船舶节能改进良方

宗玮

“绿色船舶”风潮

2011年7月，MEPC通过决议将能效管理作为海事行业的强制要求，所有新造船需满足船舶能效设计指数（EEDI），所有船舶必须满足船舶能效管理计划（SEEMP）（由船舶能效营运指数（EEOI）发展而来）。该法规适用于所有400总吨以上的船舶，自2013年7月1日起实施，并要求EEDI自2015年起每5年降低10%，到2025年，EEDI共计比现阶段基准线降低30%。

2008年全球金融危机以来，受进出口贸易量大幅减少的影响，航运市场持续低迷，加之2006—2008年大量新造船涌入市场，造成较明显的运力过剩。对船舶进行节能改造，可以提升船舶能效，提高船舶自身竞争力，同时帮助降低航运企业运输成本。

随着船舶行业刮起“绿色船舶”风潮，船东越来越关注船舶的节能环保。近一两年，船舶设计者在安全性的前提下，设计了一批新型节能环保船型，如三菱重工推出的集装箱船MALS-14000CS，德国劳氏船级社研发的阿芙拉型油轮（BEST-Plus），上海船舶设计院设计的灵便型散货船（Green Dolphin）等，这些船舶的EEDI普遍低于目前基准线20%，油耗整体下降15%～25%。高能效新船的涌现，倒逼营运船舶做出适当调整，以适应市场需求。

在众多节能减排方案中，低速航行被广泛使用。减速航行起初只是作为全球航运业渡过难关的临时手段，但现在却有可能成为一项长期的经营策略 。在全球运力过剩的大背景下，减速航行不仅能够消化闲置运力，同时也能节约油耗，大大减少船舶营运成本，故而在航运市场得到大力推广。全球排名前20位的航运企业，都已开实施各自的减速计划，中国也有八成集装箱航线实施低速航行。马士基航运称，集装箱船减速20%，可节省40%的燃料开支。

在减速航行的同时，大型航运企业还试图通过节能改造进一步降低油耗，如通过改造船舶的线型、设备和推进系统，以在新航速下取得最佳表现。目前，除了安装节能装置、更换高效螺旋桨、主机升级、废热回收等市场较为熟悉的节能改造措施外，更换球鼻艏成为新的市场热点。

船舶生命周期成本

船舶的生命周期包括设计、建造、营运、拆解四部分，船舶生命周期成本是指在这四个阶段产生的总成本。由于船舶建造的初始投资巨大，以往船东会更关注如何降低建造成本。然而通过对船舶生命周期的成本分析发现，在船舶营运的20～25年期间，使用的成本远高于建造成本。

以一艘亚欧航线上的4250TEU型船为例，假设船舶生命周期总成本为100%，各个分项在总成本中所占比重如上图所示。

其中，船舶的资本成本和经营成本为固定成本，约占总成本的40%，而与航次有关的费用为变动成本，约占总成本的60%。其中燃油的直接成本占总成本的42%，远高于船舶本身的资本价值以及固定的营运费用。

由于石油资源的不可再生性，市场预计未来油价将会保持长期的稳定增长趋势，从而进一步推高与油料相关的成本比例。面对高企的营运成本和激烈的市场竞争，如何降低油耗是降低成本、提高竞争力的最有效的途径。

节能改进方法

船舶节能，从本质上说就是降低船舶阻力，提高推进效率，从而达到降低燃油消耗的目的。通过对船舶生命周期成本分析，为实现节能需从船舶的水动力性能、轮机系统和营运过程三方面对船舶进行优化。

对于一艘船舶来说，这三方面相辅相成，相互影响和制约。船舶营运的航速、吃水、航向、纵倾等因素影响着船舶的水动力性能，水动力性能（船舶阻力）直接决定了船舶所需的功率，动力系统的配置以及效率决定了能耗。反之，动力系统的配置决定功率输出，从而影响营运航速和水动力。

对于营运船舶来说，船舶的节能改进可通过以下方法实现。

水动力性能优化

船舶线型优化：在实行减速航行后，船舶的实际营运状况与原设计工况有较大改变，水动力的边界条件完全改变，船舶线型不可能达到原设计的优化表现。此时，在理想条件下，为维持船舶的水动力性能，应对线型做相应的调整。但对营运船舶进行整体修改几乎不可能，大范围的局部修改也会产生如总布置调整、局部结构改装等问题，特别是涉及到货舱区域和机舱区域时，改动难度较大。为此，一种较为简单的船舶改进方式——“球鼻艏改装”悄然兴起。

推进系统优化：包括螺旋桨优化和节能装置的安装。减速航行导致船舶的营运工况偏离初始设计工况，艉部流畅的改变导致螺旋桨的推进效率无法达到最优，基于新的航行工况设计的螺旋桨可有效改善船体和推进装置的配合情况；节能装置通过整合桨前进流或吸收桨后流场的残余能量提高螺旋桨的推进效率。节能装置形式多样，实际应用中可根据船舶艉部流场和螺旋桨的实际情况加以分析和选择。

纵倾优化：在相同吃水情况下船舶的纵倾，即不同的水下形状和水线面面积会产生不同的阻力特性。纵倾优化是通过计算出船舶在不同航速、吃水情况下不同纵倾的阻力特性曲线来帮助船舶调节航行时的最佳浮态。

轮机系统

主机改装：在减速航行下，主机长期显著偏离设计服务功率会对主机本身及相关系统和附件造成一些伤害。应对主机进行适当改装，如目前较为常用的切断部分涡轮增压器等。

废热回收系统：大型商船上柴油机的热效率通常约为45%～50%，而废气带走的热量约占燃料总发热量的25%～30%，废热回收系统可通过特殊装置回收利用废气中的热能，显著降低能耗。

冷却水系统优化：在常规船舶冷却水系统的设计中，环境参数往往选取极端数值以保证船舶在无限航区内使用，然而船舶实际使用时往往海水和空气温度较低，实际冷却量远低于设计量，冷却系统运转时很大部分功率实为空转。优化的冷却水系统可通过变频泵调节系统的实际运转功率，避免空转。

营运过程

在船舶营运过程中，气象导航、航程优化等方法可提高船舶营运和管理的效率，从管理层面实现节油目的。

某箱船球鼻艏改装

2012年12月，马士基航运宣布在北海船厂对10艘船舶进行球鼻艏改造，受到市场广泛关注。现代商船、达飞轮船等其他大型航运企业也在去年年初进行类似的改装。以下为亚欧航线某9600TEU型船球鼻艏改装的案例分析。

改装项目流程（耗时约30周）：改进需求→可行性研究→改进方案→试验论证→设计送审→生产设计→厂内预制→坞内合拢（停航约10天）→实船论证。

项目的总成本分为直接成本和损失的机会成本。直接成本包括船舶改装的设计施工及施工中的相关费用，机会成本则为船舶停航期间的租金损失。据此，该箱船改装需耗资689000美元，其中设计费用为88500美元，施工费用为539000美元，检验费用为30000美元，停航损失为600000美元（见左表）。

小 结

在法规和市场的双重压力下，船舶节能受到船东持续关注；在法规的推动作用下，新造船能效的大幅提升必然迫使船东关注营运船舶的能效改进；目前常用的节能改进方法已被证明大多能较有效地改善船舶能效；但由于船舶设计水平和实际营运工况的不同，船东应根据船舶自身特点进行全面评估，制定最合理、最具经济性的节能改进措施。endprint