船舶節能改進良方

宗瑋

“綠色船舶”風潮

2011年7月，MEPC通過決議將能效管理作為海事行業的強制要求，所有新造船需滿足船舶能效設計指數（EEDI），所有船舶必須滿足船舶能效管理計劃（SEEMP）（由船舶能效營運指數（EEOI）發展而來）。該法規適用于所有400總噸以上的船舶，自2013年7月1日起實施，并要求EEDI自2015年起每5年降低10%，到2025年，EEDI共計比現階段基準線降低30%。

2008年全球金融危機以來，受進出口貿易量大幅減少的影響，航運市場持續低迷，加之2006—2008年大量新造船涌入市場，造成較明顯的運力過剩。對船舶進行節能改造，可以提升船舶能效，提高船舶自身競爭力，同時幫助降低航運企業運輸成本。

隨著船舶行業刮起“綠色船舶”風潮，船東越來越關注船舶的節能環保。近一兩年，船舶設計者在安全性的前提下，設計了一批新型節能環保船型，如三菱重工推出的集裝箱船MALS-14000CS，德國勞氏船級社研發的阿芙拉型油輪（BEST-Plus），上海船舶設計院設計的靈便型散貨船（Green Dolphin）等，這些船舶的EEDI普遍低于目前基準線20%，油耗整體下降15%～25%。高能效新船的涌現，倒逼營運船舶做出適當調整，以適應市場需求。

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

在減速航行的同時，大型航運企業還試圖通過節能改造進一步降低油耗，如通過改造船舶的線型、設備和推進系統，以在新航速下取得最佳表現。目前，除了安裝節能裝置、更換高效螺旋槳、主機升級、廢熱回收等市場較為熟悉的節能改造措施外，更換球鼻艏成為新的市場熱點。

船舶生命周期成本

船舶的生命周期包括設計、建造、營運、拆解四部分，船舶生命周期成本是指在這四個階段產生的總成本。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現，在船舶營運的20～25年期間，使用的成本遠高于建造成本。

以一艘亞歐航線上的4250TEU型船為例，假設船舶生命周期總成本為100%，各個分項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營成本為固定成本，約占總成本的40%，而與航次有關的費用為變動成本，約占總成本的60%。其中燃油的直接成本占總成本的42%，遠高于船舶本身的資本價值以及固定的營運費用。

由于石油資源的不可再生性，市場預計未來油價將會保持長期的穩定增長趨勢，從而進一步推高與油料相關的成本比例。面對高企的營運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。

節能改進方法

船舶節能，從本質上說就是降低船舶阻力，提高推進效率，從而達到降低燃油消耗的目的。通過對船舶生命周期成本分析，為實現節能需從船舶的水動力性能、輪機系統和營運過程三方面對船舶進行優化。

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，動力系統的配置以及效率決定了能耗。反之，動力系統的配置決定功率輸出，從而影響營運航速和水動力。

對于營運船舶來說，船舶的節能改進可通過以下方法實現。

水動力性能優化

船舶線型優化：在實行減速航行后，船舶的實際營運狀況與原設計工況有較大改變，水動力的邊界條件完全改變，船舶線型不可能達到原設計的優化表現。此時，在理想條件下，為維持船舶的水動力性能，應對線型做相應的調整。但對營運船舶進行整體修改幾乎不可能，大范圍的局部修改也會產生如總布置調整、局部結構改裝等問題，特別是涉及到貨艙區域和機艙區域時，改動難度較大。為此，一種較為簡單的船舶改進方式——“球鼻艏改裝”悄然興起。

推進系統優化：包括螺旋槳優化和節能裝置的安裝。減速航行導致船舶的營運工況偏離初始設計工況，艉部流暢的改變導致螺旋槳的推進效率無法達到最優，基于新的航行工況設計的螺旋槳可有效改善船體和推進裝置的配合情況；節能裝置通過整合槳前進流或吸收槳后流場的殘余能量提高螺旋槳的推進效率。節能裝置形式多樣，實際應用中可根據船舶艉部流場和螺旋槳的實際情況加以分析和選擇。

縱傾優化：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生不同的阻力特性。縱傾優化是通過計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節航行時的最佳浮態。

輪機系統

主機改裝：在減速航行下，主機長期顯著偏離設計服務功率會對主機本身及相關系統和附件造成一些傷害。應對主機進行適當改裝，如目前較為常用的切斷部分渦輪增壓器等。

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

冷卻水系統優化：在常規船舶冷卻水系統的設計中，環境參數往往選取極端數值以保證船舶在無限航區內使用，然而船舶實際使用時往往海水和空氣溫度較低，實際冷卻量遠低于設計量，冷卻系統運轉時很大部分功率實為空轉。優化的冷卻水系統可通過變頻泵調節系統的實際運轉功率，避免空轉。

營運過程

在船舶營運過程中，氣象導航、航程優化等方法可提高船舶營運和管理的效率，從管理層面實現節油目的。

某箱船球鼻艏改裝

2012年12月，馬士基航運宣布在北海船廠對10艘船舶進行球鼻艏改造，受到市場廣泛關注。現代商船、達飛輪船等其他大型航運企業也在去年年初進行類似的改裝。以下為亞歐航線某9600TEU型船球鼻艏改裝的案例分析。

改裝項目流程（耗時約30周）：改進需求→可行性研究→改進方案→試驗論證→設計送審→生產設計→廠內預制→塢內合攏（停航約10天）→實船論證。

項目的總成本分為直接成本和損失的機會成本。直接成本包括船舶改裝的設計施工及施工中的相關費用，機會成本則為船舶停航期間的租金損失。據此，該箱船改裝需耗資689000美元，其中設計費用為88500美元，施工費用為539000美元，檢驗費用為30000美元，停航損失為600000美元（見左表）。

小 結

在法規和市場的雙重壓力下，船舶節能受到船東持續關注；在法規的推動作用下，新造船能效的大幅提升必然迫使船東關注營運船舶的能效改進；目前常用的節能改進方法已被證明大多能較有效地改善船舶能效；但由于船舶設計水平和實際營運工況的不同，船東應根據船舶自身特點進行全面評估，制定最合理、最具經濟性的節能改進措施。endprint