船舶工业重点用能环节特征研究

摘要：船舶工业作为“工业综合之冠”，具有产业链条长，耗能品种多，非连续生产作业等特征，为船舶工业碳排放管理带来较大挑战。本文采取抽样调查方式，对典型船舶制造业生产工艺环节进行系统梳理，结合企业能耗特点，剖析了重点用能环节、重点用能品种、重点用能设备能源消耗和碳排放特征，为船舶工业重点设备碳排放管理提供了理论基础。

关键词：船舶工业；工艺流程；耗能环节；耗能设备

近年来，我国六大高耗能行业的总能源消耗占比常维持50%以上，二氧化碳排放量占比也远超70%。为深入贯彻落实我国碳达峰碳中和战略决策部署，有效遏制能源消耗趋严形势，国务院印发了《“十四五”节能减排综合工作方案》指出，要求通过实施节能减排重点工程，推动能源利用效率提高，坚决遏制“双高”项目盲目发展。具体举措有：（1）推动制造业绿色低碳高质量发展，实现智能化、信息化、绿色化升级转型；（2）强化制造业能效、水效对标专项工程，有效降低产品能耗水平；（3）加强数字化监控能力，推广能源管控中心和智能化管控和诊断能力。整体来看，我国政策对于能耗总量控制向工艺和产品精细化管控转变，各行各业根据实际情况，纷纷出台了相关的政策加强先进工艺、绿色产品的推广。

船舶制造业，是国民经济的重要支柱产业之一，保障我国远洋运输和国际贸易，对经济增长和人民生活改善起到了举足轻重的作用；我国造船业三大指标对于能耗管理，特别是单位产品能耗仍有一定差距。众所周知，造船工艺即船舶建造过程中所采用的各种方法和技艺，包括船体加工工艺、舾装（外装、内装、机装、电装）工艺、涂装工艺和焊接工艺。船舶制造是一项系统性工程，各工序间需要通过科学合理安排，促使工序间有效衔接，从时间和空间上实现生产要素间资源配置达到最优化，国际上亦是通过核算工时量和综合能耗强度衡量生产效率的高低。因此，本文系统梳理了船舶工业重点用能品种、用能环节、用能设备特征，分析了各环节能源消耗和碳排放特征，为加强船舶工业碳排放和能源消耗管理具有较强的指导意义。

1船舶工业重点用能品种特征

按照能源品质和用途，将船舶制造过程中能源种类分为一次能源（如天然气、原煤等）、二次能源（如电力、热力、柴油等）以及耗能工质（如水、二氧化碳、压缩空气等）。

船舶制造企业往往占地面积较大，部分空地用于放置阴干晾晒喷漆后的零部件，此外，船台、码头等区域用于舾装，因此各区域间能源消耗往往受工艺的差异产生较大的差距。以分段制作车间为例，电和二氧化碳为主要消耗能源品种，而涂装车间以电和压缩空气为主。可以说，船舶制造企业需要聘用专业能力较强的管理人员，用于供应各部门能源需求，同时对重要耗能品种按照车间级进行统计，避免造成能源管理无序的现象发生。

2船舶工业生产工艺特征

典型船舶制造工艺流程可表示如图1所示，各工序主要耗能品种简述如下：

2.1钢材预处理

通过钢材通过切割、除锈和底漆工序，将钢材按照设计要求，制作成指定型号的材料。这是由于钢材预处理过程中，压延和轧制工艺后冷却不均，运输、存储过程中环境条件变化等因素，往往会导致钢材出现变形，需通过矫正、抛光处理满足各组件尺寸要求。目前，我国造船企业钢板预处理通过预处理流水线实现，钢材预处理流水线包括进料辊道、预热、抛丸除锈、丸料清扫、喷漆、烘干、卸料辊道等工位，需要用到的能源主要包括电、压缩空气、蒸汽等。

2.2材料切割

利用等离子切割机、气割机等进行焊接或切割，将钢材切割成实际形状，并利用气刨机将边缘进行磨合。涉及的工艺设备有：数控等离子切割机、铣边机、电感应校平系统等。需要用到的能源主要是电、氧气、乙炔、天然气等。

2.3加工成型

将切割后的型材进行曲度、折角或折边处理。对于板材加工，即可采用辊式弯板机和滚压机进行弯冷处理，也可采用水火成型的加工方法，对板材进行局部变形，弯成所要求的曲面形状。对于肋骨等的型材处理，常采用肋骨冷弯机进行弯制成型。需要利用的设备有辊式弯板机、滚压机、肋骨冷弯机和数控弯板机等，这些切割设备主要以用电为主，弯板设备还需用到氧气、乙炔、天然气等气体进行处理。

2.4部件装配焊接

加工成型后的型材有板列、T型材、首尾柱等部件。将这些小组件在装焊拼条进行焊接，即小组立，除焊材材料损耗外，消耗的能源基本为电。

2.5组件装备焊接

小组立通过焊接工艺，形成腹板等中组立件，由于中组立件重量大，尺寸高，还需利用吊车进行搭载，消耗的能源以电和压缩空气为主。

2.6分段装备焊接

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。对于曲面和立体分段的装配，国内主要船厂仍然在平台和胎架上装配。分段装焊使用的设备主要包括各类焊机，部分企业会用到焊接机器人等。同样，以电、压缩空气等能源消耗为主。

2.7分段涂装

分段涂装一般在涂装房进行，涂装房也是船厂耗能较大的一个生产部门，除了需要消耗电能外，抛丸除锈和清洁需要用到压缩空气，船厂约70%的压缩空气就是消耗在涂装环节。另外，烘干过程还需用到蒸汽。

2.8分段总组

分段总组需要对分段进行吊放、定位、焊接，以及各种单元、模块、舾装件的预舾装，所涉及的设备主要包括龙门吊、塔吊、焊机、切割设备等，消耗的能源基本是电，以及焊接切割用的天然气、乙炔、氧气、二氧化碳等气体。

2.9船坞/船台合拢

各种总装方法的选择根据船体结构特点和船厂的具体条件而定，但都会涉及总段吊放、定位、焊接、余量切割的过程，需要用到龙门吊、塔吊、焊接设备、切割设备等。消耗的能源基本是电，以及焊接切割用的天然气、乙炔、氧气、二氧化碳等气体。

2.10船坞/船台舾装及涂装

在船坞/船台内进行的舾装及涂装，大型设备需要用到龙门吊，其他设备及舾装件通过塔吊吊装，以及利用各类焊机进行焊接，并通过移动式喷涂设备进行喷涂。消耗的能源基本是电，以及焊接切割用的天然气、乙炔、氧气、二氧化碳等气体，还包括喷涂的压缩空气。

2.11码头作业

由于在现代造船模式下，船舶的大部分舾装作业提前到分段装配和船体总装阶段进行，即预舾装，码头舾装作业已经大幅减少，码头作业主要是对设备进行调试以及进行船舶倾斜试验等。需要用到吊车、焊机等设备，所消耗的能源主要是电，以及焊接用的天然气、乙炔、氧气、二氧化碳等气体。

2.12系泊试验和航行试验

系泊试验是通过对船舶的主机、辅机和其他机电设备进行系统试验，评估产品性能是否满足设计需求。航行试验是通过测试船舶航行状态下，主机、辅机和其他机电设备的性能指标。因此，系泊试验和航行试验主要是检验船舶的运转情况，其主要消耗的能源是重油，船厂的重油消耗基本是在这一环节。

2.13管子生产

主要包括管子的弯制、焊接，以及法兰的焊接等。目前我国主要骨干船厂均有专门的管子加工工程，基本实现管子加工流水线生产。管子生产线主要包括切割、弯制、打磨、焊接等工位，所消耗的能源主要是电、压缩空气，以及焊接用的天然气、乙炔、氧气、二氧化碳等气体。

2.14预舾装

预舾装就是将传统的码头、船内的舾装作业提前到分段、总段上，在船台前进行的一种舾装方法。主要有管子、电缆托架、电器底板、机电设备底座等的预舾装，以及机舱的单元组装。施工过程中需要用到各类起吊设备、切割设备及焊接设备。所消耗的能源主要是电、压缩空气，以及焊接用的天然气、乙炔、氧气、二氧化碳等气体。

3船舶工业生产工艺碳排放特征分析

从工艺流程分析结果来看，电能是造船企业最主要的能源，即船舶制造业间接碳排放量占比较大。企业电力消耗量占到企业总能耗量的30%～50%，折算到碳排放总量来看，约占碳排放总量的50%以上。按照生产重点环节进行划分，企业的电力间接排放主要分为非生产系统（员工宿舍用电）、辅助系统、转换系统（以空压站为主）和生产系统。根据对调研企业能耗水平数据进行分析，各系统碳排放总量占企业总耗电量的比重如图2所示。图中显示，生产系统和转换系统是主要的间接碳排放环节和能耗环节。

为进一步将生产系统中能耗特征进行梳理，结合典型船厂实际，本文将船厂生产部门划分为加工部、模块部、搭载部、涂装部、船装部。作为造船生产过程的常用能源，电力在生产系统各部门碳排放特征相对比较平均。各生产部门平均电力间接碳排放总量占企业总电力间接排放量的比重如下表所示：

柴油、重油等化石燃料消耗以设备运输、船舶试航，其消耗量约占企业总能耗量的15%～20%左右，该部分属于化石燃料燃烧排放，约占整体碳排放量的10%左右。

乙炔、二氧化碳作为切割气体保护气，用于钢板预处理切割，该部分属于过程排放，约占企业总能耗的10%～15%。涂装部为处理VOCs尾气，需要利用热力或者天然气进行尾气处理，其消耗量约占企业总能耗量的5%～10%。

4结论

对于船舶工业而言，计量工艺级别能源消耗特征和碳排放特征工作起步相对较晚，通过能源消耗数据清单，核算企业碳排放特征尚显不足。这是由于船舶制造业受工艺特征影响，喷涂作业过程中，常产生较大量的挥发性有机物排放，目前，多采用RTOCO处理工艺对尾气进行处理确保达标排放，该部分VOCsCO2转化因子对于船厂而言仍是空缺，仅能采用碳平衡核算方法估算理论值。此外，为提升焊接效率，焊接工艺常用CO2作为保护气，该部分泄漏排放量估算仅能通过经验值进行核算。因此，借鉴国内外先进制造业的核算经验，对后续船舶制造业能源和碳排放工艺特征进行科学管理具有重要意义。具体如下：

（1）由于船舶制造业能源前期粗放型管理，导致能源管理基础相对比较薄弱，国内船舶企业面临的能源考核压力急剧增加，需要加强能源管控意识，加强数字化管控平台建设，加速信息化智能化转型升级。

（2）船舶制造业分为造、修以及配套企业三大类，不同类型企业能耗和工艺环节差距较大，为表征船舶制造业工艺能耗特征，可将共性工艺特征进行总结，合并典型企业小类工艺，进而形成船舶造、修以及配套企业能耗和碳排放表征。

（3）国内船舶制造业企业受区域政策和资源禀赋影响，万元产值综合能耗、万元产值碳排放强度指标差异较大，例如，北方船厂需利用燃煤进行取暖，增加整体能耗指标，而南方不需要采暖设施，估计企业通过工艺优化、设备淘汰等，有效降低能耗总量，提升产品低碳化。

（4）国内能源监测、碳排放数据监测仍面临较大挑战，仅通过理论计算能耗和碳排放数据，对具体问题进行分析仍显不足。特别是挥发性有机物监测技术和排放量计算方法健全和完善，是弥补我国船舶制造业碳排放因子库空白的有力举措。

参考文献：

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基金项目：工信部船舶工业碳达峰、碳中和技术路线图和实施方案研究项目（CBZ1N211）

*通讯作者：关攀博（1991—），男，汉族，山西运城人，博士，工程师，研究方向：节能与绿色发展。