船舶節(jié)能改進(jìn)良方

宗瑋

“綠色船舶”風(fēng)潮

2011年7月，MEPC通過決議將能效管理作為海事行業(yè)的強(qiáng)制要求，所有新造船需滿足船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI），所有船舶必須滿足船舶能效管理計(jì)劃（SEEMP）（由船舶能效營運(yùn)指數(shù)（EEOI）發(fā)展而來）。該法規(guī)適用于所有400總噸以上的船舶，自2013年7月1日起實(shí)施，并要求EEDI自2015年起每5年降低10%，到2025年，EEDI共計(jì)比現(xiàn)階段基準(zhǔn)線降低30%。

2008年全球金融危機(jī)以來，受進(jìn)出口貿(mào)易量大幅減少的影響，航運(yùn)市場持續(xù)低迷，加之2006—2008年大量新造船涌入市場，造成較明顯的運(yùn)力過剩。對船舶進(jìn)行節(jié)能改造，可以提升船舶能效，提高船舶自身競爭力，同時幫助降低航運(yùn)企業(yè)運(yùn)輸成本。

隨著船舶行業(yè)刮起“綠色船舶”風(fēng)潮，船東越來越關(guān)注船舶的節(jié)能環(huán)保。近一兩年，船舶設(shè)計(jì)者在安全性的前提下，設(shè)計(jì)了一批新型節(jié)能環(huán)保船型，如三菱重工推出的集裝箱船MALS-14000CS，德國勞氏船級社研發(fā)的阿芙拉型油輪（BEST-Plus），上海船舶設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的靈便型散貨船（Green Dolphin）等，這些船舶的EEDI普遍低于目前基準(zhǔn)線20%，油耗整體下降15%～25%。高能效新船的涌現(xiàn)，倒逼營運(yùn)船舶做出適當(dāng)調(diào)整，以適應(yīng)市場需求。

在眾多節(jié)能減排方案中，低速航行被廣泛使用。減速航行起初只是作為全球航運(yùn)業(yè)渡過難關(guān)的臨時手段，但現(xiàn)在卻有可能成為一項(xiàng)長期的經(jīng)營策略 。在全球運(yùn)力過剩的大背景下，減速航行不僅能夠消化閑置運(yùn)力，同時也能節(jié)約油耗，大大減少船舶營運(yùn)成本，故而在航運(yùn)市場得到大力推廣。全球排名前20位的航運(yùn)企業(yè)，都已開實(shí)施各自的減速計(jì)劃，中國也有八成集裝箱航線實(shí)施低速航行。馬士基航運(yùn)稱，集裝箱船減速20%，可節(jié)省40%的燃料開支。

在減速航行的同時，大型航運(yùn)企業(yè)還試圖通過節(jié)能改造進(jìn)一步降低油耗，如通過改造船舶的線型、設(shè)備和推進(jìn)系統(tǒng)，以在新航速下取得最佳表現(xiàn)。目前，除了安裝節(jié)能裝置、更換高效螺旋槳、主機(jī)升級、廢熱回收等市場較為熟悉的節(jié)能改造措施外，更換球鼻艏成為新的市場熱點(diǎn)。

船舶生命周期成本

船舶的生命周期包括設(shè)計(jì)、建造、營運(yùn)、拆解四部分，船舶生命周期成本是指在這四個階段產(chǎn)生的總成本。由于船舶建造的初始投資巨大，以往船東會更關(guān)注如何降低建造成本。然而通過對船舶生命周期的成本分析發(fā)現(xiàn)，在船舶營運(yùn)的20～25年期間，使用的成本遠(yuǎn)高于建造成本。

以一艘亞歐航線上的4250TEU型船為例，假設(shè)船舶生命周期總成本為100%，各個分項(xiàng)在總成本中所占比重如上圖所示。

其中，船舶的資本成本和經(jīng)營成本為固定成本，約占總成本的40%，而與航次有關(guān)的費(fèi)用為變動成本，約占總成本的60%。其中燃油的直接成本占總成本的42%，遠(yuǎn)高于船舶本身的資本價值以及固定的營運(yùn)費(fèi)用。

由于石油資源的不可再生性，市場預(yù)計(jì)未來油價將會保持長期的穩(wěn)定增長趨勢，從而進(jìn)一步推高與油料相關(guān)的成本比例。面對高企的營運(yùn)成本和激烈的市場競爭，如何降低油耗是降低成本、提高競爭力的最有效的途徑。

節(jié)能改進(jìn)方法

船舶節(jié)能，從本質(zhì)上說就是降低船舶阻力，提高推進(jìn)效率，從而達(dá)到降低燃油消耗的目的。通過對船舶生命周期成本分析，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能需從船舶的水動力性能、輪機(jī)系統(tǒng)和營運(yùn)過程三方面對船舶進(jìn)行優(yōu)化。

對于一艘船舶來說，這三方面相輔相成，相互影響和制約。船舶營運(yùn)的航速、吃水、航向、縱傾等因素影響著船舶的水動力性能，水動力性能（船舶阻力）直接決定了船舶所需的功率，動力系統(tǒng)的配置以及效率決定了能耗。反之，動力系統(tǒng)的配置決定功率輸出，從而影響營運(yùn)航速和水動力。

對于營運(yùn)船舶來說，船舶的節(jié)能改進(jìn)可通過以下方法實(shí)現(xiàn)。

水動力性能優(yōu)化

船舶線型優(yōu)化：在實(shí)行減速航行后，船舶的實(shí)際營運(yùn)狀況與原設(shè)計(jì)工況有較大改變，水動力的邊界條件完全改變，船舶線型不可能達(dá)到原設(shè)計(jì)的優(yōu)化表現(xiàn)。此時，在理想條件下，為維持船舶的水動力性能，應(yīng)對線型做相應(yīng)的調(diào)整。但對營運(yùn)船舶進(jìn)行整體修改幾乎不可能，大范圍的局部修改也會產(chǎn)生如總布置調(diào)整、局部結(jié)構(gòu)改裝等問題，特別是涉及到貨艙區(qū)域和機(jī)艙區(qū)域時，改動難度較大。為此，一種較為簡單的船舶改進(jìn)方式——“球鼻艏改裝”悄然興起。

推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化：包括螺旋槳優(yōu)化和節(jié)能裝置的安裝。減速航行導(dǎo)致船舶的營運(yùn)工況偏離初始設(shè)計(jì)工況，艉部流暢的改變導(dǎo)致螺旋槳的推進(jìn)效率無法達(dá)到最優(yōu)，基于新的航行工況設(shè)計(jì)的螺旋槳可有效改善船體和推進(jìn)裝置的配合情況；節(jié)能裝置通過整合槳前進(jìn)流或吸收槳后流場的殘余能量提高螺旋槳的推進(jìn)效率。節(jié)能裝置形式多樣，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)船舶艉部流場和螺旋槳的實(shí)際情況加以分析和選擇。

縱傾優(yōu)化：在相同吃水情況下船舶的縱傾，即不同的水下形狀和水線面面積會產(chǎn)生不同的阻力特性?？v傾優(yōu)化是通過計(jì)算出船舶在不同航速、吃水情況下不同縱傾的阻力特性曲線來幫助船舶調(diào)節(jié)航行時的最佳浮態(tài)。

輪機(jī)系統(tǒng)

主機(jī)改裝：在減速航行下，主機(jī)長期顯著偏離設(shè)計(jì)服務(wù)功率會對主機(jī)本身及相關(guān)系統(tǒng)和附件造成一些傷害。應(yīng)對主機(jī)進(jìn)行適當(dāng)改裝，如目前較為常用的切斷部分渦輪增壓器等。

廢熱回收系統(tǒng)：大型商船上柴油機(jī)的熱效率通常約為45%～50%，而廢氣帶走的熱量約占燃料總發(fā)熱量的25%～30%，廢熱回收系統(tǒng)可通過特殊裝置回收利用廢氣中的熱能，顯著降低能耗。

冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化：在常規(guī)船舶冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，環(huán)境參數(shù)往往選取極端數(shù)值以保證船舶在無限航區(qū)內(nèi)使用，然而船舶實(shí)際使用時往往海水和空氣溫度較低，實(shí)際冷卻量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)量，冷卻系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時很大部分功率實(shí)為空轉(zhuǎn)。優(yōu)化的冷卻水系統(tǒng)可通過變頻泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)功率，避免空轉(zhuǎn)。

營運(yùn)過程

在船舶營運(yùn)過程中，氣象導(dǎo)航、航程優(yōu)化等方法可提高船舶營運(yùn)和管理的效率，從管理層面實(shí)現(xiàn)節(jié)油目的。

某箱船球鼻艏改裝

2012年12月，馬士基航運(yùn)宣布在北海船廠對10艘船舶進(jìn)行球鼻艏改造，受到市場廣泛關(guān)注。現(xiàn)代商船、達(dá)飛輪船等其他大型航運(yùn)企業(yè)也在去年年初進(jìn)行類似的改裝。以下為亞歐航線某9600TEU型船球鼻艏改裝的案例分析。

改裝項(xiàng)目流程（耗時約30周）：改進(jìn)需求→可行性研究→改進(jìn)方案→試驗(yàn)論證→設(shè)計(jì)送審→生產(chǎn)設(shè)計(jì)→廠內(nèi)預(yù)制→塢內(nèi)合攏（停航約10天）→實(shí)船論證。

項(xiàng)目的總成本分為直接成本和損失的機(jī)會成本。直接成本包括船舶改裝的設(shè)計(jì)施工及施工中的相關(guān)費(fèi)用，機(jī)會成本則為船舶停航期間的租金損失。據(jù)此，該箱船改裝需耗資689000美元，其中設(shè)計(jì)費(fèi)用為88500美元，施工費(fèi)用為539000美元，檢驗(yàn)費(fèi)用為30000美元，停航損失為600000美元（見左表）。

小 結(jié)

在法規(guī)和市場的雙重壓力下，船舶節(jié)能受到船東持續(xù)關(guān)注；在法規(guī)的推動作用下，新造船能效的大幅提升必然迫使船東關(guān)注營運(yùn)船舶的能效改進(jìn)；目前常用的節(jié)能改進(jìn)方法已被證明大多能較有效地改善船舶能效；但由于船舶設(shè)計(jì)水平和實(shí)際營運(yùn)工況的不同，船東應(yīng)根據(jù)船舶自身特點(diǎn)進(jìn)行全面評估，制定最合理、最具經(jīng)濟(jì)性的節(jié)能改進(jìn)措施。endprint