我国民航节能减排技术浅析

2019-07-05冯驯

上海节能 2019年6期

冯驯

上海市节能减排中心有限公司

0 引言

党的“十九大报告”指出，要建设的现代化是人与自然和谐共生的现代化，为未来中国的生态文明建设和绿色发展指明了方向、规划了路线。为了推进生态文明建设，民航业作为用能大户，也将扮演极其重要的角色，必须注重绿色发展。在国务院发布的《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》和《国务院关于促进民航业发展的若干意见》中明确提出促进交通运输绿色发展，打造绿色低碳航空，推动新材料、新能源的应用。

目前，民航行业在未来仍将保持高速增长。根据国家统计局公布数据，2018年民用航空货物周转量和旅客周转量相比较“十二五”末已分别上涨了26．1%和47．1%。民用机场新建28个，民用航空航线新增1 276条，上升比例为40．6%，航线里程新增285万km，上升61．4%，民用飞机新增1 425架，上升了34．2%。

航空公司属于“能源依赖型企业”,航油约占其主营成本的30%～40%。因此，我国的民用航空业在迎来业务需求增长和发展的同时，如何有效控制油耗以减少排放是航空业面临的严峻问题。

降低运营成本、提高利润、赢得更好的发展空间，是各大航空公司积极主动地研究探索航空节能技术的动力。目前，在燃料动力、机体结构、地面维护及管理等方面采取的常用节能减排技术见表1。

表1 航空常用节能减排技术举例

1 各种节能技术特点

1.1 发动机升级

目前，国内民航宽体客机上均采用大涵道比涡扇发动机作为推进动力源，并且以CFM56系列和V2500系列发动机为主。对不同飞机机型的适用发动机系列进行升级改造以达到有效降低燃油消耗和污染物排放的目的。

CFM56系列航空发动机是由美国GE公司和法国SNECMA公司组建的CFMI公司共同研发的，该系列发动机是在美国F101军用涡扇发动机为核心机技术的基础上，为适应20世纪80年代末国际民用飞机市场需求而研制的100kN级大涵道比涡扇发动机，目前已相继推出了CFM56-2、CFM56-3、CFM56-5、CFM56-7等4个系列[1]，见表2。与原型号发动机相比，新一代升级发动机其性能更好，更安全可靠，更节能环保。例如：CFM56-5A同CFM56-2相比，耗油率降低了13%～15%，可靠性提高了30%～40%。CFM56-5B采用了更先进的双环腔燃烧室，NOx排放物降低约35%。CFM56-5C发动机耗油率比CFM56-5A1降低约5%。

V2500系列发动机则是国际航空发动机公司（IAE)研制生产的双转子轴流式高涵道比涡轮风扇发动机。该系列发动机具有无凸台的宽弦空心的风扇叶片、“浮壁”燃烧室和高效的燃油率等特点[2]。20世纪该公司已研制生产了V2500-A1、V2527-A5、V2522-D5、V2528-D5、V2530-A5等多款V2500系列发动机。2008年IAE公司为进一步改进V2500发动机的性能，推出了Select One改装计划，对发动机高压压气机（HPC）和高压涡轮（HPT）进行升级改造，通过改装可以降低2%～3%的燃油消耗，同时还具有提高发动机工作效率、减少发动机排放、提高部件可靠性、减少返修次数等效果。

表2 CFM56和V2500系列发动机对应机型

上海市已有多家航空公司进行了发动机升级改造，东方航空公司、春秋航空公司和吉祥航空公司自2010年以来投入大量资金，已对近百架飞机的发动机进行了升级改造，并取得了良好的节能效果。

1.2 生物质燃料

生物质燃料是实现航空业大幅度节能减排的技术之一，以生物质作为原料制造的航空生物燃料具备原料易得、可再生及环保等诸多优势。生物质合成航空燃油其化学结构和物化性质与一般化石航空燃油较为接近，也可使用现有燃料运输配送设备及系统。根据相关研究，在燃料生产使用的全生命周期内，航空生物燃料的温室气体排放量与一般化石航空燃油相比可降低50%～90%[3]。

目前制造航空生物质燃料主要采取生物质气化-费托合成、生物质水相催化、油脂加氢等方法[4]，见表3。

表3 航空生物质燃料主要制取方法

对我国而言，存在大量农业废弃物可加以利用，生物质气化-费托合成技术将成为未来的主要发展方向。中国国际航空股份有限公司在2011年10月成功实施了国内首次航空可持续生物燃料的验证飞行。在全球范围，也有多家航空公司在使用生物燃油，但也仅仅作为试点工程，仍缺乏持续稳定的供应链，需要继续推进其产业化、商业化的进程。研究和发展航空生物质燃料在中国具备良好的条件，即：具有充足的人力资本和广阔的社会需求。应创建以政府部门为指导，企业为主体，大学、研究所、金融机构共同参与的生物质燃料创新体系，加强自主技术研发力度。同时，国家应制定针对性的扶持政策，使企业在航空碳税、碳交易、技术扶持资金等方面获益。

1.3 翼梢小翼

飞机在巡航工况下，机翼后涡旋所产生的诱导阻力在总阻力中增长成为较大占比。采用扩大机翼展长的方法可以达到降低诱导阻力的目的，但同时飞机展长还受到机翼结构与空间的限制，不可能无限增加。翼梢小翼是美国航空航天局(NASA)兰利风洞实验室主任R．T．怀特科姆[5]在20世纪70年代中期首先设计了一种安装在机翼翼尖的附加装置原型，该装置可大幅降低飞机巡航工况的诱导阻力。

翼梢小翼主要减阻原理：在飞机机翼尖端上下表面的压差作用下，机翼尖端沿下表面气流趋于外流，上表面趋于内流。飞机机翼上安装翼梢小翼后，在飞机机翼的气流流动过程中将产生端板效应，并对飞机机翼翼梢涡产生扩散效应，削弱机翼尾涡的下洗，诱导阻力随之减少。

目前在民用机上所用的翼梢小翼有：单上翼梢小翼、翼梢涡扩散器、鲨鱼鳍翼梢小翼、翼梢帆片等，如图1所示。

相关研究显示，翼梢小翼安装在机翼上能够降低飞机飞行时的诱导阻力的20%～30%。其作为一种节约成本和节能的先进空气动力技术，在波音和空客的大型客机上已有应用。

根据上海地区数家大型航空客运公司的实际运营数据，320系列飞机加装翼梢小翼后，节油率达约3%。一般而言，航程越长，巡航高度和马赫数就越高，小翼节油也越多。在短距航段，飞机爬升和下降占用过多的时间，巡航阶段需时较少，因此短航程飞行时鲨鳍小翼节油较少。空客实验室的理论测试数据显示，A320系列飞机加装鲨鳍小翼后均能达到一定比例的节油效果。根据理论测试数据，在1 000海里航程，加装鲨鳍小翼可节油2．5%以上。节油比率与航程长短成正比，航程达到3 000海里时，预计可节油3．5%以上，如图2所示。

图1 航空翼梢小翼分类

图2 小翼节油效果示意图

1.4 发动机水洗

评价航空发动机典型性能参数有：EGTM（发动机排气温度裕度）、机械振动值、滑油压力及滑油消耗情况等。监控各项性能参数有助于掌握航空发动机的运行状况，预测、管理发动机维修，降低燃油消耗量，减少维护和备件成本。

航空发动机利用燃油燃烧推动工质（空气）进行做功，然后转变成透平涡轮的动能，给飞机飞行提供动力源。经过长时间的运行，燃油内含有的杂质（如胶质）及高温燃烧产生的微溶碳化物会日积月累地附着于整个引擎系统内部，导致油耗量上升。

发动机水洗是指对发动机进气道、风扇叶片及整个核心机气路用一定压力的水(或溶剂)冲洗，一般可获5℃～10℃的EGTM，个别发动机可达15℃之多，从而提高发动机性能和燃油效率。该方法简单、省时、收效快，尤其对于经过沙尘或沿海区域的机群航线，使用发动机水洗的效果明显。实际操作时清洗发动机的用水流速和温度都应有严格计量要求。发动机清洗车是由不锈钢水箱和不锈钢清水箱组成（图3），按照飞行手册相应要求，分别充入额定的清洗剂溶液和纯净软水，经汽油水泵机组增压调压后，再通过阀门、管道等将清水或药水按一定流量喷射到需要清洗的地方。清洗过程中水温、水枪角度、时间都有严格要求。水洗设备通过固定在发动机前段的固定式水枪使清洗过程中水枪角度、雾化效果、水流量得到有效控制，从而达到最佳冲洗效果，提高发动机的EGT裕度，延长发动机的使用寿命。

图3 发动机水洗设备

航空发动机水洗是保持发动机气路性能经济有效的在翼维护措施。目前，各大航空公司已根据发动机的具体使用情况制定相应的水洗计划，以此解决积垢积碳引起的发动机气路性能衰退问题，实际运营数据也证明了其易操作和有效性。根据上海地区航空公司实际运营数据显示，经过水洗后的发动机，节油率约为3‰。发动机水洗节能效果见图4。

图4 发动机水洗节能效果

1.5 地面设备（电源）

APU（飞机辅助动力装置）是一种小型燃气涡轮发动机，其主要作用是向飞机独立提供电力和压缩空气。APU有自己单独启动的电动机，由单独的电池供电，有独立的附加齿轮箱、润滑系统、冷却系统和防火装置。APU一般装在机身最后段的尾椎之内，在机身上方垂尾附近开有进气口，排气直接由尾锥后端的排气口排出，见图5。

图5 APU设备及控制系统

起飞前，APU供电启动飞机主发动机，APU可提供电力和压缩空气，保证客舱和驾驶舱内的照明和空调，确保旅客的舒适。飞机飞行时，APU是保证航空发动机空中停车后再启动的主要装备，它直接影响飞行安全；降落后，仍由APU供应电力照明和空调，使主发动机提早关闭。APU同主发动机一样是涡轮发动机，燃烧航空燃油排放废气。其存在效率相对较低，噪声、耗油量相对较大的缺点[7]，给机场及机场地区带来的大气污染和环境噪音显得十分突出。

各航空企业可通过减少使用APU的方法来降低燃油成本。航空公司在航班的航前、过站、航后等地面等待时间可以使用地面电源代替飞机APU，节能减排效果相当明显。对于飞机着陆后使用地面设备替代APU，欧洲和日本等发达国家的机场已写入制度规范。飞行员着陆后操作也很方便．地面（电源）设备(图6)连接成功，飞机指示灯点亮提醒，飞行员按下切换按钮，则完成了关闭飞机APU并由地面设备（电源）供应能源的操作。目前机场所使用的地面设备主要分为两种：地面车载电源、空调设备和地面桥载电源、空调设备。

图6 地面电源车设备

采用地面（电源）设备代替APU供电，可节约燃油消耗、节省APU维修费用、减少CO2等气体的排放。根据不同航空公司测试及营运数据显示，APU每小时消耗航空煤油一般为100kg/h～120kg/h。而一般地面（电源）设备仅为10kg/h～15kg/h柴油，节油率可达80%以上。

1.6 管理节能

1.6.1 优化航线

国务院发布的《促进民航业发展的若干意见》文件中明确提出：“实行航路航线截弯取直，提高临时航线使用效率，优化地面运行组织，减少无效飞行和等待时间。”我国航线普遍存在弯曲程度较高、技术等级和开放程度较低等问题。我国航路航线非直线系数约为1．11（欧洲和美国均低于1．05），这导致飞机飞行距离增加，提高了运营成本。民航空管部门在目前状况下提出了“东部扩展、西部延伸、南部分流、北部拉直、中部疏通”的指导思路。优化海南、深圳等地区空域，启用京昆、广兰和京广等大通道，使用东南沿海海上飞行航线,这些举措都体现了上述思路。各大航空公司也积极优化航线，例如：东航在2009年因航线优化节约能源3 298 t标准煤，节省成本约1 300万元。该公司先后对上海一曼谷/普吉、纽约一浦东、浦东-巴黎/法兰克福、欧洲去程回程、西北区内等航线进行了优化，都取得了良好的节能减排效果[8]。

1.6.2 计算飞行计划精准化

航空公司的飞行计划与飞机耗油量直接相关，一般而言,飞机飞行途中特殊天气、风速、飞行高度、飞机性能、载重等都会对用油量产生很大影响。春秋航空开发使用了一套计算机模拟飞行计划，飞行前，利用计算机技术，结合气象、性能及载重参数，可以较为准确地预测飞行情况。使用计算机模拟飞行计划取代固定油量模式，根据实时的飞行线路风向和风速等参数,确定最优飞行高度,通过计算机模拟计算得到一个准确、安全的航班加油量,减少了飞行重量,可节省航班运行中的燃油消耗。东航则使用了一套直接运行成本（DOC）控制和管理系统。每月根据国际油价和运行成本状况的变化，随时调整发布各机型的CI成本指数，使公司的DOC控制和管理形成长效管理机制。根据东航统计数据显示，该系统使用前后，平均单位飞行小时油耗可以下降10%[9]。

1.6.3 飞机重心调整

飞机载荷分布情况确定了飞机重心位置。除了在重心位置以外，飞机上各部位载重量变化，飞机重心都会移动，向载重变大的方向偏移。一般而言，飞机重心越靠后,巡航阻力越小,耗油越少,因此可以通过重心后移减少燃油消耗。

飞机在实际运行中，可以通过旅客和货物位置合理布置控制飞机重心位置，在确保飞行安全的前提下向后挪移飞机重心以达到节油目的。后移重心范围由工程师依据飞机重心包线划定，在进行配载平衡时，配载工作人员协调值机和装货工作人员对旅客和货物的位置进行调整，使飞机重心处于划定范围中。山东航空在烟台、青岛、济南基地实施了飞机重心后移，年节油量约110t。

1.6.4 飞机减重

飞机减重是减少飞机燃油消耗的重要手段，根据计算,飞机载重每减少100kg，油耗可降低2．1kg/h。飞机减重可以通过如下几种手段实现：

1）罗列设备、物料和飞机用品清单和明细，避免重复计算；准确称量各种设备、物料和飞机用品重量，精确计算飞机总重量；

2）规范飞机供应用品、机载杂志等数量和加水量等，比如按照航班的特点灵活配备机供品和杂志、按照航程的长短规范加水量等，减少不必要的重量。

3）使用轻质材料座椅等轻质材料配件。

1.6.5 降低起飞推力

满推力起飞是目前大部分飞机在起飞过程中普遍使用的方式，然而当实际起飞重量低于起飞限制重量时，飞机起飞过程中可以适当降低推力。适当降低起飞推力可以降低发动机排气温度，减少零件损耗，进而提升飞机发动机的可靠性，减少维护成本。同时，减推力起飞也减少了燃油用量和噪声污染。减推力起飞实际使用过程中需要工程师提供合理充足的起飞性能数据供飞行员使用，并给予相应的规范和指导。飞机减推力起飞时发动机可靠性和油耗情况如图6所示。