船舶工業重點用能環節特征研究

摘要：船舶工業作為“工業綜合之冠”，具有產業鏈條長，耗能品種多，非連續生產作業等特征，為船舶工業碳排放管理帶來較大挑戰。本文采取抽樣調查方式，對典型船舶制造業生產工藝環節進行系統梳理，結合企業能耗特點，剖析了重點用能環節、重點用能品種、重點用能設備能源消耗和碳排放特征，為船舶工業重點設備碳排放管理提供了理論基礎。

關鍵詞：船舶工業；工藝流程；耗能環節；耗能設備

近年來，我國六大高耗能行業的總能源消耗占比常維持50%以上，二氧化碳排放量占比也遠超70%。為深入貫徹落實我國碳達峰碳中和戰略決策部署，有效遏制能源消耗趨嚴形勢，國務院印發了《“十四五”節能減排綜合工作方案》指出，要求通過實施節能減排重點工程，推動能源利用效率提高，堅決遏制“雙高”項目盲目發展。具體舉措有：（1）推動制造業綠色低碳高質量發展，實現智能化、信息化、綠色化升級轉型；（2）強化制造業能效、水效對標專項工程，有效降低產品能耗水平；（3）加強數字化監控能力，推廣能源管控中心和智能化管控和診斷能力。整體來看，我國政策對于能耗總量控制向工藝和產品精細化管控轉變，各行各業根據實際情況，紛紛出臺了相關的政策加強先進工藝、綠色產品的推廣。

船舶制造業，是國民經濟的重要支柱產業之一，保障我國遠洋運輸和國際貿易，對經濟增長和人民生活改善起到了舉足輕重的作用；我國造船業三大指標對于能耗管理，特別是單位產品能耗仍有一定差距。眾所周知，造船工藝即船舶建造過程中所采用的各種方法和技藝，包括船體加工工藝、舾裝（外裝、內裝、機裝、電裝）工藝、涂裝工藝和焊接工藝。船舶制造是一項系統性工程，各工序間需要通過科學合理安排，促使工序間有效銜接，從時間和空間上實現生產要素間資源配置達到最優化，國際上亦是通過核算工時量和綜合能耗強度衡量生產效率的高低。因此，本文系統梳理了船舶工業重點用能品種、用能環節、用能設備特征，分析了各環節能源消耗和碳排放特征，為加強船舶工業碳排放和能源消耗管理具有較強的指導意義。

1船舶工業重點用能品種特征

按照能源品質和用途，將船舶制造過程中能源種類分為一次能源（如天然氣、原煤等）、二次能源（如電力、熱力、柴油等）以及耗能工質（如水、二氧化碳、壓縮空氣等）。

船舶制造企業往往占地面積較大，部分空地用于放置陰干晾曬噴漆后的零部件，此外，船臺、碼頭等區域用于舾裝，因此各區域間能源消耗往往受工藝的差異產生較大的差距。以分段制作車間為例，電和二氧化碳為主要消耗能源品種，而涂裝車間以電和壓縮空氣為主。可以說，船舶制造企業需要聘用專業能力較強的管理人員，用于供應各部門能源需求，同時對重要耗能品種按照車間級進行統計，避免造成能源管理無序的現象發生。

2船舶工業生產工藝特征

典型船舶制造工藝流程可表示如圖1所示，各工序主要耗能品種簡述如下：

2.1鋼材預處理

通過鋼材通過切割、除銹和底漆工序，將鋼材按照設計要求，制作成指定型號的材料。這是由于鋼材預處理過程中，壓延和軋制工藝后冷卻不均，運輸、存儲過程中環境條件變化等因素，往往會導致鋼材出現變形，需通過矯正、拋光處理滿足各組件尺寸要求。目前，我國造船企業鋼板預處理通過預處理流水線實現，鋼材預處理流水線包括進料輥道、預熱、拋丸除銹、丸料清掃、噴漆、烘干、卸料輥道等工位，需要用到的能源主要包括電、壓縮空氣、蒸汽等。

2.2材料切割

利用等離子切割機、氣割機等進行焊接或切割，將鋼材切割成實際形狀，并利用氣刨機將邊緣進行磨合。涉及的工藝設備有：數控等離子切割機、銑邊機、電感應校平系統等。需要用到的能源主要是電、氧氣、乙炔、天然氣等。

2.3加工成型

將切割后的型材進行曲度、折角或折邊處理。對于板材加工，即可采用輥式彎板機和滾壓機進行彎冷處理，也可采用水火成型的加工方法，對板材進行局部變形，彎成所要求的曲面形狀。對于肋骨等的型材處理，常采用肋骨冷彎機進行彎制成型。需要利用的設備有輥式彎板機、滾壓機、肋骨冷彎機和數控彎板機等，這些切割設備主要以用電為主，彎板設備還需用到氧氣、乙炔、天然氣等氣體進行處理。

2.4部件裝配焊接

加工成型后的型材有板列、T型材、首尾柱等部件。將這些小組件在裝焊拼條進行焊接，即小組立，除焊材材料損耗外，消耗的能源基本為電。

2.5組件裝備焊接

小組立通過焊接工藝，形成腹板等中組立件，由于中組立件重量大，尺寸高，還需利用吊車進行搭載，消耗的能源以電和壓縮空氣為主。

2.6分段裝備焊接

分段包括平面分段和曲面分段，其中又以平面分段的工作量最大。對于曲面和立體分段的裝配，國內主要船廠仍然在平臺和胎架上裝配。分段裝焊使用的設備主要包括各類焊機，部分企業會用到焊接機器人等。同樣，以電、壓縮空氣等能源消耗為主。

2.7分段涂裝

分段涂裝一般在涂裝房進行，涂裝房也是船廠耗能較大的一個生產部門，除了需要消耗電能外，拋丸除銹和清潔需要用到壓縮空氣，船廠約70%的壓縮空氣就是消耗在涂裝環節。另外，烘干過程還需用到蒸汽。

2.8分段總組

分段總組需要對分段進行吊放、定位、焊接，以及各種單元、模塊、舾裝件的預舾裝，所涉及的設備主要包括龍門吊、塔吊、焊機、切割設備等，消耗的能源基本是電，以及焊接切割用的天然氣、乙炔、氧氣、二氧化碳等氣體。

2.9船塢/船臺合攏

各種總裝方法的選擇根據船體結構特點和船廠的具體條件而定，但都會涉及總段吊放、定位、焊接、余量切割的過程，需要用到龍門吊、塔吊、焊接設備、切割設備等。消耗的能源基本是電，以及焊接切割用的天然氣、乙炔、氧氣、二氧化碳等氣體。

2.10船塢/船臺舾裝及涂裝

在船塢/船臺內進行的舾裝及涂裝，大型設備需要用到龍門吊，其他設備及舾裝件通過塔吊吊裝，以及利用各類焊機進行焊接，并通過移動式噴涂設備進行噴涂。消耗的能源基本是電，以及焊接切割用的天然氣、乙炔、氧氣、二氧化碳等氣體，還包括噴涂的壓縮空氣。

2.11碼頭作業

由于在現代造船模式下，船舶的大部分舾裝作業提前到分段裝配和船體總裝階段進行，即預舾裝，碼頭舾裝作業已經大幅減少，碼頭作業主要是對設備進行調試以及進行船舶傾斜試驗等。需要用到吊車、焊機等設備，所消耗的能源主要是電，以及焊接用的天然氣、乙炔、氧氣、二氧化碳等氣體。

2.12系泊試驗和航行試驗

系泊試驗是通過對船舶的主機、輔機和其他機電設備進行系統試驗，評估產品性能是否滿足設計需求。航行試驗是通過測試船舶航行狀態下，主機、輔機和其他機電設備的性能指標。因此，系泊試驗和航行試驗主要是檢驗船舶的運轉情況，其主要消耗的能源是重油，船廠的重油消耗基本是在這一環節。

2.13管子生產

主要包括管子的彎制、焊接，以及法蘭的焊接等。目前我國主要骨干船廠均有專門的管子加工工程，基本實現管子加工流水線生產。管子生產線主要包括切割、彎制、打磨、焊接等工位，所消耗的能源主要是電、壓縮空氣，以及焊接用的天然氣、乙炔、氧氣、二氧化碳等氣體。

2.14預舾裝

預舾裝就是將傳統的碼頭、船內的舾裝作業提前到分段、總段上，在船臺前進行的一種舾裝方法。主要有管子、電纜托架、電器底板、機電設備底座等的預舾裝，以及機艙的單元組裝。施工過程中需要用到各類起吊設備、切割設備及焊接設備。所消耗的能源主要是電、壓縮空氣，以及焊接用的天然氣、乙炔、氧氣、二氧化碳等氣體。

3船舶工業生產工藝碳排放特征分析

從工藝流程分析結果來看，電能是造船企業最主要的能源，即船舶制造業間接碳排放量占比較大。企業電力消耗量占到企業總能耗量的30%～50%，折算到碳排放總量來看，約占碳排放總量的50%以上。按照生產重點環節進行劃分，企業的電力間接排放主要分為非生產系統（員工宿舍用電）、輔助系統、轉換系統（以空壓站為主）和生產系統。根據對調研企業能耗水平數據進行分析，各系統碳排放總量占企業總耗電量的比重如圖2所示。圖中顯示，生產系統和轉換系統是主要的間接碳排放環節和能耗環節。

為進一步將生產系統中能耗特征進行梳理，結合典型船廠實際，本文將船廠生產部門劃分為加工部、模塊部、搭載部、涂裝部、船裝部。作為造船生產過程的常用能源，電力在生產系統各部門碳排放特征相對比較平均。各生產部門平均電力間接碳排放總量占企業總電力間接排放量的比重如下表所示：

柴油、重油等化石燃料消耗以設備運輸、船舶試航，其消耗量約占企業總能耗量的15%～20%左右，該部分屬于化石燃料燃燒排放，約占整體碳排放量的10%左右。

乙炔、二氧化碳作為切割氣體保護氣，用于鋼板預處理切割，該部分屬于過程排放，約占企業總能耗的10%～15%。涂裝部為處理VOCs尾氣，需要利用熱力或者天然氣進行尾氣處理，其消耗量約占企業總能耗量的5%～10%。

4結論

對于船舶工業而言，計量工藝級別能源消耗特征和碳排放特征工作起步相對較晚，通過能源消耗數據清單，核算企業碳排放特征尚顯不足。這是由于船舶制造業受工藝特征影響，噴涂作業過程中，常產生較大量的揮發性有機物排放，目前，多采用RTOCO處理工藝對尾氣進行處理確保達標排放，該部分VOCsCO2轉化因子對于船廠而言仍是空缺，僅能采用碳平衡核算方法估算理論值。此外，為提升焊接效率，焊接工藝常用CO2作為保護氣，該部分泄漏排放量估算僅能通過經驗值進行核算。因此，借鑒國內外先進制造業的核算經驗，對后續船舶制造業能源和碳排放工藝特征進行科學管理具有重要意義。具體如下：

（1）由于船舶制造業能源前期粗放型管理，導致能源管理基礎相對比較薄弱，國內船舶企業面臨的能源考核壓力急劇增加，需要加強能源管控意識，加強數字化管控平臺建設，加速信息化智能化轉型升級。

（2）船舶制造業分為造、修以及配套企業三大類，不同類型企業能耗和工藝環節差距較大，為表征船舶制造業工藝能耗特征，可將共性工藝特征進行總結，合并典型企業小類工藝，進而形成船舶造、修以及配套企業能耗和碳排放表征。

（3）國內船舶制造業企業受區域政策和資源稟賦影響，萬元產值綜合能耗、萬元產值碳排放強度指標差異較大，例如，北方船廠需利用燃煤進行取暖，增加整體能耗指標，而南方不需要采暖設施，估計企業通過工藝優化、設備淘汰等，有效降低能耗總量，提升產品低碳化。

（4）國內能源監測、碳排放數據監測仍面臨較大挑戰，僅通過理論計算能耗和碳排放數據，對具體問題進行分析仍顯不足。特別是揮發性有機物監測技術和排放量計算方法健全和完善，是彌補我國船舶制造業碳排放因子庫空白的有力舉措。

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基金項目：工信部船舶工業碳達峰、碳中和技術路線圖和實施方案研究項目（CBZ1N211）

*通訊作者：關攀博（1991—），男，漢族，山西運城人，博士，工程師，研究方向：節能與綠色發展。