船舶：加速or減速

辛吉誠

船舶降速將是大勢所趨，在燃料成本、動力裝置技術(shù)以及排放控制規(guī)則三大制約船舶提速的難題解決之前，未來大部分船舶依然會采用較低的航速航行

近 來國際能源市場的持續(xù)低油價喚起部分船東心中的提速欲望。從航運(yùn)經(jīng)營的角度來看，當(dāng)船隊(duì)采用較高航速航行時可有效提高船舶周轉(zhuǎn)效率，以較少量的船舶滿足較大的運(yùn)力需求，進(jìn)而在總體上減輕船公司增加或更新運(yùn)力時的財務(wù)壓力。同時，高航速還能提升貨物運(yùn)輸效率，對企業(yè)擴(kuò)大市場份額，提高核心競爭力有非常重要的意義。

航速過慢一直是海運(yùn)模式的弱點(diǎn)，自船舶誕生之日起，提高航速一直是船舶設(shè)計師努力的方向。減少船身阻力與增加船舶主推進(jìn)功率是提升航速最主要的兩種渠道。從船舶阻力成分在不同航速下的分布規(guī)律來看，當(dāng)船舶航速與船長的比值超過一定數(shù)值時，船身阻力將隨航速的增加而迅速增大；受目前的技術(shù)條件限制，船舶主機(jī)功率存在一定的理論上限，目前世界上最大功率的船用低速柴油機(jī)額定功率為80080KW，蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的單機(jī)功率更大一些，但由于經(jīng)濟(jì)方面的原因無法用于民用船舶。目前從事海上運(yùn)輸?shù)呐潘痛袄碚撋系淖畲蠛剿倏梢赃_(dá)到40節(jié)，實(shí)際上較為經(jīng)濟(jì)的航速在30節(jié)左右。

低航速具有經(jīng)濟(jì)性

“二戰(zhàn)”后的低油價時代讓國際航運(yùn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展時期，當(dāng)時的船舶設(shè)計航速普遍在20節(jié)以上。為滿足海上快速貨運(yùn)的需求，一些集裝箱船舶設(shè)計航速達(dá)32節(jié)。然而，高昂的燃料開銷讓船東不得不考慮降速增效，船舶平均設(shè)計航速從“二戰(zhàn)”后的20節(jié)下降到16節(jié)左右。

航速的大幅下降導(dǎo)致了船舶設(shè)計理念發(fā)生顛覆性的轉(zhuǎn)變。船舶航速較快時，興波阻力在船身阻力中所占比重較大，因此傳統(tǒng)船舶大多采用軍艦作為設(shè)計母型，這種瘦削的流線型船身設(shè)計能夠在船舶快速航行時有效減少興波阻力。然而當(dāng)船速下降到16節(jié)時，摩擦與粘性阻力開始成為船身阻力的主要組成部分，此時采用較為豐滿型線設(shè)計的船舶阻力性能將更好。

盡管豐滿型線船舶設(shè)計在外觀上不如傳統(tǒng)的流線型船舶更具美感，然而船東很快就體會到了這種轉(zhuǎn)變所帶來的優(yōu)勢。當(dāng)船舶主尺度相同時，型線較為豐滿的船型內(nèi)部空間更大，能夠裝載更多的貨物。且豐滿型線的船舶浮力沿船長方向的分布更為均勻，這將有效緩解較為瘦削的流線型船舶一直存在的空載中拱問題，船體構(gòu)件尺寸也可進(jìn)一步減小，由此減少的空船重量將轉(zhuǎn)化為船舶的載重量。另外，與低航速相匹配的大型低速柴油機(jī)能夠燃燒劣質(zhì)燃油，這將為船東節(jié)約至少50%的燃料。低航速、豐滿型線船舶的設(shè)計理念讓船舶的總體經(jīng)濟(jì)性有非常顯著的提升。

燃油價格決定航速

隨著低速豐滿型線船舶逐漸成為國際航運(yùn)市場上的主角，其弱點(diǎn)也逐漸暴露出來。首先，對于采用班輪模式運(yùn)作的定期船舶，當(dāng)遇到臺風(fēng)或惡劣海況需要繞行時將由于航速過低而無法保證班期。其次，航速的下降使船東需要在航線上投入更多的船舶以確保原先的運(yùn)力需求，這意味著船東在船舶采購方面的成本會進(jìn)一步增加，由此引起全球范圍內(nèi)因船舶數(shù)量增加而導(dǎo)致的港口擁堵問題成為國際物流效率的瓶頸。第三，更為嚴(yán)重的是航速下降直接導(dǎo)致海上運(yùn)輸時間延長，一些對運(yùn)輸時間有嚴(yán)格要求的貨物開始流出海運(yùn)市場轉(zhuǎn)而選擇其他運(yùn)輸方式。

低油價時代讓“省油不省錢”的低速豐滿型線船舶的弱點(diǎn)更加突出。隨著國際油運(yùn)市場的繁榮，一部分油運(yùn)企業(yè)為提升運(yùn)力與運(yùn)輸效率開始嘗試讓船舶加速航行。然而未來燃料價格的變化趨勢、新能源動力裝置的局限性，以及全球范圍內(nèi)排放稅的征收還是在一定程度上制約了船舶的進(jìn)一步提速。

燃油價格的變化是決定未來船舶航速的最主要因素。目前國際油價已經(jīng)跌破大多數(shù)國家和地區(qū)的石油開采成本，從全球主要石油產(chǎn)區(qū)的石油開采及運(yùn)往輸油終端的總成本來看（見表1），除以自噴井為主要生產(chǎn)模式的中東地區(qū)可能略有盈余外其他石油產(chǎn)區(qū)都在虧損，低油價已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p害絕大多數(shù)石油輸出國的利益。

從目前的國際形勢來看，低油價的背后有著深層次的政治原因。根據(jù)預(yù)測，世界范圍內(nèi)已探明的石油儲量僅可供人類再使用40～60年，目前世界每年石油消費(fèi)量是新勘探石油儲量的4～5倍，且這些新勘探的油田多位于深海，開采的技術(shù)難度和成本都很高。從這個角度來看，重回“百元時代”是未來油價發(fā)展的大趨勢，而油價的上漲將在很大程度上制約未來船舶的提速。

隨著全球范圍內(nèi)以石油為代表的礦物能源日趨枯竭，尋找新能源以逐步替代傳統(tǒng)能源已經(jīng)成為未來航運(yùn)業(yè)發(fā)展必須面對的問題。目前人類已經(jīng)能夠?qū)⒁夯烊粴狻⒑Ｑ箫L(fēng)能、太陽能、燃料電池等新能源技術(shù)成功應(yīng)用于船舶推進(jìn)，然而這些新能源動力裝置普遍存在能量密度不足的問題，即當(dāng)輸出相同功率時，新能源動力裝置往往需要占據(jù)船上更多的空間。動力裝置占據(jù)較多的空間意味著船舶用于盈利的載貨空間減少，未來的船舶設(shè)計師不得不在船舶快速性與經(jīng)濟(jì)性兩者中進(jìn)行選擇。對于商船而言，大部分船東顯然會選擇經(jīng)濟(jì)性。

新能源能量密度不足的另一個表現(xiàn)是其動力裝置的單機(jī)功率與目前船舶普遍采用的低速二沖程柴油機(jī)相比存在明顯的差距。風(fēng)能、太陽能電池、燃料電池的單機(jī)功率與傳統(tǒng)的柴油機(jī)顯然不在同一個數(shù)量級上。即使是目前單機(jī)功率較大的氣體燃料發(fā)動機(jī)，在缸徑與沖程相近的前提下單機(jī)功率依然比傳統(tǒng)的二沖程柴油機(jī)低12%～15%，且發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性與安全隱患也將隨著單機(jī)功率的增大而迅速增加。因此在這些技術(shù)問題徹底解決之前，采用新能源推進(jìn)船舶的船東將不得不接受減速這一現(xiàn)實(shí)。

降速可降低碳排放

隨著對環(huán)保問題的日益重視，加強(qiáng)控制船舶營運(yùn)過程中二氧化碳排放再次被提上議事日程。由于二氧化碳是目前公認(rèn)的與溫室效應(yīng)關(guān)系最為密切的發(fā)動機(jī)排放物，以碳?xì)浠衔镒鳛橹饕剂系拇俺蔀樘寂欧诺闹饕獊碓础ｋS著全球氣候快速變暖，控制船舶碳排放量成為世界關(guān)注的熱點(diǎn)。

目前國際海事界公認(rèn)的對船舶二氧化碳排放的評估方法是，將船舶在單位航程上運(yùn)輸單位貨物所消耗的燃油數(shù)量換算成碳排放當(dāng)量。由于船舶主機(jī)功率與設(shè)計航速及船舶排水量之間存在一定的換算關(guān)系，根據(jù)船舶設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)性公式，計算公式經(jīng)變換后如下，公式中，C代表燃油的碳排放轉(zhuǎn)化系數(shù)，即單位燃料燃燒后產(chǎn)生的二氧化碳數(shù)量（見表2）；feff代表船舶發(fā)動機(jī)有效油耗，即假定主機(jī)在額定功率下運(yùn)轉(zhuǎn)時的發(fā)動機(jī)平均油耗；V代表船舶設(shè)計航速。

由于船舶載重量與排水量之間存在一定的線性關(guān)系，從上面的公式可以看出控制船舶碳排放的主要方法主要為減少發(fā)動機(jī)油耗、采用碳當(dāng)量較小的燃料和降低船舶航速三種。由于船舶碳排放量與航速的二次方正相關(guān)，因此降低船舶航速是減少船舶碳排放最為有效的方法。目前船用發(fā)動機(jī)油耗的提升空間有限，而采用碳當(dāng)量較小的液化天然氣船依然會由于發(fā)動機(jī)功輸出功率的減小而降低航速。隨著全球范圍內(nèi)船舶排放控制標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，船舶減速將是大勢所趨。

由此可見，目前國際航運(yùn)市場上出現(xiàn)的“提速熱”只是暫時現(xiàn)象，而船舶降速將是大勢所趨。在燃料成本、動力裝置技術(shù)及排放控制規(guī)則三大制約船舶提速的難題得到解決之前，未來大部分船舶依然會采用較低的航速航行。