船舶節(jié)能環(huán)保技術(shù)綜述

楊 森，楊 杰，苗春暉

(中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京100094)

0 引 言

隨著國(guó)際海事組織對(duì)船舶節(jié)能環(huán)保要求的提高，各國(guó)船舶工業(yè)從系統(tǒng)優(yōu)化配置、設(shè)備參數(shù)改進(jìn)、新型能源應(yīng)用等多個(gè)方面入手，進(jìn)行船舶節(jié)能環(huán)保技術(shù)的探索和研究，提出切實(shí)可行的建議和措施，努力實(shí)現(xiàn)以低消耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟(jì)。

1 船舶節(jié)能環(huán)保背景

面對(duì)全球石化資源的巨大消耗，走發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)之路已成為各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然選擇。船舶行業(yè)作為資源運(yùn)輸?shù)闹饕浇?，是全球?jīng)濟(jì)的重要支撐。同時(shí)數(shù)據(jù)顯示，船舶行業(yè)也是主要能耗大戶，因此大力發(fā)展船舶節(jié)能環(huán)保具有重要戰(zhàn)略意義。

1.1 國(guó)際海事組織標(biāo)準(zhǔn)

隨著各種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，國(guó)際海事組織IMO對(duì)船舶節(jié)能環(huán)保的要求日趨嚴(yán)格，包括碳排放、壓載水處理、船舶涂料等方面。

以碳排放為例，IMO 針對(duì)船舶能效出臺(tái)了EEOI(船舶能效營(yíng)運(yùn)指標(biāo))和EEDI (新船能效設(shè)計(jì)指數(shù))2個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。前者針對(duì)運(yùn)營(yíng)船舶，后者針對(duì)新造船舶。簡(jiǎn)單來說，就是根據(jù)船舶二氧化碳的排放量和運(yùn)貨能力的比值來表示船舶的能效，從而強(qiáng)調(diào)了國(guó)際船舶的節(jié)能減排增效目標(biāo)。

1.2 船舶工業(yè)排碳現(xiàn)狀

IMO的1 組研究報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，2007年船舶行業(yè)排放10.46 億噸二氧化碳，約占全球排放總量的3.3%。若不加以改善，到2020年，二氧化碳排放量將在目前基礎(chǔ)上增加約75%。國(guó)際油輪獨(dú)立船東協(xié)會(huì)也發(fā)布了類似的研究報(bào)告。這些報(bào)告顯示全球遠(yuǎn)洋航運(yùn)與海貿(mào)的快速成長(zhǎng)和燃油消耗增加了二氧化碳對(duì)全球環(huán)境的影響。

2 新型船舶節(jié)能環(huán)保技術(shù)

根據(jù)國(guó)際海事組織IMO 要求和船舶工業(yè)的排碳現(xiàn)狀，積極調(diào)研國(guó)內(nèi)外先進(jìn)節(jié)能環(huán)保技術(shù)，在對(duì)實(shí)船實(shí)際運(yùn)營(yíng)深入研究的基礎(chǔ)上，選取幾項(xiàng)節(jié)能效果好、應(yīng)用范圍廣的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，進(jìn)行重點(diǎn)論述。

2.1 余熱回收技術(shù)

柴油機(jī)作為船舶的主推進(jìn)動(dòng)力，其實(shí)際功率輸出不足50%，其他均以熱能形式通過廢氣和冷卻水散發(fā)，造成船舶能源的巨大浪費(fèi)。所謂余熱回收技術(shù)就是通過各種技術(shù)手段將余熱合理、高效地轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、電能或熱交換，從而有效降低燃油消耗，減少大氣污染，降低碳排放。具體形式有以下幾種:

1)柴油機(jī)廢氣通過廢氣鍋爐產(chǎn)生約0.9 MPa，280℃的過熱蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)(透平發(fā)電機(jī))發(fā)電。

2)柴油機(jī)廢氣通過廢氣鍋爐產(chǎn)生約0.5 MPa左右的飽和水蒸氣來滿足燃油加熱器和船員的日常生活加熱。

3)柴油機(jī)廢氣利用廢氣渦輪增壓器將廢氣能量轉(zhuǎn)換成掃氣空氣的壓力來提高柴油機(jī)的功率和效率。

4)柴油機(jī)冷卻水通過換熱器也可直接用于加熱船員生活用水和油艙的保溫或經(jīng)過二次加熱用于冬季空調(diào)的熱源或用于夏季吸收式制冷裝置的加熱源等。

柴油機(jī)廢氣能量約占燃油總熱量18%左右，其可利用部分也達(dá)11%。目前，透平發(fā)電機(jī)在船舶上的應(yīng)用技術(shù)已相當(dāng)成熟，安裝管理不存在任何問題。柴油機(jī)冷卻水中所蘊(yùn)含熱量約占燃油總熱量17%左右，可利用部分甚至要高出廢氣，但是由于水的焓值低于蒸汽焓值，其傳熱溫差也較小，相同換熱量時(shí)，換熱器體積略大，因此冷卻水的熱量回收實(shí)用性不強(qiáng)。

柴油機(jī)余熱回收之所以能得到推廣，是因?yàn)槠涫找孢h(yuǎn)大于船東在設(shè)備改裝的初期投資。通過余熱回收得到的收益主要有:節(jié)約燃油的費(fèi)用，減少對(duì)大氣污染;減少燃油、淡水的儲(chǔ)存量，從而增加了船舶的載貨量。鑒于燃油價(jià)格居高不下，占據(jù)船舶運(yùn)營(yíng)成本的主要部分，因此對(duì)于船東來講，僅節(jié)約燃油費(fèi)一項(xiàng)收益便極其可觀，現(xiàn)作以下分析:以MAN 公司的12K98ME/MC 柴油機(jī)為例，其額定功率為68 640 kW，平均運(yùn)行工況為85%，油耗為171 g/kWh，海上航行天數(shù)為280天，按油價(jià)為600 美元(2012年新加坡油價(jià)，具體價(jià)格還與標(biāo)號(hào)、地點(diǎn)有關(guān)系)計(jì)算，該船每年可節(jié)約燃油約為343 萬美元。據(jù)調(diào)查，余熱利用的成本償還期一般在3年以內(nèi)，年回報(bào)率達(dá)30%左右，節(jié)能投資合理。

2.2 節(jié)能泵技術(shù)

節(jié)能泵技術(shù)又稱變頻海水泵技術(shù)，是針對(duì)海水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)設(shè)計(jì)，在滿足船級(jí)社規(guī)范要求、全船海水冷卻需求量的基礎(chǔ)上，采用變頻控制法自動(dòng)調(diào)節(jié)海水泵流量，實(shí)現(xiàn)能源高效利用。

該技術(shù)的核心在于海水泵的轉(zhuǎn)速控制。借鑒變頻泵在其他系統(tǒng)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，通過改變泵馬達(dá)的輸入頻率，調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)海水泵流量。在實(shí)船應(yīng)用中，針對(duì)離心海水泵的管路特性曲線，在滿足最小壓力、冷卻量的基礎(chǔ)上，結(jié)合主機(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況，采用模糊控制法，設(shè)定最小流量需求，適時(shí)調(diào)整海水泵轉(zhuǎn)速。為了保證系統(tǒng)控制精度，系統(tǒng)采集海水進(jìn)口溫度、淡水出口溫度等溫度信號(hào)和海水進(jìn)口壓力、主機(jī)高溫淡水三通閥開度等壓力信號(hào)作為反饋環(huán)節(jié)控制變頻器輸出頻率。海水冷卻系統(tǒng)可根據(jù)地域、季節(jié)等外界環(huán)境因素和主機(jī)輔機(jī)工況自動(dòng)調(diào)整管路流量，在滿足全船海水冷卻需求基礎(chǔ)上提供最優(yōu)運(yùn)行模式，最大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。

從外界環(huán)境等因素考慮:常規(guī)設(shè)計(jì)下，冷卻海水進(jìn)口溫度通常以32℃為準(zhǔn)，配合額定轉(zhuǎn)速，恒流量的海水泵提供全船供水量。但在不同地域及季節(jié)，海水溫度相差很多，甚至可以低至0℃，導(dǎo)致海水流量的過度，浪費(fèi)資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，以某船海水進(jìn)口溫度25℃為例，以變頻控制方式進(jìn)行海水流量調(diào)節(jié)，節(jié)能約13%。

從主輔機(jī)運(yùn)行工況因素考慮:船舶工況不同會(huì)造成主輔機(jī)熱負(fù)荷和冷卻量不同。以主機(jī)為例，功率為50% 時(shí)，低溫淡水冷卻量為額定狀態(tài)下的50.2%。常規(guī)設(shè)計(jì)采用額定轉(zhuǎn)速，恒流量的海水泵提供全船供水。導(dǎo)致海水流量過度，資源浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，以某裝機(jī)功率13 MW的集裝箱船為例，按實(shí)際功率85%計(jì)算，以變頻控制方式進(jìn)行海水流量調(diào)節(jié)，節(jié)能約5%。

變頻泵的應(yīng)用覆蓋各行各業(yè)，價(jià)格低廉，技術(shù)成熟。將該技術(shù)直接引用至海水冷卻系統(tǒng)中，幾乎不存在任何技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，且初裝費(fèi)用較低，投資回報(bào)率較高，非常有利于技術(shù)的推廣應(yīng)用。

2.3 節(jié)能空調(diào)技術(shù)

所謂節(jié)能空調(diào)技術(shù)，是指根據(jù)需要冷卻的空間或冷卻區(qū)域內(nèi)最大人數(shù)需求，進(jìn)行制冷量或加熱量控制，從而達(dá)到節(jié)能目的。

常規(guī)船舶空調(diào)僅根據(jù)制冷區(qū)域內(nèi)回風(fēng)溫度進(jìn)行制冷量或加熱量控制，由于在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，空間溫度調(diào)整的需求功率往往超過人員需求功率，造成系統(tǒng)功率浪費(fèi)，同時(shí)由于系統(tǒng)運(yùn)行所需功率晝夜波動(dòng)大，電站負(fù)荷不穩(wěn)定，須留有較大富裕功率，造成系統(tǒng)浪費(fèi)和燃油消耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，船舶空調(diào)占全船電力(電力推進(jìn)船舶除外)消耗20%，客船更是達(dá)到45%，節(jié)能空間巨大。

節(jié)能空調(diào)在系統(tǒng)控制方面根據(jù)房間維持溫度和是否有人進(jìn)行分區(qū)獨(dú)立控制，取消中央供風(fēng)系統(tǒng)。在設(shè)備優(yōu)化方面則將壓縮機(jī)電機(jī)改為變頻電機(jī)，對(duì)壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)采取變頻控制，以減少風(fēng)噪與壓縮機(jī)的啟停次數(shù)，穩(wěn)定電站運(yùn)行功率。

總而言之，節(jié)能空調(diào)一方面能有效降低空調(diào)機(jī)組制冷量，具有較高的節(jié)能效果，另一方面節(jié)能空調(diào)在安裝過程中僅需增設(shè)部分控制單元和變頻電機(jī)，不需要過多投入，同時(shí)可取消中央風(fēng)機(jī)單元等設(shè)備，因此具有較好的適用性。

2.4 新型能源應(yīng)用技術(shù)

新型能源應(yīng)用技術(shù)是一個(gè)很寬泛的概念，包括除常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)之外的多種能源推進(jìn)技術(shù)，如電力推進(jìn)技術(shù)、LNG 燃料技術(shù)、風(fēng)帆助力技術(shù)、燃料電池技術(shù)、太陽(yáng)能技術(shù)等。其中尤以電力推進(jìn)技術(shù)和LNG 燃料技術(shù)較為成熟。

2.4.1 電力推進(jìn)技術(shù)

電力推進(jìn)技術(shù)是采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，取代常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)的一種新型船舶動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)采用電能作為能量方式進(jìn)行傳遞，將常規(guī)船舶中的主推進(jìn)柴油機(jī)和電站合二為一，采用多臺(tái)發(fā)電機(jī)組作為全船的能量源，由于發(fā)電柴油機(jī)較主推進(jìn)柴油機(jī)工況穩(wěn)定，能量利用率高，因此具有極好的節(jié)能效果。

柴油機(jī)的油耗在60%～100%的負(fù)荷之間較低，其中在80%負(fù)荷左右最低，這就形成了傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)和柴油機(jī)電力推進(jìn)在功率消耗上的差異。在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，船舶電站由多臺(tái)相對(duì)功率較小的柴油發(fā)電機(jī)組組成，不同功率需求下可以通過選擇發(fā)電機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)和負(fù)荷來保證每臺(tái)運(yùn)行機(jī)組的效率，從而使每臺(tái)發(fā)電柴油機(jī)在多數(shù)運(yùn)行模式和時(shí)間下都運(yùn)行在最佳工作區(qū)，無需變速和頻繁啟停，提高了燃料的效率，降低了氮氧化物的排放，有利于節(jié)能環(huán)保。同時(shí)，在船舶制動(dòng)、減速時(shí)可以回收制動(dòng)能量，進(jìn)一步提高了運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用電力推進(jìn)技術(shù)的船舶，柴油機(jī)效率提高10%～15%，可節(jié)油10%左右。除此之外，電力推進(jìn)船舶還在機(jī)動(dòng)性、可靠性、減振降噪、設(shè)備優(yōu)化布置方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

目前，電力推進(jìn)以其高效率、高機(jī)動(dòng)性、高經(jīng)濟(jì)性、高可靠性、高自動(dòng)化、高環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海洋工程船、科考船、挖泥船、輪渡、豪華郵輪、軍船等軍民特種船舶領(lǐng)域，已成為新一代高技術(shù)綠色船舶的首選推進(jìn)型式。

2.4.2 LNG 燃料技術(shù)

LNG 燃料技術(shù)，顧名思義是采用液化天然氣(LNG)作為燃料替代船用柴油的技術(shù)。相對(duì)于船用柴油，LNG的價(jià)格較低，作為燃料燃燒時(shí)沒有硫氧化物排放，氮氧化物和固體顆粒排放顯著降低，二氧化碳的排放也非常低。因此LNG 燃料既能滿足國(guó)際環(huán)保規(guī)則的要求，又能保持較高的性價(jià)比。

目前，除了LNG 船舶上大量使用LNG 燃料技術(shù)外，在國(guó)外一些使用LNG 燃料的渡船已在北海地區(qū)服務(wù)。據(jù)這些船東介紹，該船舶的氮氧化物的排放量減少了89%，二氧化碳的排放減少了20%，氧化硫排放量則減少了100%。在國(guó)內(nèi)，由中石油集團(tuán)牽頭，濟(jì)柴武漢發(fā)動(dòng)機(jī)廠、昆侖能源、武漢交發(fā)船舶設(shè)計(jì)有限公司共同進(jìn)行“氣化長(zhǎng)江”柴油機(jī)－LNG 雙燃料船舶改造項(xiàng)目。該項(xiàng)目對(duì)于推動(dòng)水運(yùn)領(lǐng)域以氣代油、低碳環(huán)保，內(nèi)河航運(yùn)的綠色發(fā)展，具有戰(zhàn)略意義。據(jù)悉，項(xiàng)目自2011年啟動(dòng)，目前濟(jì)柴武漢發(fā)動(dòng)機(jī)廠已完成多條船的改造試航工作，還為國(guó)內(nèi)首艘新建LNG 雙燃料動(dòng)力散貨船提供了性能優(yōu)良的發(fā)動(dòng)機(jī)。另一方面，2013年9月，全國(guó)首個(gè)水上LNG 加注站已經(jīng)試運(yùn)行，與此同時(shí)還有多個(gè)加注站處于建設(shè)和審批環(huán)節(jié)，這些LNG 加注站的建設(shè)將會(huì)加快LNG燃料技術(shù)的應(yīng)用。

LNG 燃料技術(shù)以前主要應(yīng)用于LNG 船舶，目前通過LNG 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和加氣站的建立，已經(jīng)具備產(chǎn)業(yè)推廣條件。

2.4.3 其他可再生能源技術(shù)

其他船舶可再生能源技術(shù)主要是利用燃料電池、太陽(yáng)能、風(fēng)能以及波浪能等零污染、可再生能源作為動(dòng)力或輔助動(dòng)力，為船上所有設(shè)備提供能量。然而，由于這些資源的續(xù)航能力差、不穩(wěn)定、利用率不高等缺點(diǎn)，目前多處于小型概念船的研究階段，距實(shí)船應(yīng)用推廣還有一定差距。

3 結(jié) 語(yǔ)

面對(duì)目前日益枯竭的石化資源和日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、綠色船舶迫在眉睫。作為船舶工業(yè)大國(guó)，我們更應(yīng)該在節(jié)能環(huán)保方面走在世界前列。一方面我們應(yīng)該深入了解新型船舶節(jié)能環(huán)保技術(shù)，從理論上尋求綠色船舶發(fā)展道路;另一方面我們應(yīng)深入分析新技術(shù)在實(shí)船上的應(yīng)用情況，從實(shí)踐中探索投資回報(bào)率高的綠色船舶發(fā)展方向。只有這樣才能將船舶節(jié)能環(huán)保落到實(shí)處，進(jìn)行市場(chǎng)推廣。

［1］趙元哲.低碳時(shí)代的綠色船舶［M］.北京:人民出版社，2009.

［2］IMO.新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)計(jì)算方法臨時(shí)導(dǎo)則［M］.

［3］吳伯才.船舶柴油機(jī)余熱的利用［J］.浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)，2002.

［4］葉大法，楊國(guó)榮.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［5］喬鳴忠，于飛，張曉峰.船舶電力推進(jìn)技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［6］黃素逸，黃樹紅.太陽(yáng)能熱發(fā)電原理及技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2012.