是由于附著在船體及附件表面的海生物使得船體阻力增大所致。以一條新下水的VLCC為例，其日油耗96 t費(fèi)用約30 000美元，另外還有20 000美元的日運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。以一次15 000 n mile的航程計(jì)算，干凈船體需航行25天，而若是船體布滿不超過(guò)12.7 mm厚海生物，同樣的航程需耗時(shí)28天。污底導(dǎo)致超過(guò)2 kn的航速下降，使得整體費(fèi)用增加了10%。 而美國(guó)海軍的調(diào)查表明，槳葉污垢所增加的阻力甚至可以達(dá)到船體污底增加阻力的一半。所以，對(duì)船體及附體表面及時(shí)清洗可以達(dá)到很好的節(jié)油效果［10］。

現(xiàn)今對(duì)船體的清洗往往在干塢中進(jìn)行，結(jié)合對(duì)其他設(shè)備的保養(yǎng)和檢修，清洗的間隔一般很長(zhǎng)，通常由人工通過(guò)打磨及高壓水槍來(lái)清除污底。而從節(jié)能的角度來(lái)看，1年清洗2次是最佳的策略。最新技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)船體的水下清洗，如利用空泡爆裂產(chǎn)生沖擊波去除海生物的技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用，其清洗速度可以達(dá)到2 000 m2/h。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于大型商船如“Kuban”油輪，取得了很好的效果。以一艘5萬(wàn)載重噸的油輪清洗試驗(yàn)對(duì)比，其水下表面積接近10 000 m2，采用空泡爆裂技術(shù)只需要40個(gè)小時(shí)就可以完成工作，與傳統(tǒng)的打磨清洗相比可以節(jié)約60%的時(shí)間。此項(xiàng)技術(shù)輔以水下智能器（ROV）檢測(cè)油漆及鋼板厚度以及強(qiáng)制陰級(jí)保護(hù)電流強(qiáng)度，使船在進(jìn)干塢前就可以完成清洗，并制訂油漆方案，從而也可縮短在塢時(shí)間。

2.4.4 氣象導(dǎo)航及航線優(yōu)化

傳統(tǒng)的氣象導(dǎo)航只是基于避開惡劣天氣為設(shè)計(jì)原則，主要考慮船舶運(yùn)行的安全性，減少由于天氣原因?qū)Υ昂拓浳镌斐傻膿p失，因而并未對(duì)船舶的節(jié)能專門考慮。隨著船東對(duì)降低燃油耗費(fèi)的緊迫要求以及行業(yè)對(duì)減少溫室氣體排放的關(guān)注，氣象導(dǎo)航可以與船舶運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性很好地結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)航線的優(yōu)化，最新發(fā)展的技術(shù)利用精確的天氣、海況信息，根據(jù)船舶航行區(qū)域，結(jié)合船舶的相關(guān)參數(shù)和裝載貨物的相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)船體在各種海況下的響應(yīng)幅度包括橫搖、傾斜、砰擊以及加速度，采用航速管理模式代替恒轉(zhuǎn)速模式實(shí)現(xiàn)“有效到達(dá)”，因而在確保船舶航行安全的基礎(chǔ)上，突出船舶的經(jīng)濟(jì)化管理。圖11 顯示了兩條起點(diǎn)與終點(diǎn)相同的不同路線的對(duì)比，兩條航線耗費(fèi)的時(shí)間相同，但模式1（浪高限制模式）比模式2（響應(yīng)限制模式）多耗費(fèi)183 t燃油。結(jié)果分析表明模式1選擇了一條繞過(guò)兩個(gè)風(fēng)暴的航線，而模式2選擇從風(fēng)暴上方經(jīng)過(guò)，因?yàn)橄到y(tǒng)預(yù)測(cè)船體的響應(yīng)幅度在安全范圍內(nèi)，而進(jìn)一步的分析也驗(yàn)證了系統(tǒng)的預(yù)測(cè)。IMO報(bào)告顯示，航線優(yōu)化能夠?qū)崿F(xiàn)2%～4%的燃油節(jié)?。?1］。

圖11 航線優(yōu)化案例

3 適用性

盡管市場(chǎng)上發(fā)展了多種節(jié)能途徑，但是并非每一種節(jié)能方法都能得到廣泛應(yīng)用，其原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）技術(shù)復(fù)雜性：如空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)雖然可以大幅降低船舶阻力，但也需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的管系及控制系統(tǒng)，這就需要占用船上的空間以及一定的維護(hù)費(fèi)用。有些船后節(jié)能裝置的表現(xiàn)依賴于高的安裝精度，甚至尺寸超過(guò)螺旋槳直徑，因而增加了安裝難度和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，此外節(jié)能裝置的組合應(yīng)用效果也不能簡(jiǎn)單疊加計(jì)算。

（2）應(yīng)用范圍限制：如槳前整流導(dǎo)管應(yīng)用于低速肥大船型有節(jié)能效果，但是應(yīng)用于相對(duì)高速船型如集裝箱船則效果不佳，甚至?xí)黾佑秃?。而扭曲舵組合舵球卻能很好應(yīng)用于高速船，且能減小空泡氣蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）效果持續(xù)性：例如IMO調(diào)查表明，在下水后的第一年，一些低表面能涂料可能比傳統(tǒng)的自拋光涂料約節(jié)省8%的燃油，而第二年約節(jié)省6%，接下來(lái)的3年可能只有2%。因此，平均節(jié)能效果只有 3.5% 左右［5］。

（4）經(jīng)濟(jì)性：例如降速航行雖能有效降低油耗，但是運(yùn)輸時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)引起船舶運(yùn)營(yíng)費(fèi)用增加，同時(shí)需要增加航線運(yùn)力及人工成本；舊船降速還會(huì)引起主機(jī)長(zhǎng)期在低負(fù)荷工況運(yùn)行，導(dǎo)致磨損加劇，增加主機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用（總成本并不一定減少）。事實(shí)上，船舶的最佳經(jīng)濟(jì)航速?zèng)Q定于燃油成本占綜合成本的百分比。

圖12列出一艘13 500標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船在不同燃油成本占比情況下各航速與25 kn航速時(shí)綜合成本對(duì)比，由此可見(jiàn)并非航速越低越合算，對(duì)于每一個(gè)燃油成本占比都存在一個(gè)最佳經(jīng)濟(jì)航速［12］。

此外，采用節(jié)能技術(shù)一般都會(huì)增加初期的成本投入，因而投資回收期往往是船東格外關(guān)注的指標(biāo)。但是回收期短并不意味著在船舶整個(gè)服役期的節(jié)能收益最大，所以更為重要的指標(biāo)還應(yīng)關(guān)注節(jié)能技術(shù)在船舶整個(gè)服役期的投資收益比。另外，節(jié)能方法的應(yīng)用也要考慮諸如航行區(qū)域、載貨特點(diǎn)、兼容性等綜合因素。

圖12 13 500 TEU船在不同油價(jià)及航速下經(jīng)濟(jì)性分析

4 發(fā)展趨勢(shì)

雖然油價(jià)在近期產(chǎn)生較大的波動(dòng)緩解了高油價(jià)所帶來(lái)的成本壓力，但是節(jié)能減排的綠色概念儼然已為大勢(shì)所趨：預(yù)計(jì)到2015～2020年，EEDI基線值將比剛實(shí)施階段降低10%，2020～2024年降低20%。現(xiàn)有的節(jié)能效果已經(jīng)不能滿足要求，因此就需要開發(fā)新技術(shù)、探索新能源來(lái)適應(yīng)更加嚴(yán)格的要求。

（1）系統(tǒng)化的節(jié)能設(shè)計(jì)

隨著技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)設(shè)備的節(jié)能空間往往有限，但是如果從系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮節(jié)能技術(shù)的互補(bǔ)，以及船在各個(gè)工況下的能耗需求與節(jié)能特點(diǎn)；同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的能量消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，針對(duì)不同工況制定節(jié)能組合模式和策略，實(shí)現(xiàn)船舶全工況下的節(jié)能，其節(jié)能潛力還是比較可觀的。

（2）LNG燃料

目前 LNG 作為船舶燃料已經(jīng)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。挪威船級(jí)社公開表示：“全球航運(yùn)界到 2030 年有潛力實(shí)現(xiàn)減排 30%，這其中最有效的措施就是使用 LNG 作為燃料”。用LNG 作為燃料可以減少約20%的二氧化碳，85%氮氧化物以及95%硫化物的排放，同時(shí)由于其相對(duì)燃油低廉的價(jià)格，使得燃料成本平均可節(jié)省8%～9%左右，因而受到市場(chǎng)普遍關(guān)注。世界上第一艘以單純LNG為主動(dòng)力的貨船已于2012年05月投入運(yùn)營(yíng)，其裝備Rolls-Royce 6缸Bergen C26：33氣體發(fā)動(dòng)機(jī)，該船在投入運(yùn)營(yíng)不到一年的時(shí)間就預(yù)計(jì)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用至少下降5%～10%。未來(lái)隨著美國(guó)頁(yè)巖氣出口，預(yù)計(jì)LNG價(jià)格會(huì)趨于走低，再加上LNG充氣岸站及配套設(shè)施的建設(shè)，未來(lái)以LNG燃料為動(dòng)力船舶一定更會(huì)受到市場(chǎng)青睞。

（3）可再生能源

風(fēng)能和太陽(yáng)能作為取之不盡的潔凈能源一直是船舶輔助動(dòng)力的最佳選擇。

近二十年來(lái)，世界各國(guó)已建造了多艘風(fēng)帆助航船舶，如法國(guó)客船“Club Med l”號(hào)可容納620人，船帆面積為2 500 m2。該船利用柴油機(jī)推進(jìn)時(shí)航速15 kn，用風(fēng)帆時(shí)航速達(dá)11 kn，用帆的節(jié)能效果可達(dá)25%。而全球第一艘用風(fēng)箏拉動(dòng)的貨輪“白鯨天帆”號(hào)已于2007年投入運(yùn)營(yíng)，節(jié)約油耗10%以上。目前日本東京大學(xué)設(shè)計(jì)的新概念風(fēng)助推船采用碳纖維復(fù)合材料的九硬帆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每張帆面積為1 000 m2，新概念船將以風(fēng)力作為主要推力，傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)為輔助動(dòng)力。未來(lái)風(fēng)帆助航技術(shù)將綜合考慮流體動(dòng)力學(xué)及船舶安全、操縱性、穩(wěn)性及帆-機(jī)-槳匹配和自動(dòng)化程度，越來(lái)越多的大型貨船將可利用風(fēng)能助航［13］。

目前將太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于船舶主要是用于小型客船或游艇的主動(dòng)力以及大型船舶的輔助動(dòng)力或照明、加熱系統(tǒng)。如2014年年初，中遠(yuǎn)“騰飛”號(hào)滾裝船就安裝了總?cè)萘?43.1 kW的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，驗(yàn)證了良好的節(jié)能效果。目前對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在船舶上的應(yīng)用還沒(méi)有解決諸如轉(zhuǎn)化效率、儲(chǔ)能裝置、可靠性等關(guān)鍵技術(shù)，隨著未來(lái)技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)結(jié)合風(fēng)能、海流能、波浪能等再生能源將大有希望作為大型船舶的主動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋全天候零排放的目標(biāo)。

（4）燃料電池

研究證實(shí)，燃料電池應(yīng)用于船舶比現(xiàn)有的柴油機(jī)推進(jìn)效率可提高50%，且無(wú)噪聲和振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)低排放。目前為止，一套320 kW功率的全尺寸燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，已安裝到一艘在北海運(yùn)營(yíng)的海洋工程供應(yīng)船“Viking Lady”號(hào)上，這也是全球第一艘通過(guò)燃料電池技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船上發(fā)電試驗(yàn)的營(yíng)運(yùn)船舶。

GL船級(jí)社和漢堡城市發(fā)展和環(huán)境管理局對(duì)世界商船隊(duì)53%的船舶進(jìn)行了船舶使用燃料電池的技術(shù)可能性、現(xiàn)有技術(shù)、融合概念和法律背景分析得出結(jié)論：在全世界范圍內(nèi)，船上安裝船舶輔機(jī)燃料電池大約具有160 kMW的市場(chǎng)潛力。目前，燃料電池技術(shù)已趨于成熟，但其功率密度及電池容量尚且不足，而且初期投資過(guò)高（同功率約為柴油機(jī)價(jià)格6倍）是影響其大規(guī)模實(shí)船應(yīng)用的重要因素。此外，諸如氫燃料的安全儲(chǔ)運(yùn)也是有待解決的問(wèn)題，隨著技術(shù)進(jìn)步以及大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用和電池壽命可靠性的提高，相信燃料電池商業(yè)化應(yīng)用于船舶領(lǐng)域會(huì)有廣闊的前景。

5 結(jié) 論

以往幾年，大量采用節(jié)能技術(shù)的親環(huán)境船型設(shè)計(jì)頗受市場(chǎng)追捧，其效果確實(shí)也得到驗(yàn)證。Scorpio公司于2013年第一季度率先發(fā)布了其親環(huán)境型MR油輪所帶來(lái)的收益報(bào)告：公司新近服務(wù)的親環(huán)境型MR油輪日均運(yùn)費(fèi)收入為20 726美元，而租賃的常規(guī)MR油輪日均運(yùn)費(fèi)收入為16 453美元。不僅如此，常規(guī)MR油輪日均運(yùn)營(yíng)費(fèi)用為6 500美元，而親環(huán)境MR油輪日均運(yùn)營(yíng)費(fèi)用僅為5 852美元。公司聲稱，親環(huán)境型油輪與2008年投入使用的MR油輪相比，效率提高了30%。

此外，最近幾年對(duì)于未來(lái)船舶的全新設(shè)計(jì)理念也不斷出現(xiàn)，如日前挪威Lade AS設(shè)計(jì)公司推出的全新船型設(shè)計(jì)Vindskip通過(guò)將對(duì)稱翼型船體作為風(fēng)帆產(chǎn)生推力輔以LNG 動(dòng)力推動(dòng)船體保持恒定航速，結(jié)合氣象導(dǎo)航使航行路線保持最佳風(fēng)向角度獲取最大動(dòng)力，聲稱最大可以節(jié)省60%的燃耗以及80%的CO2排放。

因此，船舶節(jié)能技術(shù)的發(fā)展不僅有其現(xiàn)實(shí)利益的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也能帶動(dòng)船舶工業(yè)不斷創(chuàng)新，相信未來(lái)會(huì)有更多革命性的設(shè)計(jì)涌現(xiàn)，使船運(yùn)變得更加綠色環(huán)保，更好地為全球經(jīng)濟(jì)服務(wù)。

圖13 Vindskip設(shè)計(jì)效果圖

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