散貨船綠色化步伐提速

沈蘇雯/中國船舶及海洋工程設計研究院

當前，多種節(jié)能環(huán)保技術已應用于散貨船，有效減少了燃料消耗及廢氣排放。

ABS與 Arista Shipping, Deltamarin,GTT和瓦錫蘭于去年推出聯(lián)合研發(fā)的LNG動力卡姆薩型散貨船

當前，隨著航運業(yè)利潤大幅下降，降低運營成本、提高競爭力已成為船舶行業(yè)共同的課題。與此同時，溫室氣體排放所導致的各種環(huán)境問題日益嚴峻，而全球90%的國際貿(mào)易貨物依靠船舶運輸，船舶作為溫室氣體排放大戶也受到了國際社會的廣泛關注。散貨船作為三大主力船型之一，眾多船東對其降低油耗以降低船舶營運成本的要求更加迫切。同時, 國際海事組織（IMO）提出的船舶能效設計指數(shù)(EEDI)已經(jīng)強制實行，還將對未來船舶能效水平提出更高的要求。對船舶設計機構、船廠和船東來說，散貨船實現(xiàn)節(jié)能減排已是“迫在眉睫”。

船舶主要節(jié)能環(huán)保方式

根據(jù)效果和方式不同，目前常見的船舶節(jié)能環(huán)保手段大致有以下幾種常見的類型。

采用清潔可替代能源

隨著氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）以及顆粒物（PM）等的排放法規(guī)日益嚴苛，在不遠的將來，海事業(yè)或許會推出全面限制二氧化碳（CO2）排放的法規(guī)。在這種背景下，以液化天然氣（LNG）、生物燃料為首的清潔能源備受重視，而風力、核能等能源的利用也正在被考慮。今后船舶燃料從傳統(tǒng)石油逐漸轉(zhuǎn)向清潔能源的速度或?qū)⒏臁?/p>

消渦鰭（PBCF）裝置

提到清潔能源就不得不提LNG。使用LNG作為燃料的主機不會排放SOx和PM。并且采用稀薄燃燒方式的四沖程氣體發(fā)動機比傳統(tǒng)柴油機能夠減少90%的NOx排放量。

不僅如此，LNG燃料比起傳統(tǒng)的石油燃料能減少25%的二氧化碳排放量。但是，根據(jù)氣體發(fā)動機的型號不同，LNG中的甲烷無法在主機內(nèi)完全燃燒，因而造成殘留氣體排入大氣是一個無法忽視的問題。如果不完全燃燒的殘留甲烷排放量較多的話，最終會“稀釋”了減少CO2排放、弱化溫室效應的效果。

氣體發(fā)動機經(jīng)常作為陸上發(fā)電設備使用且已取得良好的效果,船用氣體發(fā)動機的開發(fā)也在發(fā)展中。在LNG用于船舶燃料方面，研究重點在于如何有效地配置燃料艙。要儲存天然氣，必須先進行極低溫冷卻使其液化為LNG，與常規(guī)的柴油燃料相比，LNG燃料艙的容積要大2—3倍。并且燃料艙造價較高，因此LNG燃料船的新船造價要比常規(guī)船高10—20%。而LNG的燃料加注站目前尚未普及，未來只有建造更多的加注站才能在航運業(yè)推廣LNG。

提高推進效率

消渦鰭（PBCF），是商船三井開發(fā)的一種船舶推進器水動力節(jié)能裝置，它在螺旋槳轂帽上增設與螺旋槳葉數(shù)相同的小葉片，以消除螺旋槳轂渦能量為目的。這種裝置可以減少螺旋槳的尾部氣泡，減弱空泡效應，從而改善水動力性能，提高推進效率，而且投入較小、回報較快。

近2000艘船的實船安裝和近100艘船的實船檢測情況表明，消渦鰭可增強3%的軸扭矩、1%的軸推力，實現(xiàn)5%的節(jié)能效果（等于增加了2%航速），同時還有效減少了船艉振動和水下噪音, 減小了舵的損耗。

消渦鰭因其具有結構簡單、造價低、安裝方便、節(jié)能效果好等優(yōu)點而受到廣大船東和船廠的青睞,是當前船舶市場中應用最為廣泛的水動力節(jié)能產(chǎn)品。

空氣潤滑系統(tǒng)

船舶消耗的燃料大部分都花費在與航行阻力的抗爭中,這些阻力包括空氣阻力、興波阻力和海水摩擦阻力，如果能減少這些阻力，則可有效改善能效。減少空氣阻力方面常用的手段是設計具有減阻效果的上層建筑和獨特船型，而減少興波阻力和摩擦阻力多依靠節(jié)能設備來實現(xiàn)。

減阻型設備中較為知名的莫過于空氣潤滑系統(tǒng)?？諝鉂櫥到y(tǒng)是一個能夠在船底與海水之間使用空氣進行潤滑以減少船體摩擦阻力的技術。該系統(tǒng)是從船底吹出空氣，在海水和船底之間形成細密氣泡，以減少摩擦阻力的一種技術。這種技術不光能夠節(jié)省能耗，還能有效減少二氧化碳排放量。

目前全球利用空氣潤滑法的系統(tǒng)有兩種模式。一種是由船底開設的許多氣孔噴出空氣，形成空氣層來減少船底與海水的摩擦阻力。這種技術的關鍵在于控制空氣的噴量以達到在船底形成穩(wěn)定的空氣泡層的效果。第二種是船底留有大塊凹陷區(qū)域，從中送入壓縮空氣，形成空氣膜來減少船底阻力。這個模式的關鍵在于如何維持空氣膜的穩(wěn)定存在,因為在不穩(wěn)定的情況下無法發(fā)揮應有的降阻效果。兩種方式都可以減少10—20%的船底摩擦阻力，最終達到減少10%油耗的結果。

復合材料

使用復合材料建造船體可減少船體重量，削減燃油消耗，同時還可減少有害氣體及溫室氣體的排放。比如纖維增強塑料、鋁、鈦等輕型材料已作為小型船舶的建材所使用，而纖維和金屬復合的材料作為未來船舶的輕型材料受人矚目。

纖維和金屬復合材料是由金屬薄板和聚合物層積體相互交疊形成的材料，它同時具有耐沖擊性、耐磨損性等金屬材料的特質(zhì)，以及高強度、耐疲勞性、耐腐蝕性等復合材料的性質(zhì)。金屬薄板可采用鋁合金板或者鋼板，聚合物的主要材料則可用碳纖維或者玻璃纖維來強化。這些材料目前廣泛用于航空航天產(chǎn)業(yè)，可以考慮將其中的一部分用于特殊船舶的建造。

混合推進系統(tǒng)

傳統(tǒng)的推進系統(tǒng)是二沖程主機與推進軸直接連接，通過常規(guī)螺旋槳推進，整套系統(tǒng)的效率設計都是為了達到期望航速而服務，而在設計范圍之外的場合無法發(fā)揮全部性能。

混合推進系統(tǒng)的設計理念是將傳統(tǒng)軸螺旋槳推進與吊艙推進器組合，可改善上述推進系統(tǒng)的缺點。例如，將吊艙推進螺旋槳安置于調(diào)距螺旋槳后方并反轉(zhuǎn)，或者在船體中心線以上安裝主軸螺旋槳，其兩側安裝操舵式吊艙推進螺旋槳。如果采用這樣的混合推進系統(tǒng)，可增加推進性能，獲得更好的有效速率，以達到高效航行的目的。如果再擁有最佳船型設計, 可減少最多10%的燃料消耗。

混合供電系統(tǒng)

采用了結合多種發(fā)電方法的混合型供電系統(tǒng)的電力推進船，是高效環(huán)保的船舶。如果是采用單一發(fā)電方式的推進系統(tǒng)，在滿足設計條件范圍內(nèi)運行時可以發(fā)揮最高的效率，但是當發(fā)電量和供電量有所變動,就會影響到發(fā)電效率。如果能夠搭載混合型供電系統(tǒng)，可根據(jù)情況彈性供電，提高能源效率。

船用燃料電池

所謂燃料電池，就是將從化學反應中產(chǎn)生的能源直接轉(zhuǎn)化為電力使用，其最大轉(zhuǎn)化效率可達80%（氫燃料）。天然氣、生物氣體、甲醇、乙醇柴油、氫氣等都可以作為燃料。其中LNG燃料電池與常規(guī)柴油主機相比，每千瓦可減少50%的二氧化碳排放量。

具有特色的節(jié)能環(huán)保散貨船

全球首艘LNG動力散貨船"Ilshin Green Iris”號

2018年2月21日， 現(xiàn)代尾浦造船成功交付了全球第一艘LNG動力散貨船“IlshinGreenIris”號，該船是全球最大的LNG動力船，也是韓國第一艘LNG動力散貨船。這艘5萬載重噸散貨船由韓國公司Ilshin Logistics下單訂造，入級英國勞氏船級社（LR）和韓國船級社（KR），滿足國際氣體燃料安全規(guī)則 (IGF CODE)要求?！癐lshin Green Iris”號是Ilshin Logistics與韓國浦項制鐵(POSCO)從2016年7月開始的合作項目的成果，這一項目旨在開發(fā)全球第一艘新一代環(huán)保LNG動力散貨船。韓國貿(mào)易、工業(yè)和能源部表示，這艘環(huán)保LNG動力散貨船將從2019年開始投入運營。

該船全長191米，寬32.26米，配套1臺功率為7550千瓦的MAN B&W6G50ME-C9.5-GI雙燃料發(fā)動機。其擁有1個容量為500立方米的C型LNG儲罐，由奧氏體高錳鋼制造，安裝在船尾系泊甲板上。這也是全球首艘搭載高錳鋼制成燃料箱的船舶。這種高錳鋼材料由POSCO歷經(jīng)10年研究后推出，專門為冷凍LNG和液化氣體儲存而設計，能夠以零下162度的超低溫運載和儲存LNG。已經(jīng)證明高錳鋼的性能及特點，以及要求的焊接技術和燃油箱設計適合低溫。在經(jīng)過了廣泛的研制和試驗后，英國勞氏船級社2017年7月份頒發(fā)了高錳鋼焊接材料認證證書及焊接工藝認證和材料認證。

三菱重工研發(fā)的船舶空氣潤滑系統(tǒng)

全球首艘LNG動力散貨船“ Ilshin Green Iris”號

“Ilshin Green Iris”號將負責為POSCO運輸石灰石，從江原道東海市出發(fā)前往全羅南道光陽市。該船將在東海市港口經(jīng)由韓國天然氣公司(KOGAS) 的一艘供氣船加注燃料。

LNG被視為最具成本效益、最環(huán)保的船用燃料選擇之一， LNG將成為未來船舶主要的燃料選擇。韓國政府也將大力支持lNG供應系統(tǒng)的擴張、以及高錳鋼等新材料的研發(fā)。

揚子江船業(yè)LNG動力散貨船

希臘船東Arista Shipping Group旗下子公司Forward Maritime近日與揚子江船業(yè)簽署了意向書，將訂造最多20艘8.4萬載重噸LNG動力卡姆薩型散貨船。Forward Maritime并未透露將在何時簽署正式的建造合同，不過該公司稱這些散貨船計劃在2020年至2023年陸續(xù)交付。交付后，新船將以ForwardShips的品牌運營，預計能減少40%的二氧化碳排放、80%的NOx排放和98%的SOx排放，符合國際海事組織EEDI 2025標準，滿足NOx TierIII以及防止船舶污染國際公約附則VI SOx排放要求。

Forward Maritime此次訂造的這20艘LNG動力散貨船是在Arista Shipping的Project Forward計劃下建造的。Project Forward的目標是建造全球首艘真正意義上的深海LNG動力船舶。

Forward Maritime表示，新船不僅是世界上最清潔環(huán)保的散貨船，同時將帶來顯著的經(jīng)濟效益。該新船將采用GTT薄膜型燃料艙，這在散貨船上還是首次應用， 而發(fā)動機則是采用四沖程瓦錫蘭31雙燃料中速機。

新型綠色智能18萬噸散貨船

2017年12月5日，在“2017中國船級社海事技術論壇(新型綠色智能CSR-H散貨船船型發(fā)布會)”上，中船重工船舶設計研究中心有限公司(CSDC)發(fā)布了“綠色智能18萬噸散貨船”，該船是CSDC研發(fā)的第四代好望角型散貨船。設計理念主要體現(xiàn)在節(jié)能降耗、安全、環(huán)境友好、運營經(jīng)濟和高效以及減少維護等方面。本船已經(jīng)通過了中國船級社(CCS)船型評估,并獲得原則性認可。

該船型在節(jié)能環(huán)保方面的主要特點如下：隨著大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，大量船舶營運特性得以反饋，船舶營運者也對船舶的航行特性越來越明晰，將信息和需求回歸到新船型的研發(fā)，即形成了新一輪螺旋上升的狀態(tài)。船東對于航行特性不單局限于單一吃水，而是關注不同吃水、不同航速時的船舶能耗，以及不同海況下的船舶響應。

新一代18萬噸散貨船結合上一代該型船舶大量試航營運數(shù)據(jù)，針對不同船東的營運習慣，采用大數(shù)據(jù)模式，將港口、航道、營運特征作為設計輸入，優(yōu)化船體線型，使不同吃水、不同航速、不同海況等因素形成內(nèi)在協(xié)調(diào)優(yōu)化，線型優(yōu)化借助CFD數(shù)字化手段，并結合水池試驗驗證，實現(xiàn)綜合船舶能耗達到最優(yōu)。艏部型線為直艏。

新一代18萬噸散貨船節(jié)能聚焦于船—機—槳整體的協(xié)調(diào)優(yōu)化，在完成船體型線自身優(yōu)化同時，螺旋槳隨之升級，節(jié)能裝置則是船體與螺旋槳之間的潤滑劑和助推器，彌補船體和螺旋槳能量損失。新一代18萬噸散貨船槳前節(jié)能導管和槳后消渦鰭的搭檔配置，能在不增加過多成本的前提下，滿足降低油耗的目的，實現(xiàn)營運的經(jīng)濟效益。該船主機為MAN的6G70ME-C9.5主機， 在選擇主機類型和功率負荷時，是以螺旋槳功率、轉(zhuǎn)速匹配為核心，優(yōu)選各負荷區(qū)油耗最低的方案， 較之上一代船型油耗減低約4%。

世界上最環(huán)保的散貨船“Haaga”號

阿聯(lián)酋航運(ESL)已經(jīng)接收了LNG動力散貨船“Haaga”號,同時表示與早期船舶相比，它的二氧化碳減排放量將減少50%以上。 該船由芬蘭的Deltamarin設計，整個船舶系統(tǒng)中大約60%都由歐洲設備供應商提供。

這艘長160米的25600DWT散貨船由南京金陵船廠建造，掛葡萄牙國旗。它的主發(fā)動機為多燃料STXMAN 5G45ME-C9.5-GI Tier 2，總功率為6000千瓦PTI增壓1250千瓦,可達到7250千瓦。除了燃燒LNG之外, 日后當無碳沼氣的運輸供應情況得到改善后，“Haaga”號也可以完全通過無碳沼氣來驅(qū)動。

“Haaga”號耗資約為6000萬歐元(7000萬美元), 屬于Bothnia Bulk項目，其中該項目歐盟資助了一部分，意在使波羅的海北部的呂勒奧港，烏克瑟勒松德港和拉赫港口之間的海路更現(xiàn)代化并更加環(huán)保。同時該船還配備了世界上第一個自動貸物處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由ESL和芬蘭卡哥特科工業(yè)(Cargotec)旗下的MacGregor共同開發(fā)。該船將往返于日本和波羅的海之間運輸原材料，目前計劃于2018年9月中旬到達。此外，“Haaga”號可在岸邊進行充電，因此隨著港口電力供應的改善，它的排放量可進一步減少。

“Haaga”號的主要環(huán)保節(jié)能技術包括以下方面。

隔熱系統(tǒng)和熱回收：該散貨船改善了隔熱性能并為空氣處理裝置配備了節(jié)能系統(tǒng)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，冷能消耗降低了30%，熱能消耗降低了45%。

艙口圍板加熱系統(tǒng)：加熱艙口圍板讓其在寒冷氣候下也可平滑操作。

DNVGL清潔設計標準：該標準需要達到一些特殊的要求，例如5ppm艙底水分離器、船舶生物污垢管控、 ODP (臭氧消耗潛能值)為0、GWP(全球變暖潛能值)最大值為1300。

ESL Shipping Ltd向金陵船廠訂購的LNG動力靈便型散貨船“Haaga”號設計效果圖

DNVGL“NAUT-AW”橋樓設計標準：為增加航運安全并降低碰撞、擱淺和惡劣天氣損壞的風險，駕駛室的設備組成和布置按照橋樓設計要求最高的DNV GL“NAUT-AW”標準進行設計。

LNG提供動力：所有發(fā)動機和鍋爐燃燒器都由LNG提供動力，并配有低沸點的真空絕緣lMOC型儲罐。

能效設計指數(shù)(EEDI)：船舶的能效設計指數(shù)(EEDI)比當前的要求低約50%，并已滿足2025年的要求。

導流罩舵和螺旋槳：使用導流罩舵優(yōu)化設計,改善螺旋槳后水流狀況。

鰭片：配有四個定子鰭片, 以優(yōu)化螺旋槳的流量提高其效率。電機：電機通?？蛇_7.5千瓦或更高，屬于IE3能效等級。廢水回收系統(tǒng):能夠重復使用洗滌水，并將廢棄的洗滌水排放到港口設施。

壓載水處理系統(tǒng)：容量為2X1000立方米，UV型，美國海岸警衛(wèi)隊核準的壓載水處理裝置。

變頻器(VFD) ：機艙風扇、BW、SW和LNG泵配備變頻器(VFD)以降低功耗。

船體涂層:船體涂有低摩阻防凍漆，不使用有害的防污涂料。會頻繁的進行船體清潔以減少船體的阻力。

船型設計：通過CFD計算和模型測試以優(yōu)化船型。船首和船尾推進器入口設有扇型和流線型網(wǎng)格。并在建造階段，特別注意監(jiān)測船體表面粗糙度。帶變頻驅(qū)動(VFD)的永磁式PTI/PT0軸帶發(fā)電機：通過在軸帶發(fā)電機中輸入和輸出動力，可在海上更靈活高效地推進和發(fā)電，并在遇冰的情況下獲得額外動力。

減少排放：與0.1%燃料油相比，LNG排放的直接尾氣為：CO2排放量的57%；SOx排放量的92%；NOx排放量的25%；PM排放量的98%。

目前，上述節(jié)能環(huán)保技術已廣泛應用于包括散貨船在內(nèi)的各類船舶中，己為航運界有效減少了數(shù)量可觀的燃料消耗。此外，其他諸如船底超光滑涂料、燃料添加劑、節(jié)能航運管理系統(tǒng)等技術的開發(fā)和應用，都在從各個角度為節(jié)能環(huán)保貢獻力量。只有綜合利用多種技術，并對其不斷研究改進，才能大幅節(jié)省船舶燃料費用，同時有效地降低船舶對環(huán)境造成的污染?！?/p>

金陵船廠為ESL Shipping Ltd建造的LNG動力散貨船“Haaga”號