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(nèi)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(xiàn)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(nèi)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的節(jié)油效果很難直接表現(xiàn)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(xiàn)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(shù)， 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(jù)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(jīng)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(shù)據(jù)， 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(nèi)。該方法的一致性效果已經(jīng)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)、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(shù)。進一步耦合AIS數(shù)據(jù)與船舶船速、航行狀態(tài)(作業(yè)或錨泊)、吃水等工作參數(shù)、靜態(tài)特性以及船舶排放系數(shù)， 則可確定船舶的排放位置及數(shù)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(jù)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(nèi)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(jù)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(jīng)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(nèi)。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(xiàn)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(jīng)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(jù)運營需要改變船舶用途， 調(diào)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(jù)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(jīng)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(jīng)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(xiàn)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。