2010年船舶科技最新發展

中船重工經濟研究中心 胡琳琳

2010年的船舶科技發展主要圍繞綠色環保、新巴拿馬運河和北極冰區開展。世界造船強國紛紛采取行動，大力研發相關技術，描繪出了一幅以綠色船舶技術為主，新巴拿馬型船、冰區船、新概念船及先進設計制造技術融合發展的炫麗畫面。

綠色環保技術全面發展

當前，綠色環保技術席卷全球，船舶綠色化也在各方的推動下不斷前行。一方面在國際海事組織（IMO）主導下，各種限制船舶廢物排放的強制性國際公約密集出臺，陸續生效，迫使船企不斷研發相關技術。例如，限制氮氧化物排放的第二層標準已于2011年1月1日生效，比第一層標準減排75%，未來將進一步減排至80%。

為了限制硫氧化物的排放，IMO還對燃油中的硫含量規定了嚴格的標準。針對船舶溫室氣體的排放，IMO正緊鑼密鼓地開展工作，加緊制定相關公約，預計最快將于2013年出臺。壓載水管理公約亦將于2016年全面生效。另一方面，航運業運力過剩，競爭激烈，船東出于成本的考慮，也紛紛將目光投向了那些燃油消耗較低的綠色環保型船舶，進一步推動了綠色船舶科技的發展。

——高效柴油機動力技術

歐洲投資8000萬歐元從7個方向開展了歐洲高效超低排放船用柴油機研發計劃，其主要目標是到2020年，通過將船用柴油機的燃油消耗降低10%，效率提高60%來大幅減少CO2的排放。同時，將NOx排放量減少70%，可吸入微粒的排放量減少50%。

康明斯公司開發出了型號為QSK60，V形、16缸環保發動機，該發動機所使用的模塊化共軌燃油系統（MCRS），能夠按容積精確地控制噴油量。MCRS使發動機在任何負荷或速度下都能保持持續的高壓噴射，高噴油壓力可以保證燃油霧化良好，從而提高燃油的燃燒效率，大幅降低廢氣排放量。

三井造船計劃測試大型新一代四氣缸發動機，并配備反硝化設備，目標是研發廢氣循環技術和采用催化劑的氮氧化物減排系統。如果反硝化設備能達到預期效果，氮氧化物污染減排有望達80%。此項投資預計為15億日元，約1840萬美元左右。

瓦錫蘭集團和MAN柴油機公司成功開發出了新型的渦輪增壓技術，通過使用兩級渦輪增壓器來增大壓力，增加汽缸中的空氣量，從而提高燃燒效率。

美國環保排放方案（EcoEmissions Solutions）公司發明了一種嵌入式鉑基催化系統，該系統安裝缸內，能夠使燃料完全燃燒，從而提高柴油機的功率，降低燃油消耗，減少廢氣排放，并延長柴油機的壽命。

——天然氣動力技術

德國曼恩公司預計以天然氣為燃料的發動機將會在綠色船型上大顯身手，為此，其啟動了ME-GI雙燃料天然氣發動機（以天然氣為主要燃料，柴油起引燃作用）的研發，2010年其對研究性發動機進行了測試，2011年1月將在哥本哈根試驗新型4T50ME-GI主機。

——可再生能源動力技術

環球造船公司（USC）將開發下一代風帆系統，該系統能夠根據需要儲放帆，同時配備“Sea-Navi”運行輔助系統來判斷風帆使用的最佳條件，并設計獲得風能最大的航線，從而達到節約能源和二氧化碳減排的效果。

——節能降耗技術

西門子最新開發的余熱回收系統能夠使用船舶發動機的廢熱產生蒸汽，通過蒸汽驅動渦輪機帶動渦輪發電機，產生6MW的電力。這將減少12%的燃料消耗和二氧化碳排放量，能源成本下降10%，使船舶的經營更加經濟。同時，氮氧化物和硫氧化物的排放量也相應減少。

瓦錫蘭的Energopac優化能源效率解決方案是一種可以節省燃料成本的集成推進器和方向舵。經海上測試比較，2艘安裝了集成推進器和方向舵的船舶比安裝常規推進器節省燃油費用4%。其主要原理是通過減少螺旋槳轂后面的流動分離來減少拖拽，從而在保留續航能力的情況下，降低了船舶摩擦阻力。

——NOx、SOx減排技術

德國曼恩公司正在開發標準的SCR選擇性催化還原系統，預計可以清除80%以上的NOx。該系統采用五氧化二釩做為催化劑，尿素作為還原劑，當40%的尿素溶液噴入高溫廢氣時，尿素可以分解為氨水和二氧化碳，進而和NOx發生反應，生成無污染的氮氣和水。

瓦錫蘭也開發了一種適用于四沖程柴油機的SCR選擇性催化還原裝置，命名為NOR（Nitrogen Oxides Reducer），其生產高度標準化，可以根據不同的主機型號來選擇大小。

對于SOx，雖然可以采用低硫燃油來實現減排，但是低硫燃油的價格高昂，經濟性較差。為此，曼恩公司開發了廢氣洗滌器，測試結果顯示，SO2的減排超過了98%，顆粒物（PM）的減排達78%。基于良好的測試結果，曼恩決定在大型二沖程柴油機上進行全面試驗，并進一步進行實船試驗。

川崎汽船株式會社（K Line），川崎造船集團（KSC）和川崎重工（KHI）將聯合開發水乳劑燃料供應系統，并將在實船上進行長期實驗。這是首次在實船主機上安裝該系統并進行研究試驗。試驗于2011年正式開始，該系統將被安裝在由KSC建造的5.8萬噸散貨船上，配套的主機由KHI生產。試驗的目的是為了利用水乳劑燃料技術和其他NOx減排技術來達到滿足IMO關于NOx排放的TierIII標準。

——自動化環保技術

西門子開發了為船舶和船隊提供技術和經濟運行的管理EcoMain系統。該系統可以使潛在的運行過程可視化，為運營者提供海上航行和減少燃料消耗方面的建議，從而幫助航運公司優化能源和資源使用，增加航運業務的整體效益。

日本郵船為多艘船舶安裝了船舶信息管理系統（SIMS），這是一種地面系統，用以監控船舶航速，燃油消耗及船舶運行中的其它情況。通過監控運行狀態和共享船岸信息，可以優化船舶運行條件，降低燃油消耗，減輕環境壓力。

——壓載水處理技術

2010年7月28日，Yuyo汽船和日立公司宣布將在7.8萬立方米的LPG船上安裝由日立生產的壓載水凈化系統，這是船上第一次安裝清潔壓載水系統。而由挪威OceanSaver公司開發的壓載水處理系統（BWMS）將安裝于韓國現代重工建造的3艘VLCC，這是壓載水系統首次安裝在VLCC級別的船舶上。標志著壓載水處理系統已經全面進入實船應用階段。

綜合運用多種技術打造綠色船舶

——散貨船領域

日本今治造船集團開發了2.8萬噸節能型散貨船，該船加裝了節能3%～6%的混合鰭，采用了節能4%的船底漆，并將進一步采用節能4%～8%的空氣潤滑系統和節能2%的太陽能和風能發電機。同時，今治造船還開發了6.1萬載重噸散貨船，通過優化船舶，該船船長增加到了199.9米，并裝備了混合鰭，使其載重量增大的同時保持了與傳統靈便型散貨船相當的燃油量。

川崎造船開發了5.8萬噸級新型靈便型散貨船，該船采用雙殼燃油箱以及其他節能技術，包括高效主機，高效推進器以及低摩擦球鼻艏等，從而大大提高了推進性能，降低了燃油消耗。

三井造船公司開發出了最大能夠減少三成二氧化碳排放量的大型散貨船“neo Supramax66BC”。該船采取電子控制引擎，余熱回收系統，低摩擦涂料以及能夠根據天氣和海浪變化而選擇最佳航線的導航系統，從而提高了能源效率。該船最大裝載量為6.6萬噸，而燃油消耗量卻保持在5.6噸級散貨船的水平上。

佐野安船廠對現有的8.3萬噸超巴拿馬型散貨船進行了改進，新船舶的燃料效率和能效設計指數提高了10%，并能夠滿足IMO Tier-II NOx標準。基于同樣的理念和設計，佐野安正在開發12萬噸靈便好望角型散貨船，計劃于2011年第一季度完成。

商船三井株式會社披露了新型“ISHIN-III”礦砂專用船的設計理念，該船配備了各種新技術，和常規船舶相比，這種新型船的CO2排放量降低30%。

——油船領域

石川島播磨開發了節能型VLCC——“未來310T”，該船針對肥大型船舶興波阻力大的特點，專門設計了“鯨背球艏”，大大降低了興波阻力。并采用雙主機單軸動力系統以及改進型對轉螺旋槳，來提高推進效率。在實際海況中，“未來310T”的溫室氣體排放和燃油消耗可降低30%。

挪威船級社發布了未來油輪新概念船VLCC“Triality”，該船采用了V型船體和新的貨艙布置方案，不僅減少了潮濕表面，降低了方形系數，提高了船體能效，而且還可最大程度地減少甚至勿需壓載水。“Triality”配備的兩臺高壓雙燃料低速主機，采用液化天然氣作為燃料，并能夠有效利用每次航程中數以百噸的貨油蒸汽，最終可實現能源消耗降低25%、二氧化碳減排34%、氮氧化物減排可超過80%、氧化硫和顆粒物質減排95%的目標。

——集裝箱船領域

石川島播磨集團造船業務子公司（IHIMU）開發了13000TEU低環境負荷型集裝箱船。新船舶通過采用雙導流尾鰭設計和低能耗柴油機，提高了船舶的推進性能，進而使其相比于常規集裝箱船實現了溫室氣體的減排，降低燃油消耗達30%。如果再安裝最佳操縱系統，降低值可望達到45%。

韓國STX造船最新開發的13000TEU集裝箱船獲得了德國勞氏船級社能效設計指數證書。相比于常規集裝箱船，這艘由STX建造的集裝箱船實現了CO2減排接近20%。STX造船希望對其2013年前后接獲的船舶都采用新船能效設計指數進行評估。

——滾裝船領域

商船三井在“Neptune Ace”號6400車位滾裝船上采用了低摩擦涂料“LF-Sea”，該涂料由商船三井、日本涂料公司以及日本船舶涂料公司共同研發。LF-Sea的主要成分是純天然的水凝膠材料，其最重要特性是能夠填充船體的微小刻痕，進而減小摩擦阻力。新涂料提高了近4%的燃油效率，實現CO2減排達8%～12%。

滾裝船是各種船舶中在水面上受到風阻最大的船舶。為了降低風阻，日本旭洋造船株式會社在2000車位滾裝船中采用了“半球流線型船首”，風洞試驗證明，與傳統的船舶相比這種新型的汽車運輸船能夠在縱向上最多降低風壓達到50%。以北大西洋的一般海況和年航行率75%為計算條件，計算結果表明這種新型滾裝船預計每年可節省燃油800噸，實現2500噸的二氧化碳減排。

日本郵船旗下Monohakobi技術研發中心（MTI）開發了節能達45%的滾裝船。該船通過優化船體型線，采用新型主機、太陽能設備、空氣潤滑系統，以及改善船舶操縱性能，提高碼頭裝卸效率來達到節能減排的目的。

新巴拿馬型船研發熱火朝天

蘇伊士、阿芙拉、巴拿馬、好望角，從這些船舶的名稱上就可以看出航線和港口對船舶發展的重大影響力。新的航線往往能夠創造新型船舶。當前，投資52.5億美元的巴拿馬運河擴建工程正在如火如荼的進行，工程預計于2014年巴拿馬運河通航100周年之際竣工。根據巴拿馬運河的擴建計劃，運河兩端將各修建一個三級提升船閘，船閘的長度擴大至427米，寬度擴大至55米，深度增加至18.3米，與目前巴拿馬運河的船閘相比分別增加了122.2米（40%）、21.5米（64%）和5.5米（43%）。這意味著除去四周的護舷，新巴拿馬運河可以通過長366米、寬49米的船舶，分別比現在可通行的船舶增加了71.9米（24%），16.7米（52%），如圖1所示。巴拿馬運河擴建完工后，原巴拿馬型船舶由于經濟性較差將會失去最初的意義，新巴拿馬型船舶將會登上新的歷史舞臺，成為全球航運界的新寵。當前，日本多個造船企業已將瞄準這一商機，大力開發新巴拿馬型船舶。

石川島播磨船廠推出了9.3萬噸的超巴拿馬型散貨船，其是8.7萬噸型散貨船的加強型，考慮了巴拿馬運河的拓寬和新的準則，船長和吃水和87型相同，但船寬增加到38米，由此有效地增加了船舶載重量。

今治造船開發了新一代9.5萬載重噸超巴拿馬型散貨船，作為下一代船舶，該船以其更大的載貨能力為主要特點，船長延長至234.9米，考慮到世界各大港口的進入限制以及船舶本身的推進能力，船寬減少至38米。該船的甲板機械、艙口蓋和壓載系統全部采用電力驅動，由此降低了漏油風險。船舶的可維護性也有大幅提高，即使在滿載情況下，維修人員甚至能夠直通壓載閥。此外，該船通過采用混合鰭降低了燃油消耗。

日本中小型造船工業會日本造船合作組織（CAJS）開展了新型高能效超巴拿馬散貨船的研發工作。CAJS稱13家成員船廠參與了此項目的研發。他們共享相關的技術數據，并將利用這些數據和技術開發自己的超巴拿馬型船，開發出各自的高能效超巴拿馬型散貨船。

三菱重工推出了型長366米，寬48.8米，吃水15.2米的“MALS 14000CS” 新巴拿馬型集裝箱船，該船是迄今能夠航行于擴建后巴拿馬運河的最大的集裝箱船。“MALS 14000CS”還采取了多種綠色環保措施，其居住區在船體中部而不是像常規集裝箱船布置于船尾機艙上部，集裝箱能夠裝載于居住區的下部，并通過在船尾橫向布置斜面，提供了更大的貨物空間，這種新的船體型線和總布置實現了CO2減排24%。該船還通過安裝MLAS空氣潤滑系統降低了CO2排放10%，配備改進推進系統降低了CO2排放5%。最終該集裝箱船可按常規設計的集裝箱船降低二氧化碳排放35%。

圖1 巴拿馬運河擴建前后對比

冰區船成為科研重要方向

北極航道包括西北航道和東北航道。西北航道東起美國和加拿大東海岸，向西穿過加拿大北極群島，經波弗特海、白令海峽抵達美加太平洋港口；東北航道西起西歐和北歐港口，穿過西伯利亞沿岸海域，繞過白令海峽到達中國或日本港口。

隨著全球氣候變暖，北極地區的冰層已經大面積融化，北極航道很可能在2013～2030年左右暢通。如果北極航道正式開通，國際貿易的航程將大大縮短，并帶來巨大的經濟利益。當前一些航運公司已經先后完成了北極航道的試探性商業航行，2008年一艘加拿大商船穿越西北航道到達努奴瓦特西部地區，完成了西北航道的首次商業航行。2009年德國布魯格船務有限公司旗下的兩艘載重量為12700噸商船，運載著3500噸重型機械配件從韓國蔚山港出發成功穿越東北航道到達了鹿特丹港，完成了東北航道的首次試探性商業航行。2010年俄羅斯洲際油輪運營商Sovcomflot所屬的11.6萬載重噸成品油輪在兩艘核動力破冰船的護航下，于8月14日在摩爾曼斯克起航，再次穿越東北航道于9月初到達了中國寧波港。

事實上，隨著氣候變暖，北冰洋海冰加速融化，北極地區蘊藏的豐富資源和極具戰略價值的航道，都從潛在利益變成了現實利益。屆時，國際航運重心必將轉向北極，大量的貨物將會通過該航線運輸，這將會對船舶的需求產生重大改變，現有的船舶無法在低溫多冰、氣候惡劣的北極地區航行，新型冰區船舶將在世界船舶訂單中占據舉足輕重的地位。

目前，三星重工已將冰區船舶作為其新技術研發的重要方向，大力開發北極鉆井船、北極穿梭油船、破冰LNG船、破冰集裝箱船等新概念船。

韓國STX集團正開發大型冰級集裝箱船和極地破冰穿梭LNG船。這種破冰穿梭LNG船專為俄羅斯Yamal的LNG項目設計研發，可破冰層1.5米，采用DAS系統（Double Acting System），能夠實現船首船尾雙向航行。STX還與俄羅斯聯邦造船公司共同投資成立了一家新船廠Arctech Helsinki船廠，該船廠將聯合芬蘭和俄羅斯海事界共同致力于研發北極航運技術和造船技術，并將開始建造專業破冰船及自破冰運輸船。

韓國現代重工啟動了冰級LNG船和LNG-FPSO的核心技術研發，為極地LNG運輸船和極地LNG浮式儲油卸油裝置（FPSOs）的建造做準備。目前正在進行冰級LNG船的LNG儲罐焊接技術研究，運行于極地地區的LNG船相比于常規船舶，要求更厚的鋁制罐體。通過開發高效焊接技術，現代重工期望得到來自俄羅斯天然氣開采商的LNG船訂單。據估計該項目將在2015年前獲得1600萬美元的投資。

瑞典阿法拉伐公司開發了適用于北極鉆探船的PureBallast2500壓載水處理設備。挪威船級社開發了冰載荷監測系統，能為船舶操縱人員提供有關冰載荷對船體影響的實時信息，并能將冰層的衛星信息整合成電子航行地圖，此外挪威船級社還聯合八個國家的十五家組織啟動了北極地區海洋工程裝置最佳實踐標準的制定工作。

新概念船層出不窮

勞氏船級社日前在倫敦公布，已聯同希臘船舶管理公司和歐美機電工程與潔凈能源研究公司，研究在油輪安裝核動力儲備組件，落實開發核動力油輪。研究小組將重點研究核動力油輪壽命、船殼設計和防止泄漏設備，盡快研究出能被社會接受的新一代油輪。研究人員將測試能釋放超過68兆瓦能源的小型模塊反應堆（SMR），期望將SMR用作商船的“核能電池”。

馬士基油輪公司，現代重工和挪威船級社已經達成協議，聯手對CO2運輸船進行設計和風險評估，以便開發容積為2～3.8萬立方米，能夠以最低-55攝氏度和6.5bar的條件運輸液態CO2。目前，馬士基油輪公司和現代重工已經制定了建造從排放源向儲存倉庫運輸CO2船舶的初步藍圖。DNV還將提供項目的可行性分析和風險鑒定，確保船舶滿足具體的碳捕獲和儲存要求。

船舶設計制造技術取得新的突破

韓國現代重工推出了一種“數字化焊接系統”，率先在全球用于造船焊接領域。該系統的推出，結束了現代重工自1972年以來采用了近40年的模擬焊接方式。采用這種數字化焊接系統后，即使是初級焊工也能像專家一樣進行焊接工作。作為全球最大的造船企業，現代重工計劃2011年起開始使用這種數字化焊接系統，預計每年可節約100萬人工小時的工作，提高20%的焊接量。到2015年，現代重工造船焊接作業將完全實現數字化。

大宇造船研發出一種新的超大型油船（VLCC）儲油艙建造技術。該技術取消了用于抵擋石油晃蕩壓力的儲油艙壁水平附加栓，代之以垂直間隔壁結構。這種新結構抗沖撞力強度增大，可保護艙壁，降低石油的沖撞力，又能延長油艙的使用壽命。此外，由于取消了自重達30噸的水平附加栓，從而減少了船廠的高空吊裝和焊接作業，節省了建造時間和費用，提高了VLCC的建造效率。

韓國大宇造船與海洋工程公司完成了“獨立B型鋁制（ACT-IB）”。LNG罐體的開發，今后將不必支付大量的專利權使用費。該型儲罐是目前最大的獨立型LNG儲罐，可容納21萬立方米LNG，是常規系統8萬立方米的3倍。該系統通過了國際海事組織的結構安全檢查，同時獲得了挪威船級社關于罐體絕熱系統的核定。今后該罐體將用至LNG船和浮式或LNG-FPSO的建造，以及大宇新一代綠色船舶中。

回顧2010年，船舶科技圍繞綠色環保，在船舶配套、船型、船舶設計制造等方面均取得了重要進展，呈現出了融合發展的態勢。無論是現有的主流船型，還是新巴拿馬型船、冰區船、新概念船，綠色環保均是其最重要的指標之一。未來幾年內，壓載水管理公約D-2標準、貨油艙PSPC、散貨船和油船GBS、TierⅢ等一批國際公約將陸續生效和實施，船東也將更加注重節能降耗，可以肯定綠色環保仍將是未來船舶科技發展的主線。各造船強國將不遺余力地加緊相關技術的研發，推動各項技術的發展。

同時，隨著2014年巴拿馬運河擴建工程的完工，各國將抓緊開發適用于新運河的20萬噸級油船、散貨船和1.4萬TEU集裝箱船等一批新巴拿馬型綠色船舶和相關配套設備。而冰區船舶技術也將在韓國及北極地區國家的推動下，取得一系列的進步。此外，面對激烈的競爭，船廠將加快研發那些能夠打破技術壟斷消減專利費用，減少人工成本，提高勞動效率，降低能源資源消耗的設計制造技術，并進行全面的推廣應用。