节能减排背景下船舶绿色引航方法探索

王明世 周雪松

一、引言

建设美丽中国是2012年中共十八大提出的战略部署，并被纳入“十三五”和“十四五”规划，其首要任务就是推进绿色发展，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系。交通运输部于2015年印发了《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015—2020年）》和《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》，开始分区域、分阶段实施船舶排放控制；于2017年发布了《关于推进长江经济带绿色航运发展的指导意见》，以绿色航道、绿色港口、绿色船舶、绿色运输组织方式为抓手，促进航运绿色循环低碳发展；于2019年发布了《2020年全球船用燃油限硫令实施方案》，以确保全球限硫令在我国有效实施。

水路运输与其他运输方式相比虽然有“碳效率”最佳的优点，但由于约90%的世界贸易通过海运完成，所以其总量非常大。近期，由国际海事组织（IMO）撰写的一份报告指出，全球航运业CO2排放量已从2012年的9.62亿t增长到2018年的10.56亿t，所占份额从2.76%上升到2.89%，而且由于船用燃料质量较差，排放的含硫、含氮和颗粒污染物较多，产生的负外部性——生态污染和碳排放问题已备受国际社会重视。IMO于2020年1月1日起实施全球船用燃油限硫规定。随着航运业低碳、低硫政策的持续收紧，以及IMO节能减排战略的提出，“绿色航运、绿色港口”逐渐成为港航企业未来核心竞争力的重点内容之一。

船舶引航（以下简称引航）作为船舶进出港的重要环节，是航运的起点和终点，引航作业在绿色港口建设过程中，特别是在降低船舶在港口水域活动的排放方面能够发挥重要的作用。因此，在引航生产中探索节能减排措施、倡导绿色引航有着重要的意义。

二、引航生产链主要能耗排放及能效影响因素识别

（一）引航接送

引航接送作业中的时间、地点、交通船艇类型和交通船艇的主机功率等都将直接影响排放总量。

（二）引航计划

引航计划包括引航员登船时间、编队次序、靠离泊时间和方式以及拖轮使用计划等，例如登船时间、富余水深、交通流编队的合理性、顺流还是顶流航行、靠离泊是否需要掉头、是否需要拖轮伴航和协助靠离泊等，都将直接影响排放总量。

（三）航行过程

港内船舶通航密度大，航道复杂局面频出，经常需要加减车和施舵来避让，急加减车或大角度施舵都会增加油耗和排放。所以航行过程中通航密度、航速控制、航速分配和用车习惯等都是影响能效和排放的因素，其中航速控制、航速分配和用车习惯大部分决定于引航员的技术水平。船舶燃料分重油和轻油，为降低成本，船舶在海上航行时基本都采用质量较差、价格低廉的重油，其含有较多的水分、灰分和硫化物等杂质，燃烧后排放的含硫、含氮和颗粒污染物较多，而含硫化物和颗粒物低的轻油燃烧后污染物相对较少。所以船舶的燃油质量将直接影响排放污染物的量。

（四）靠离泊过程

船舶引航中尤其是在靠离泊之前，岸基支持很重要。如果信息不及时，船舶靠泊时离泊船延期将造成靠泊船过久滞航在主航道上，影响本船及周边船舶的能效；靠离泊时船舶与码头工作人员的配合是否默契将影响靠离泊效率；有没有侧推器，以及拖轮如何使用将直接影响排放。优秀的引航员在引导船舶靠离泊时，合理采用靠泊角度、系解缆顺序，有效利用潮汐和风动力，操纵流畅，可以减少用车、拖轮或侧推器的次数和时长，可见引航技术水平与节能减排和能效提升息息相关。

综上所述，船舶引航生产过程中的能效影响因素如图1所示。

图1 引航生产能效影响因素示意图

三、绿色引航方法分析

（一）总原则与实施策略

1.总原则

绿色引航固然重要，但引航的基本目的是为了切实执行港口规章制度并保障港航安全，如果因为一味实施节能减排而引发事故甚至造成环境污染，那么后果不堪设想，所以切忌为节能减排而影响安全或违章操作，绿色引航必须建立在安全和符合规定的前提条件下。

2.绿色引航意识

绿色引航不属于强制范畴，只有当相关人员提高绿色意识后能自发地实施，才能从根本上取得成效，所以必须提高相关人员的绿色引航意识。

3.绿色引航技术

没有优秀的绿色引航技术，就没有绿色引航的立身之地，所以总结绿色引航技术并研究新的操作方法势在必行。

（二）引航接送作业

据了解，国内引航机构主要利用引航艇和拖轮两种方式接送引航员。经测算，假设拖轮功率为2 844 kW，引航艇功率为896 kW，以实际耗油拖轮按平均功率的60%、引航艇按平均功率90%计算来比对，可获知拖轮的每小时油耗是引航艇的4.06倍[1]。仅从节能减排的角度看，显然采用引航艇是最优选择。

（三）引航计划

1.富余水深

船舶在港口水域内航行时，由于水域宽度和水深受限，会产生黏性阻力和兴波阻力为主的浅水效应[2]。阻力增大，与深水航行相比保持同样的速度将增加油耗和排放，所以安排引航计划时，船舶需要留有合理的富余水深。

2.潮汐港

国内部分港口属于潮汐港，潮汐周期性产生的潮流将影响船舶的航速，显而易见，逆流航行时船舶需要克服潮流流速，顺流航行可以增加船舶航速提高能效。

3.靠离泊方式

船舶进港后一般都由原航路出港，在码头边掉头是必不可少的行为，那么进港掉头靠泊和离泊掉头出港中，哪种方式更减少总排放呢？由于码头边水域受限，进港掉头靠泊需要频繁使用车舵、侧推器和拖轮协助才能完成，离泊掉头出港时可以利用缆绳的受力、绞锚（靠泊时已抛下外挡锚）以及内舷受流的作用力，使船舶在泊位边转出一个大的角度，以减少车舵、侧推器和拖轮的使用。所以从单船航次总能耗来看，“进港（不掉头）直接靠泊、出港离泊时掉头”是优选方案。

4.集中进港时船舶编队

沈建华的《基于引航操作计划优化的港口水域船舶节能减排措施研究》中利用遗传算法建模优化上海港北槽集中进港编队，找出了船队总能耗最小的进港计划编制原则，经测算，优化后的船舶编队总能效提升水平达16.4%[3]。

（四）船舶航行

1.港内“燃料选择”

交通运输部发布的《2020年全球船用燃油限硫令实施方案》明确自2020年1月1日起，船舶在我国管辖水域不得使用含硫量超过0.5%m/m的燃油。为减少船舶污染物在港口的排放，引航员最好能督促船方使用低硫合规轻油。

2.航速分配

一般认为船舶对水速度大小与船舶瞬时能耗成立方关系[2]。在变速航行过程中，高航速航行与平均航速相比能耗的增加量，将大于低速航行时与平均航速相比能耗的减少量，使总航程相等的情况下变速航行的总能耗大于匀速航行。所以应在安全受控的前提下，尽量保持或接近匀速航行。

3.主机操作

由常用数据可知，船舶废气排放与船舶主机油耗成正比，同时燃烧越充分，废气排放越少。船舶主机在加速和启动时，主机喷油率突然大幅增加导致燃烧不充分，而且会增大船速的滑失比[2]。主机频繁启动，在导致主机喷油率增大的同时消耗大量的压缩空气，造成额外的能量消耗，因此，在保持安全的前提下，应尽量避免主机频繁启停。

（五）船舶靠离泊

1.侧推器与拖轮的选择

据上海港引航站与上海海事大学联合开展的“基于减排和能效目标的智能化引航决策系统”研究测算，在船速为0 kn时，同样有效输出功率398 kW/h，侧推器油耗199 kg/h，拖轮油耗388 kg/h，侧推器比拖轮单位时间节省油耗48.7%。另外，由于侧推器更接近大船的船首，因此在作用力大小相等的情况下使用侧推器可以获得更大的转船力矩，所以应优先使用侧推器。

2.拖轮与被引船动车舵的选择

一般来说，大船主机功率远大于拖轮的主机功率，而且大船主机重新启动需要消耗压缩空气，而拖轮是全回转型，主机一直运转不需要重启，所以在有协助拖轮的情况下，应优先使用拖轮，尽量少用车舵来获取船舶横移力。

3.用拖轮顶还是拖的选择

拖轮协助靠离泊时，由于用拖的方式其有效力仅限于水平分力，受拖缆仰角影响较大，但用顶的方式其有效分力将大大增加。故在可拖可顶的时候首选顶的方式。

4.拖轮带缆位置和缆长的选择

将拖力沿竖直方向和水平方向分解，其有效拖力就是水平分力，这个分力产生转船力矩。为了充分发挥拖轮的有效拖力，拖缆的仰角应当尽可能小，一般应小于15°，拖轮协助时带缆的位置应尽量远离船舶转心位置，以增大力臂，获得最大转船力矩[2]。由于靠离泊时拖轮带缆后有时拖有时顶，如果拖缆太长可能导致顶与拖切换的时间较长，所以拖缆的具体使用长度应根据现场情况来决定。

5.拖轮协助时大船的控速

研究表明拖轮协助大船掉头时，大船对水速度越低效果越明显，当船速超过极限速度（约5 kn）时，使用拖轮可能失效[2]，所以在拖轮协助时，大船要降速以配合拖轮，提高能效。

（六）岸基支持和多方协作

（1）要想做好船舶引航作业中的岸基支持，引航监控不可或缺，引航调度员要通过引航监控系统随时掌握进出港船舶的动态，并加强与港区码头的沟通，遇到与计划不符的情况时，在第一时间里通知相关引航员、拖轮公司和码头，以使引航员能及早控制好航速或择地抛锚等候，不使辅助拖轮来回空驶，使码头能及时做好船舶靠离泊准备。

（2）引航机构要高度重视靠离泊时的多方协作，在靠离泊前引航员要与拖轮和码头管理员确定好对讲机频道，指令简单明了，实施方操作后要及时回复，提高效率。

四、践行绿色引航的建议

（一）践行绿色引航的总原则与实施策略

（1）建议坚持“安全第一、遵章守纪”并倡导“节能减排、绿色引航”的总原则。

（2）加强绿色引航意识培养。建议各引航机构向引航员和引航调度员宣传在符合规定、保障安全生产的前提下节能减排，实施绿色引航。

（3）积极开展绿色引航技术的研究和推广。建议各引航机构总结符合各自港口特点的绿色引航技术，引航协会可以组织研究绿色引航新技术，并积极推广。

（二）推荐采用引航艇接送

尽量采用引航艇接送引航员，避免单独使用拖轮接送，除非在被引船需要拖轮护航时顺便接送引航员或大风浪接送作业。

（三）优化引航计划

（1）引航调度员制订引航计划时，最好根据规章制度、安全和节能减排因素综合考虑，保持船舶合理富余水深，潮汐港尽量安排船舶顺流航行，进港不掉头直接靠泊，出港时离泊掉头。如上海港散货和杂货船尽量安排顺流航行，进港时优先选择顺流进口、初落流靠泊，其次是顺流进口、掉头靠泊；出港时优先选择初落流离泊，其次是高潮离泊。

（2）可以利用遗传算法模拟集中进港计划编队，以便找出整体能效最优的编队方法。

（四）船舶航行时的建议

建议引航员参与“燃料选择”行动，港内航行时督促船方换用低硫合规轻油。在保障安全和遵守规章的前提下，尽可能均匀分配航速，避免船舶主机频繁启停或加减车。

（五）船舶靠离泊时的建议

在安全有保障的情况下，尽可能避免频繁启停车，优先利用风流和锚自行靠离，其次是配有侧推器的可以利用侧推器，最后再考虑利用拖轮协助；有侧推器或有拖轮协助时少用车舵获取横向力；在拖轮协助掉头时优先使用顶；拖轮带缆位置尽量远离船舶转心，拖缆长度适度，大船速度尽量降低，以便更好地使拖轮发挥作用、提高能效。

（六）加强岸基支持和多方协作

（1）建立引航监控系统和相关规定，发生异常情况时调度员要及时与码头和引航员进行沟通。

（2）建立引航员与码头现场管理员及拖轮之间的靠离泊沟通制度，使现场信息沟通顺畅。

五、结语

面对能源紧张、环境污染严重、生态系统退化的严峻现状，保护地球生态、建设美丽中国是关系人类福祉、民族未来和各行业生存发展的大事。引航界从自身视角提出船舶绿色引航的理念，思考有益环境保护和节能减排的方法，提出一些切实可行的有效建议，以期通过行业行为的改善和约束，达到服务绿色航运、服务绿色港口的目的，为我国“碳达峰”和“碳中和”承诺的早日实现提供行业的最大努力。